特殊土体边坡安全性及加固措施分析

李扬 宁晓骏 陈光杨 董福民 周操 周兴林 张清旭

(昆明理工大学 昆明 650500)

0 引言

城市中一些特殊的地质区域如边坡、建筑物密集区等常常会有地下构筑物穿越，构筑物会承受复杂的外力作用，同时，边坡和已有建筑物也会因为构筑物的施工受到扰动[1]。在高边坡的下部进行隧道开挖是隧道施工中比较特殊的一种情况，隧道附近的边坡会对隧道产生偏压。同时，隧道的开挖扰动也会对边坡的稳定性产生影响。本文通过建立二维及三维数值计算模型，依托重庆某实际隧道工程，分别分析边坡在原始条件下及采用高压旋喷桩加固后的稳定性，为后续边坡底部浅埋偏压隧道的施工提供参考。

1 工程概况

整个场地上部主要由粘聚力为3 kPa的素填土构成，中部夹层以强风化泥岩为主，其次为粉质黏土，下部主要为中风化泥岩。本次计算分析主要针对隧道上部的边坡部分，其主要成分为素填土，从隧道顶部到边坡顶部的高度约50 m，隧道净宽为13.25 m。由于上部素填土的粘聚力过小，在隧道施工过程中的扰动可能造成滑坡，因此在隧道开挖前，拟采用高压旋喷桩形成加固挡墙，对边坡进行加固。

2 模型概况

2.1 模型设置

选取边坡较陡峭且土层隧道存在浅埋、偏压的施工段作为算例，计算边坡的安全系数，分析边坡的潜在滑移模式并探究高压旋喷桩加固挡墙对边坡的支护作用。边坡岩土交界面处存在一薄夹层，考虑到夹层的影响，本次计算分别考虑了有、无薄夹层情况下的边坡稳定性。边坡稳定性分析的计算模型如图1所示。

(a)二维模型

2.2 物理力学计算参数选取

本模型土体采用摩尔-库伦本构，挡墙采用弹性本构。根据勘察报告及文献资料，确定物理力学计算参数如表1所示。

表1 计算参数

表中各参数的选取依据如下：

(1)填土的弹性模量取为30 MPa，填土、粉质黏土及强、中等风化泥岩的力学参数依据地勘给出的建议值；

(2)依据复合地基设计理论及贾剑青等[2]、安关峰等[3]相关研究，综合确定高压旋喷桩形成的注浆加固墙体物理力学参数。

按照弹性力学理论，弹性模量与压缩模量间存在如下关系：

(1)

式中，E为弹性模量；EP为压缩模量；μ为泊松比。

若已知复合地基压缩模量与泊松比，便可依据式(1)求出复合地基弹性模量。根据变形一致原则，采用《复合地基技术规范》(GB/T 50783—2012)[4]中关于旋喷桩复合地基压缩模量计算公式：

EPc=m·EPi+(1-m)·EP0

(2)

式中，EPc为旋喷桩复合地基压缩模量；EPi为旋喷桩压缩模量；EP0为土体压缩模量；m为桩置换率。

将式(1)代入式(2)可推出复合地基弹性模量的计算公式：

(3)

式中，Ec为旋喷桩复合地基弹性模量；μc为复合地基泊松比。

在工程实例中，由地勘资料确定土体弹性模量E0=30 MPa，泊松比μ0=0.38，根据设计要求采用直径为1 m的高压旋喷桩进行加固，旋喷桩按间距为3 m×3 m梅花形布置，桩土置换率m=0.087。依据相关资料，旋喷桩弹性模量Ei=10 400 MPa，泊松比μi=0.2，复合地基泊松比μc=0.3。

先根据式(1)分别计算旋喷桩及土体压缩模量：

再将EPi、EP0代入式(3)可得复合地基弹性模量：

在考虑土体弹性模量为30 MPa，旋喷桩按间距为1.5 m×1.5 m、2 m×2 m、3 m×3 m梅花形布置(对应桩置换率为0.349、0.196、0.087)的情况进行组合，得到不同工况下的复合地基弹性模量如表2所示。

表2 不同工况下复合地基弹性模量统计

根据土体弹模为30 MPa，旋喷桩按间距为3 m×3 m梅花形布置，注浆加固墙体的弹模从偏安全角度考虑，认为其参数能大致与C10混凝土相当，则取Ec=2 500 MPa。

2.3 计算工况

边坡稳定性分析的计算工况如表3所示。加固图1中的1、2、3、4区所对应的区域，共计13种计算工况。

表3 计算工况

3 数值计算结果分析

3.1 边坡稳定安全系数

边坡稳定性分析计算结果如表4，计算结果表明：

表4 边坡稳定性安全系数

(1)随着增设注浆加固墙体范围的增加，边坡稳定性安全系数有所提高，安全系数最大值提高了0.12，提高比例为9%。

(2)当存在的薄夹层为强风化泥岩时，有无夹层对边坡稳定性的影响并不明显。

(3)当薄夹层弱化为粉质黏土时，在有夹层的情况下，边坡稳定性安全系数有明显降低，对比计算工况1与计算工况7可以看出，安全系数从1.256降低为1.146，降低比例达9%。

边坡稳定性分析安全系数折线如图2所示。

图2 不同计算工况安全系数对比

3.2 边坡潜在滑移模式分析

不同计算工况下的边坡潜在滑移模式如图3所示。可以看出：①边坡潜在滑移首先表现为浅层滑动；②增设注浆加固墙体，会改变边坡潜在滑移模式；③当薄夹层为强风化泥岩时，边坡潜在滑移模式主要为浅层滑移，但当弱化为粉质黏土时，边坡潜在滑移模式由浅层向深层发展，表现为沿软弱夹层滑移。

(a)计算工况1

4 结论

基于Midas/GTS有限元分析软件，建立数值计算模型，开展一系列数值模拟分析。依据计算结果，得出主要结论如下：

(1)在没有隧道施工的情况下，除个别工况外，边坡的安全系数均大于1.2，其稳定性具有一定的安全储备。

(2)由于填土黏聚力小，类似于砂土，边坡潜在滑移首先表现为浅层滑移，增设注浆加固墙体后，会改变边坡潜在滑移模式。

(3)三维模型与二维模型计算得出的规律基本一致。当薄夹层为强风化泥岩时，边坡潜在滑移模式仍以浅层为表现特征，但当弱化为粉质黏土时，边坡潜在滑移模式由浅层向深层发展，表现为沿软弱夹层滑移。因此，施工时应注意岩土交界面的情况，加强对边坡的保护，采取防止雨水渗透和增加排水等措施。