复杂填方高边坡工程支护体系设计优化与研究

黄晓阳，黄 东

( 1.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南长沙 410012；2.湖南省勘测设计院有限公司，湖南长沙 410004)

0 引言

在矿山开采与交通水利等工程中，由于场地特殊的地形地貌，经常会遇到填方工程而形成边坡，其中部分边坡受到规划或者用地界线的限制，没有足够的放坡空间，则必须对其进行合理的支护。

李照德等[1]对较窄场地的高填方边坡采用直接放坡和加筋土挡墙等支护形式进行对比分析，得到最优的支护形式；薛丽影等[2]对填方边坡中采用的桩基立柱锚拉式挡土墙的计算模型进行分析，得到了相关的优化建议；陈富强等[3]等人对抛石反压法在填方边坡中的应用进行了分析计算，确定了最终的加固方案。

在实际工程中，不同的填方边坡，应根据其具体情况，因地制宜，灵活设计，对不同的支护方案进行对比分析，优化支护设计，才能得到最佳工程效果。

1 工程概况

1.1 周边环境

拟建1#边坡位于湖南某矿山中细碎车间与配电间东南侧，钨酸浸浓缩车间西北侧[4]，具体位置见图1。

图1 平面布置图

边坡坡顶规划高程为479.50～483.30 m，坡底高程463.50～472.80 m，设计坡高为7.0～16.1 m，坡顶现状高程为474.20～476.50 m。拟建边坡坡顶为拟建中细碎车间(冲孔灌注桩基础)与配电间(浅基础)，坡底为拟建矿区道路。

1.2 工程地质、水文地质条件

根据本工程勘察报告，边坡地段地层岩性从上至下依次为人工填土①、粉质黏土②和中风化灰岩③。人工填土①为褐黄色，主要由黏性土、砾石等组成，结构松散，层厚1.50～2.90 m，平均厚度为2.10 m。粉质黏土②为残积而成，褐黄色，硬可塑—硬塑状态，厚度为11.60～17.30 m，平均厚度为14.70 m，韧性中等—高，干强度中等—高，摇振无反应，底部含有灰岩碎石。中风化灰岩③系沉积而成，灰色，中风化，隐晶质结构，中厚层状构造，岩体较完整，岩石顶面埋深为0～16.80m，平均埋深为9.4m，岩体揭露厚度2.00～14.30m。

场地水文地质条件属简单类型。粉质黏土层厚度较大，结构紧密，为相对隔水层。场地地下水类型主要为岩溶裂隙水，贮水空间是岩溶裂隙，连通性较好。场地地下水主要补给来源为邻近区域基岩裂隙水，地下水位埋深在5.70～10.80 m之间。

1.3 工程重点与难点分析

1)现场场地狭窄，边坡放坡空间较小，坡顶为拟建中细碎车间(冲孔灌注桩基础)与配电间(浅基础)，增加了边坡支护结构中的锚杆与锚索的施工难度。

2)边坡坡顶现状高程为474.20～476.50 m，规划高程为479.50～483.30 m，坡顶需覆土回填的厚度为5.10～6.80 m。整个坡面存在深厚填土，对边坡整体稳定性不利。

3)根据详细勘察报告，局部区域存在岩溶现象，钻孔见洞隙率为12.4%，属岩溶中等发育。中风化岩面陡峭，局部成笋状，基岩上部粉质黏土层遇水易软化，不利于冲孔桩与锚索的施工。

4)边坡顶部的中细碎车间距离坡顶线仅4 m，车间内分布有重型动荷载设备，对边坡的稳定性存在不利影响。

2 边坡支护方案设计

拟支护的1#边坡支护高度局部超过15 m，坡顶紧邻拟建中细碎车间，边坡工程安全等级为一级。根据现场实际条件，结合岩土工程详细勘察报告，设计了两个支护方案，详见方案一的支护剖面图(图2)与方案二的支护剖面图(图3)。

