福建漳州地区某边坡稳定性分析与支护设计

□□ 吴 福，王志斌

(湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411100)

引言

边坡稳定性分析与支护设计是减轻灾害最有效的途径。目前，国内外许多专家及学者对边坡的稳定性分析以及支护设计方面做出了巨大贡献，如傅旭东等[1]分别采取预应力锚索与锚杆加固、挂网喷射混凝土支护和喷射混凝土支护等措施,工程治理效果良好。刘俊雄等[2]对桩锚挡墙和板肋式锚杆挡墙两种设计支护方案进行对比计算分析,丁坚平等[3]通过现场勘察、室内试验的信息采集、稳定性分析及支护方案的比较认为,锚杆挡墙是边坡较合理和经济的支护方案。董建华等[4]通过结构进行震害分析,推导出地震作用下动土压力计算公式,建立了框架预应力锚杆支护结构的动力计算模型。李宁等[5]提出了用有限单元法直接求解边坡稳定性。李春辉等[6]归纳概括了现有国内外边坡稳定性分析方法研究进展。乔翔[7]针对已存在失稳变形特征的某道路高边坡构建了典型剖面地质模型,采用极限平衡法进行边坡稳定性计算分析。喻雷等[8]利用Midas GTS/NX有限元软件建立3种不同护坡方案进行了边坡稳定性分析。刘玮[9]用极限分析上限法研究了锚杆加固二级土质边坡的锚固机理，获得了锚杆加固边坡的作用机理及各参数对加固效果的影响规律。由此可见，目前对边坡支护设计中放坡法和格构锚杆联合使用的研究尚少，探究两者联合使用作用效果是十分必要的。

1 边坡稳定性分析

1.1 边坡地质概况

福建漳州地区某迁建项目边坡总长约为172 m，设计坡脚高程20.00 m，坡顶高程27.00～40.00 m，最大坡高14 m，坡向147°，基本为土质挖方边坡，该段末端30 m变为高20 m的中等风化花岗岩岩质挖方边坡，边坡安全等级为二级。根据资料表明，揭示底层自上而下为：(1)粉质黏土：灰黄色，可塑状，坡积成因，由黏、粉粒组成；(2)残积砂质黏性土：褐黄色，可塑～硬塑状，残积成因，主要矿物成分为石英、长石，织结构大部分破坏；(3)全风化花岗岩：褐黄色，中粗粒结构，散体状构造，组织结构基本破坏岩体极破碎，岩体基本质量等级为V级；(4)土状强风化花岗岩：褐黄色，中粗粒结构，散体状构造，组织结构大部分破坏，岩体基本质量等级为Ⅴ级；(5)碎块状强风化花岗岩：褐黄色，中粗粒结构，碎裂状构造，风化显著，有一定的结构强度。该岩石为软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级；(6)中风化花岗岩：灰色、灰白色，中粗粒结构，块状构造，风化程度中等，为较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。由于粉质黏土和残积砂质黏性土性质接近，二者视为1层，认为土层数为5层。在边坡长度31 m处坡顶至坡脚高程差较大，且该断面土质参数最不利，将其命名为31-31断面，如图1所示，其土层参数见表1。

表1 土层参数表

图1 31-31断面计算简图

1.2 边坡破坏模式判断

边坡为土质边坡，边坡开挖范围内主要地层为粉质黏土、残积砂质黏性土、全风化花岗岩等，上下分层没有明显的界线，层面不会形成软弱结构面。边坡体属均匀性较差的土体，不易产生沿层面的折线形滑动，边坡破坏模式为沿边坡土体内部的圆弧形滑动破坏，故采用圆弧形滑面所适宜的毕肖普法或瑞典条分法计算。根据勘察报告中的平面图和钻孔柱状图，将31-31断面作为南东段最不利断面进行稳定性分析。

1.3 稳定性计算结果

边坡坡率为1∶1，坡高增加8 m设置一条宽度为2 m的马道，GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》指出福建漳州地区抗震设防烈度为7度。依据GB 50330—2013《建筑边坡工程技术规范》，采用理正边坡综合治理软件搜索最不利断面。条分化计算安全系数时，如何确定衡量宽度与计算进度两者矛盾，许泽坤等[10]研究表明，当宽度达到一定时计算精度变化较小，其中选择条分宽度为2 m最宜，计算结果见表2。

