李曉寧 陳位洪 申琦瑜

(廣東省建筑設(shè)計研究院 廣州 510010)

引言

受經(jīng)濟、自然環(huán)境因素制約，經(jīng)常會選擇山區(qū)修建機場、垃圾場、公路、鐵路等大型基礎(chǔ)設(shè)施，對山體進行深挖高填以滿足其場地和凈空條件是普遍采用的措施[1，2]。綜合現(xiàn)有的60m以上高度的填方邊坡工程，絕大多數(shù)坡比大于1:1.75， 有的甚至達到 1:3，此舉會增加政府征地面積，增加填方的土石方量，增加造價，造成資源浪費。

本文以廣州東部固體資源再生中心(蘿崗福山循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園)項目中的高填方邊坡工程為例，結(jié)合園區(qū)建設(shè)方案，該邊坡坡頂需建設(shè)廣州第三資源熱力電廠及相關(guān)配套設(shè)施，對廠坪面積需求大，同時，邊坡坡底位置受現(xiàn)狀譚洞河河道、既有運行村路以及用地紅線的制約，無法參照采用大多數(shù)高填方邊坡工程的1:2或 1:3[3-5]的坡率，本工程結(jié)合山區(qū)既有地形，通過技術(shù)手段，實現(xiàn)了以下三點成果：一是填料就地取材，將填料最大粒徑擴大到了20cm以下；二是實現(xiàn)邊坡坡度為1:1.5，坡度陡于常見高邊坡坡度，滿足不占用村路、不增加征地面積的要求；三是采用多種措施，包括填料加筋、擋墻聯(lián)合支護技術(shù)，以達到對填方邊坡的有效處理。本文提供了全面、可行的設(shè)計方法，擬為類似工程提供參考。

1 工程概述

本高填方邊坡位置位于園區(qū)東側(cè)，坡頂標高170m，坡底標高110m，高差60m。圖1為邊坡平面布置，可見西側(cè)坡頂位置為第三資源熱力電廠紅線范圍，東側(cè)為現(xiàn)狀譚洞河，現(xiàn)狀譚洞河位置以東為現(xiàn)狀村路，此村路是村民乘車下山以及施工車輛、機械進出園區(qū)的唯一出路，施工期間無法廢除。場地可利用空間十分有限，受限于村路與第三資源熱力電廠，邊坡的最大坡率為1:1.5， 且在譚洞河上方需做渠箱結(jié)構(gòu)承受邊坡填土的荷載。

圖1 高填方邊坡平面布置Fig.1 The site plan of high fill slope

2 工程水文地質(zhì)特征

2.1 地形地貌及水文

園區(qū)的原狀地貌單元屬丘陵地帶。擬建園區(qū)場地位置標高為105.4m～227.09m，高差114.6m，山體陡峭，起伏較大。對于此填方邊坡位置，原山體標高為105.4m～134.4m,高差29m。

根據(jù)鉆孔揭露，水位受季節(jié)、地形影響顯著。其具體量值特征為：穩(wěn)定水位埋深為0.20m～16.30m，水位標高101.2m～187.4m，地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關(guān)系密切，雨季時，大氣降雨充沛，水位會明顯上升；旱季時，地下水位隨之下降?？傮w而言除潭洞河兩岸，項目區(qū)域水量貧乏。對于此填方邊坡位置，根據(jù)鉆孔揭露，只有坡底位置鉆孔實測到穩(wěn)定水位，水位高度為101.2m～107.25m。

2.2 地層巖土特性

填方邊坡位置原狀山體地質(zhì)情況從上至下可分為：①1素填土2m，承載力70kPa；③1可塑砂質(zhì)粘土2m，承載力70kPa；④2強風化花崗巖2.4m，承載力700kPa；④3中風化花崗巖2.5m，承載力2000kPa；下部為④4微風化巖，承載力6000kPa。各巖、土層的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土技術(shù)參數(shù)建議值Tab.1 Recommended values of geotechnical technical parameters