图2 方案一支护剖面图

图3 方案二支护剖面图

方案一 采用上部锚杆格构梁+下部桩锚支护的联合支护体系。上部采用1∶0.75放坡，设置锚杆格构梁支护，共5排锚杆，锚杆杆体为直径22～25 mm的普通热轧带肋钢筋(抗拉强度标准值400 MPa)，锚杆长度为12～15 m，锚杆轴向拉力标准值为45 kN～58 kN，格构梁采用C30混凝土现浇施工，梁尺寸300 mm×350 mm(梁宽×梁高)；下部冲孔灌注桩直径为1.2 m，桩心间距2 m，桩底入中风化灰岩大于1.2 m；支护桩外侧设置3排锚索，锚索主筋为3～4索φs15.2钢绞线(抗拉强度标准值1860 MPa)，长16～18 m，锚索轴向拉力标准值为240 kN～300 kN。

方案二 采用上部桩锚支护+下部重力式挡土墙的联合支护体系。上部冲孔灌注桩直径为1.2 m，桩心间距2 m，桩底入中风化灰岩大于1.2 m；桩外侧设置5排锚索，锚索主筋为3～5索φs15.2钢绞线(抗拉强度标准值1860 MPa)，锚索长22～28 m，锚索轴向拉力标准值为250 kN～410 kN；下部为浆砌毛石挡土墙，采用M10砂浆砌筑，墙顶宽3.0 m，底宽3.3 m，墙高5.8 m，挡墙基础埋深1.0 m。

两个支护方案的锚杆与锚索均须穿过坡顶中细碎厂房的桩基础，施工存在一定困难。为解决此难点，支护设计中的冲孔灌注桩在平面位置上与坡顶厂房的基础桩对齐布置，且同时施工，为后期的锚杆与锚索施工创造有利条件。

3 岩土计算与方案对比分析研究

根据本项目详细勘察报告，边坡地层分为3层，从上而下依次为人工填土层、粉质黏土层、中风化灰岩层，各地层设计参数系根据勘察报告结合工程经验确定，相关指标见表1[4]。

表1 各地层设计参数

采用理正软件，计算方案一的边坡稳定安全系数，上部锚杆格构梁部分采用边坡稳定分析模块进行计算，下部采用桩锚支护模块计算。计算结果：上部锚杆格构梁支护的稳定安全系数K=1.32，下部桩锚支护体系的抗倾覆安全系数K=1.50，整个支护体系的整体稳定安全系数K=1.42。桩锚支护体系的最大负弯矩为2153.9 kN·m，最大正弯矩为841.5 kN·m，最大剪力为1045.0 kN，最大水平位移为28.5 mm，坡顶最大沉降为59 mm。

采用理正软件，计算方案二的边坡稳定安全系数。计算建模时，原保留土体与重力式毛石挡墙作为附加力作用于支护结构下部，采用桩锚支护模块计算边坡稳定性，计算结果：方案二的抗倾覆安全系数K=1.46，整体稳定安全系数K=1.86，最大负弯矩为1889 kN·m，最大正弯矩为1257 kN·m，最大剪力为726 kN，最大水平位移为25.6 mm，坡顶最大沉降为41 mm。

对比两个支护方案稳定性的计算结果可知，方案一的局部稳定性安全系数偏小(上部锚杆格构梁支护稳定性安全系数K=1.32(<1.35)，不能满足现行《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)的要求；方案二的抗倾覆安全系数略小于方案一，而方案一的整体稳定安全系数小于方案二；方案二的支护结构最大水平位移与坡顶最大沉降均小于方案一。

考虑到边坡支挡结构为三维空间分布，故采用FLAC3D软件进行边坡稳定性的三维建模分析。根据现场勘查资料与设计图纸，建立方案一与方案二的边坡三维模型图(图4)。

图4 边坡三维模型图

FLAC3D软件建模，锚索采用cable单元结构，弹性模量E=1.8×108kPa，泊松比μ=0.3；冲孔桩采用pile单元结构，E=1.0×108kPa，泊松比μ=0.2[5-7]。

