基于稳定性分析的临海边坡加固设计

付艳青，唐建政，陈朝伟

(1.济南市勘察测绘研究院，山东 济南 250101；2.山东建和土木工程咨询有限公司，山东 济南 250101)

在实际的边坡工程中，当边坡整体稳定性不足时，为了保证边坡及其坡顶建筑物的安全，往往需要对边坡进行加固处理，以提高边坡稳定性。常见的边坡加固方法有坡面防护、坡顶注浆加固、锚杆(索)、微型桩加固以及挡墙等。其中，微型桩加固法因其施工方便、工期短、造价低等优点在基础加固、托换工程和边坡加固中得到广泛应用[1- 4]。国内许多的学者及工程人员对微型抗滑桩进行了大量的试验研究和工程实践[5- 8]。Cantoni等[9]提出了网状微型桩在斜坡工程中的加固设计方法；孙书伟等[10]对微型桩群加固土坡的抗滑力开展系统研究，并对设计参数影响进行分析；胡毅夫等[11]通过模型试验，研究了微型抗滑桩双排单桩与组合桩在加固边坡时的抗滑特性。GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》[12]等对边坡的稳定性研究提出了技术标准和原则。文章通过对边坡稳定性的分析，结合地质条件和周边环境，提出了微型群桩加固方法，提高了岩体边坡的整体稳定性。

1 工程概况

拟建工程为2层建筑物，框架结构，拟采用独立基础，局部采用桩基础，坐落于陡崖边坡坡顶之上，其东侧、北侧与西侧均临海，如图1所示，边坡高度约为10～15m，场地所处地貌类型为丘陵坡残积地貌单元。坡面岩石一般为全风化～强风化大理岩，岩体破碎，边坡坡面倾角一般为70°～90°，局部坡度较缓处堆积第四系松散残坡积物；局部坡脚因海浪长期冲蚀形成空洞。为保证建筑物的安全使用，需对边坡进行加固处理。

图1 拟建工程平面图示意图

2 岩层分布情况及边坡稳定性分析

2.1 岩层分布情况

该边坡岩石为较软岩，主要发育三组节理，其中第一组节理产状286°∠50°，平均间距为15～30cm；第二组节理产状152°∠85°，平均间距为10～20cm；第三组节理产状55°∠82°，平均间距为15～25cm。边坡岩体级别整体属于破碎岩体，岩体级别整体确定为V级。具体岩层分布情况见表1。

2.2 边坡稳定性分析

根据GB 50330—2013第5.2.3条，采用圆弧滑动法计算该岩体边坡稳定性[8]，计算考虑坡顶荷载时不同区段岩体边坡稳定性的安全系数。由表2可以看出，除了边坡坡度较大的FG段和HA段外，其余区段的岩体边坡整体稳定性安全系数都不满足上述规范对一级边坡的要求，且CD段的岩体边坡整体稳定性安全系数小于1，因此当建筑物荷载作用后，该岩体边坡可能处于不稳定状态。

表1 各区段岩层分布情况

表2 岩体边坡稳定性计算分析结果

3 加固设计方案分析

综合考虑场地条件和地质条件，若拟建物建于该边坡上方，该边坡将处于不稳定状态，故该边坡加固原则在于提高边坡整体稳定性，保证拟建物的安全使用。

3.1 加固方案的选择

3.1.1注浆加固方案

该场地东侧和北侧，可采用注浆加固方案，在自场地边界至建筑物方向距离6m范围内注浆。注浆孔在地面上呈梅花形布置，注浆孔自场地地面向下垂直钻进。该段岩体破碎，通过注入水泥浆液，充填岩土体裂隙，从而达到提高岩土体强度的目的。

由于注浆浆液的流动方向的可控性差，注浆过程中容易出现串浆和漏浆现象，加之场地临近海域，边坡底部存在海水养殖场，注浆施工可能会对附近海域环境及养殖造成影响。

3.1.2坡面锚固+防护网方案

拟建场地可采用坡面锚固方案，通过锚杆嵌入稳定岩层，达到边坡加固的作用；通过钢丝格栅SNS主动防护网对暴露岩石表面进行喷涂，防止暴露岩石滚落，如图2所示，。

图2 坡面锚固方案示意图

结合现场条件及地层情况，由于该方案水平锚杆施工难度大，海水会对锚杆产生锈蚀及SNS防护网会对海岸自然景观造成影响，故该方案可行性低。

3.1.3微型桩加固方案

微型桩加固方案是利用微型桩桩体的抗滑能力，同时通过在微型桩顶部设置钢筋混凝土承台把所有桩体联系在一起，从而发挥群桩的抗滑作用，结合岩土体本身性能以及桩体和岩土体之间的共同作用，抵抗边坡下滑力，提高边坡稳定性，起到了边坡加固的作用，如图3所示。

图3 微型群桩加固示意图

微型桩直径一般小于300mm，通过钻孔、压力注浆等工艺施工的小直径灌注桩，一般呈网状或树根状分布，多用于托换加固、边坡加固工程中，微型桩用于该边坡加固有以下优势：