表2 坡线信息表

坡顶存在堆土荷载，将其等效为10 kPa的超载平均分布，超载信息表见表3。

表3 超载信息表

依据《建筑边坡工程技术规范》得计算公式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：K——边坡稳定性系数；

li——为第i计算条块滑面长度，m；

Wi——代表第i计算条块重力，kN；

Ui——第i计算条块滑面单位宽度总水压力，kN·m-1；

Gbi——第i计算条块竖向附加荷载，kN·m-1；

Qi——第i计算条块水平荷载，kN·m-1；

θi——第i计算条块滑面倾角；

ci——第i计算条块滑面粘聚力，kPa；

φi——第i计算条块滑面内摩擦角；

hw、hwi-1——第i及第i-1计算条块滑面前端水头高度，m；

γw——水重度，取10 kN·m-3。

计算结果如图2和表4所示，表4中Pi表示本滑块底部下滑力，Ti则为本滑块底部抗滑力。

图2 31-31断面最不利滑面搜索图

表4 各土条下滑力表 kPa

滑面结果信息见表5和表6所示。

表5 滑面结果信息表

表6 暴雨工况下滑面结果信息表

根据《建筑边坡工程技术规范》规定，31-31断面其计算求得的安全系数为1.293，而暴雨工况下安全系数为1.193，边坡状态基本稳定，但低于边坡安全等级二级所要求的边坡稳定性安全系数1.3，需要选择支护结构进行治理。

2 支护方案选取

常用边坡支挡结构形式及适用范围见表7。

表7 边坡支挡结构形式及其适用范围

本文所设计的工程为土质边坡，且具有放坡条件，故可先对边坡进行放坡处理。对原有坡比为1∶1的二级边坡，先清除边坡松散堆积体和表层松散土体，再对边坡进行放坡处理，第一、二级边坡坡比坡比1∶1.5，一、二级边坡设置2.0 m宽马道。对31-31断面采用格构锚杆支护结构并对其进行植物防护，植物护坡适用于土质边坡，并且其排水效果好、施工方便经济实惠，并且工程区域为亚热带海洋性季风气候，不需要考虑冻胀干裂作用，适合植物生长。

3 边坡治理方案设计

3.1 锚杆支护设计计算

锚杆支护具有成本低、支护效果好、操作简便、使用灵活、占用施工净空少等优点，对于31-31断面采用格构锚杆支护结构进行加固。

剩余下滑力=总下滑力×安全系数-总抗滑力

(4)

根据式(4)计算得到断面边坡剩余下滑力为238.19 kN，即该滑面锚杆需要提供的抗滑力为238.19 kN。根据《建筑边坡工程技术规范》确定锚杆设计参数见表8，锚杆分布图如图3所示。

表8 锚杆设计参数表

图3 31-31断面锚杆分布图

3.2 格构设计

格构梁设计要素见表9。

表9 格构梁设计要素表

3.3 稳定性验算

采用理正边坡综合治理软件进行最不利断面搜索，计算结果如图4和表10、表11所示。

图4 最不利断面计算结果图

表10 滑面结果信息表

表11 暴雨工况下滑面结果信息表

根据计算结果，正常状态下和暴雨工况下安全系数均大于边坡安全等级二级所要求的安全系数1.30。并且31-31断面为K0+620～K0+720段边坡最不利断面，所以治理后K0+620～K0+720段边坡稳定性满足设计要求。

4 结语

针对福建漳州地区某边坡进行了稳定性分析与治理方案的设计。支护设计前，应用理正边坡综合治理软件对边坡稳定性进行分析判定，搜索最不利断面，求得剩余下滑力，为治理方案提供设计依据，经过分析对比，确定采用放坡法和格构锚杆的支护形式，并从技术可行性和经济合理性角度出发提出了放坡法和锚杆格构相结合的治理方案，这对于类似工程具有一定的参考和借鉴意义。