以计算不收敛作为边坡失稳的判据，采用强度折减法计算本边坡的安全系数[7-9]，得到临界破坏时的沉降云图与安全系数(图5)以及边坡速度矢量图(图6)。

由图5和图6可知，方案一的边坡工程安全系数为1.53，方案二的边坡工程安全系数为2.35，方案二的安全系数高于方案一。处于临界破坏状态时，方案一的竖向位移最大位置为上部锚杆格构梁支护的坡面靠近坡顶位置。分析其原因，由于方案一中的锚杆与锚索未深入稳定岩层，而土层与锚固体间的黏结强度有限，不能有效控制边坡体的位移与沉降，导致在上部锚杆格构梁支护区域出现潜在滑动面；方案二中，由于支护锚索深入稳定岩层一定深度，同时由于边坡临空面处的冲孔桩及混凝土面板的存在，有效控制了边坡土体的水平位移，仅在冲孔桩与厂房基础之间出现较大的沉降变形。

图5 临界破坏时沉降云图及安全系数

图6 边坡速度矢量图

根据图6边坡速度矢量图显示，方案一的边坡主要破坏模式为圆弧滑动破坏，若实际工程中采用此方案，应加强锚杆与格构梁支护结构的支护强度。方案二的竖向位移最大位置为坡顶支护桩的后侧，根据图6可分析判断，边坡主要破坏模式为支护桩的倾覆破坏，故在工程实际中应加强支护桩的支护强度，以保证桩锚支护体系的抗倾覆稳定性。

根据图6中边坡土体的运动方向与锚索方向的关系，方案一中，边坡坡体的运动方向为垂直锚索向下运动，而锚索主要为径向受力，因此不能对边坡的破坏起到有效的支护作用；方案二中，边坡的速度矢量方向与锚索受力方向相近或相切，在锚索与支护桩(冲孔灌注桩)的共同作用下，能够对边坡形成更为有效的支护。

根据理正软件与数值模拟的计算结果，结合工程现场的实际情况，将两个支护方案进行对比分析：

1)理正软件可以分别计算单个支护体系的抗倾覆安全系数、整体稳定安全系数等各项安全系数，方便工程设计时对照现行规范参照使用。数值模拟计算一般只能计算整体稳定安全系数。

2)理正软件可以分别计算各支护体系的稳定性安全系数，但是无法考虑两个支护结构之间的牵连作用，对于现实中较为复杂的支护结构，采用理正软件存在一定的缺陷。数值模拟计算可以有效弥补这一缺陷。

3)采用理正软件结算两个支护方案的整体稳定安全系数分别为1.42与1.86，采用数值模拟计算的结果为1.53与2.35。采用数值模拟的计算结果与理正软件相比，两个支护方案的安全系数分别高出7.7%与26.3%。分析其原因，在三维边坡的稳定性分析时，模型侧面上的剪应力对安全系数的影响较大，三维有限元的数值模拟能够较好地反映边坡的三维效应，而理正软件无法考虑边坡模型侧面的剪应力，从而导致其整体稳定安全系数偏小(偏保守)。

4)方案二在坡底挡土墙与上部支护桩之间，保留部分土体(硬塑—硬可塑状粉质黏土)，能够为支护桩提供部分被动土压力，同时将主动土压力均匀地传递给坡底挡土墙，避免应力集中。