(1)微型桩通过桩顶承台可以形成空间整体结构，并与桩间土体一起形成复合型挡土墙以支挡其后岩土体。相对坡面锚固和花管注浆，微型群桩整体结构刚度较大，边坡变形相对较小[13]。

(2)微型桩施工条件限制性小，施工过程中不受地下障碍物的影响；需要的施工宽度较小，对于不需要开挖土方的工程，可以在坡顶现状施工，施工速度较快。

微型桩施工方便，既保证了该岩体边坡的安全又保护了海岸的自然环境，说明该方案可行；局部海蚀溶洞可采用堵洞方案，封堵洞口时，在洞口外增加一道200mm厚的挡土墙(防止海水灌入及跑浆)，洞内采用毛石充填，灌浆料浇注。

3.2 微型桩加固设计分析

微型抗滑桩通过两个方面为边坡提供抗滑力：首先是利用桩体自身的抗剪强度抵抗边坡下滑；其次是当桩体发生弯曲变形时，通过桩体的抗弯能力阻止边坡变形。

3.2.1微型桩内力计算

文中边坡岩体大部分为中风化大理岩，局部存在竖向破碎带和全风化岩，岩体刚度相对较大，而对于较密实且具有较大刚度的滑坡体，滑坡下滑推力可按矩形分布处理[14]。

微型桩通过上部承台将群桩连系成整体(如图4所示)，上部承台按刚性体考虑，群桩桩顶处位移相等，将微型桩组合结构简化为平面刚架结构[15]，即当滑坡推力q作用于桩1时，通过上部承台将荷载传递到桩2、桩3和桩4，暂不考虑桩间土的作用，微型桩锚固段按固定端考虑，则微型桩组合结构计算模型如图5所示，最后按照横向约束的弹性地基梁法计算桩身内力。

假设滑坡推力为Q(kN/m)，作用在桩上的滑坡推力为F，按均布荷载考虑，则F=QL/H，将其平均分布到4排桩上，即q=F/4。将微型桩组合结构计算简化为平面刚架结构，计算简图如图6所示。

其中，P=qH/2，则作用在桩1上的荷载为均布荷载q和集中力P/4二者叠加，桩1受力变形和内力图如图7所示；同理，作用在桩2、3、4上的荷载为集中力P/4，得出4排桩内力图(如图8所示)。

图4 微型桩组合桩体抗滑示意图

图5 微型群桩(4排桩)计算模型

图6 组合桩结构计算简图

图7 桩1受力与弯矩示意图

图8 微型桩组合桩体内力示意图

根据上述结构内力图，可求出承台和桩体的轴力，这些参数为设计上部承台和桩体提供了依据。

3.2.2微型桩抗剪计算

微型抗滑桩抗剪强度分为桩体自身抗剪强度和桩土组合体自重在滑面上提供的抗滑力[16]。

(1)桩体自身抗剪强度按下式计算：

F1=n[τ]As

(1)

式中，n—微型桩数量；[τ]—微型桩钢筋抗剪强度；As—钢筋的截面积。

(2)桩土组合体沿滑面方向单位长度的抗滑力可按下式计算：

F2=Gcosαtanφ+cl

(2)

式中，G—沿滑面方向单位长度桩土混合体的自重；α—滑面的倾角；φ为滑面的内摩擦角；c—滑面的黏聚力；l—滑面长度。

3.2.3微型群桩计算参数

通过以上内力分析，确定微型桩桩径为250mm，桩长15m(进入坡底至少4m)，4排微型桩，排距2m，微型桩主体为直径127mm镀锌钢管(壁厚6mm)，灌注水泥砂浆。

3.2.4岩体边坡整体稳定性计算分析

不同区段岩体边坡稳定性的安全系数见表3，由表3可以看出，各区段的岩体边坡整体稳定性安全系数都满足规范对一级边坡的要求，因此经过采用微型群桩加固方案处理后的该岩体边坡处于稳定状态。

4 结论

在边坡加固工程中，通过微型群桩和岩土体共同作用提供抗滑力平衡边坡，进而提高边坡的整体稳定性。其中，微型桩在边坡加固中主要起到以下三个作用：

(1)抗弯作用

微型桩通过上部承台将群桩连系成整体，当桩体发生弯曲变形时，通过桩体的抗弯能力阻止边坡变形，平衡边坡下滑力，提高了边坡的整体稳定性。

(2)抗剪作用

微型桩嵌入滑裂面以下一定深度的较硬岩土层中，通过桩身材料自身的抗剪强度，阻止滑移体下滑，起到抗滑作用，增强边坡的整体稳定。，同时，通过注浆加固周边岩土体，使得松散土体及较破碎岩石力学性能提高，进而加大了群桩与土体的抗滑能力。

(3)桩-土复合体

微型桩通过加固周边土体，提高岩土体力学性能，与上部承台连接，形成有机整体，共同承担外部荷载，依靠微型桩与桩周土体的刚度和强度约束土体变形，为边坡加固提供抗滑力，提高了边坡整体稳定性。

经研究表明，采用微型桩组合结构的简化计算模型，在实践应用中安全、经济、合理。