5)与方案一相比，方案二减少了工程性质较差的回填土方的工程量，使得支护的工程量相应减少，造价相对较低。

6)方案二的支护结构完成后，由于挡土墙顶与保留土体间坡度较平缓，可以种植灌木与藤状植物，达到较好的绿化景观效果。

综上，方案二支护体系的安全系数较高，受力模式更加合理，计算结果的沉降与位移较小且符合规范要求，故确定方案二为本工程的最优方案。

4 边坡支护工程施工

选用方案二为本项目的最终实施方案，进行施工组织设计。施工顺序：土方回填施工(为桩基施工提供施工平台)→支护桩与坡顶中细碎厂房的工程桩施工→分层分段施工桩间锚索与面板→坡底挡土墙砌筑施工→截排水工程施工→边坡工程长期监测。

边坡施工过程中的照片见图7，支护后照片见图8。

图7 边坡施工照片

图8 边坡支护后照片

主要施工要点分析：

1)土方回填施工。按照临时放坡坡比1∶1.5～1∶1.75，回填土方反压坡脚，堆填出3～4 m宽的施工平台，以便冲孔桩施工，并对堆填形成的临时边坡进行临时性挂网喷砼支护。

2)冲孔桩施工。施工平台高程以下的桩体，采用泥浆护壁进行施工；施工平台高程以上的桩体采用支模现浇的方法施工。为保证冲孔桩桩体的施工质量，采用跳挖法分三序施工，每隔两根桩施工一根桩。支护设计中的冲孔灌注桩在平面位置上与坡顶工程桩对齐布置，且同时施工。冲孔桩施工过程中，由于填土层土质不均匀、结构松散，部分桩孔施工过程中发生了垮孔，后增加了钢护筒，进行有效护壁，完成相应桩孔的施工。

3)桩间锚索施工。锚索成孔采用潜孔锤干法成孔进行施工，避免湿法成孔造成填土与粉质黏土中垮孔；锚索均采用二次注浆，第一次采用常压(0.4 MPa～0.6 MPa)灌浆，第二次采用高压注浆(2 MPa～3 MPa)，孔口设止浆塞，在首次灌浆初凝后2～4 h内向孔中二次灌注水泥净浆，注满后保持压力5～8 min，二次灌浆管的边壁带孔且与钻孔等长，在首次灌浆前与锚索同时送入孔中。

4)挡土墙施工。坡底挡土墙采用M10砂浆砌筑，采用座浆法砌筑，保证挡土墙砂浆密实；每隔20 m设置一道伸缩缝，伸缩缝采用沥青木板充填。

5 变形监测

本边坡工程安全等级为一级，依据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330-2013)[10]，结合本工程的特点，对坡顶沉降与位移进行长期监测点，监测点间距15～20 m，共布置10个监测点，监测周期为边坡竣工后两年。根据边坡监测结果，边坡顶部最大水平位移为10.6 mm，最大沉降值为16.5 mm，边坡支护效果良好。

6 结论

1)针对复杂填方高边坡工程，提出两个支护方案进行比选，分别采用理正软件与FLAC3D软件对边坡稳定性进行了计算与对比分析，分别得出了两个支护方案的抗倾覆安全系数、整体稳定安全系数等结果，得出了最优支护方案。

2)采用FLAC3D软件，对复杂的边坡支护结构进行三维建模与稳定性分析，可以反映模型侧面上的剪应力对边坡稳定性的影响，同时能够考虑支护体系中两个支护结构的牵连作用，其变化规律与计算结果更加贴近工程实际，可为边坡工程中的联合支护体系设计提供借鉴与参考。

3)边坡支护结构中的锚索与锚杆均需要穿过主体结构工程桩时，采用支护桩与工程桩轴线对齐，并同时施工的办法，可以使得支护桩间的锚索顺利穿过工程桩。

4)高填方边坡区域，采用桩锚垂直支护可以减少支护结构的占地面积，使土地资源得到充分合理的利用。

5)高边坡支护治理工程中，采用桩锚支护与挡土墙组合的支护型式，挡土墙与支护桩之间保留部分土体，能够为支护桩提供被动土压力，同时在保留土体区域种植灌木与藤状植物，能够达到较好的绿化景观效果。