3 高陡填方邊坡設(shè)計

有限的場地范圍內(nèi)，在保證邊坡安全的情況下，盡可能大地增加坡頂廠區(qū)面積是本次設(shè)計的重點。本次設(shè)計中主要難點在于填料的就地取材、新舊邊坡的連接方法、邊坡基礎(chǔ)的加固處理、邊坡綠化耕植土的固定以及高邊坡排水的問題。本文對以上技術(shù)難點做了全面設(shè)計論證，分別闡述如下。

3.1 填方邊坡設(shè)計參數(shù)

填方邊坡坡頂設(shè)計標高為170m，坡底標高為110m，高差60m，坡率為1:1.5，除最上、最下兩級邊坡外，其余每級邊坡高度為10m，每級邊坡設(shè)2m寬馬道，坡面植草覆綠，坡底采用重力式擋土墻壓腳處理。坡頂以下2m設(shè)一道300mm厚粘土隔水層，隔水層以上部分采用15m長三向土工格柵加固，隔水層以下采用單向土工格柵加固，格柵縱向間距均為0.5m。為節(jié)約造價，對填料采用強夯處理與土工格柵加筋處理相結(jié)合的措施(圖2)。

圖2 填方邊坡剖面示意Fig.2 The profile of fill slope

3.2 填料的選擇及其設(shè)計參數(shù)

新填方邊坡設(shè)計本著減少土方運輸量、盡量就地取材的原則?，F(xiàn)場開挖出石塊以花崗巖碎石為主，該花崗巖形成于侏羅系上統(tǒng)，巖石常具云英巖化、絹英巖化及鈉長石化的特征。現(xiàn)場選擇試驗材料時，考慮工期的影響和二次爆破的困難性，將填料最大粒徑擴大到20cm，所摻粘土的含水率根據(jù)現(xiàn)場取樣、密封帶回實驗室測定的含水率結(jié)果確定。為了研究不同石土比試樣的力學性質(zhì)，按照試樣取土難易程度，分別制定了直剪試驗和原位壓板試驗的方案，即對于碎石總質(zhì)量小于試樣總質(zhì)量50%的試樣采用直剪試驗探究其巖土技術(shù)參數(shù)，碎石總質(zhì)量大于試樣總質(zhì)量50%的試樣采用壓板試驗來探究其巖土技術(shù)參數(shù)。試樣采用強風化碎石與土按照不同比例混合，試驗得到的不同試樣的力學性能如表2所示。

表2 不同試樣的試驗參數(shù)值Tab.2 Geotechnical test parameters of different samples

由于現(xiàn)場挖方區(qū)挖出的巖石，強風化巖占多數(shù)，對以上幾種配比的填料進行方案比選，綜合考量造價和填料強度的因素，確定填筑邊坡填料采用比例為7:3的強風化花崗巖碎石與粘性土混合，且可用中～微風化巖碎石替代強風化碎石，計算采用上述壓板試驗結(jié)果，即C=96kPa，φ=22°。

3.3 土工布加筋材料的應用

本邊坡主加筋采用HDPE單向拉伸塑料土工格柵對邊坡進行加固，參數(shù)要求如表3所示。相鄰兩層土工格柵豎向間距1.5m，如圖3所示。橫向(橫斷面方向)不允許搭接，縱向(縱斷面方向)搭接寬度不少于200mm。土工布攤鋪后應用沙包固定，土工布應張緊，保證其平整，緊貼地面，加筋土體尾部應超碾壓1.5m寬。土工布須進行預張拉；在回填時應先回填土工布受力方向兩端的回填土，再回填中間的回填土，確保土工織物在初始狀態(tài)下處于受拉狀態(tài)。

圖3 填方邊坡與舊邊坡連接構(gòu)造Fig.3 Connection structure of the fill slope and the original one

表3 單向土工格柵參數(shù)Tab.3 Parameters of one-way geogrid

3.4 邊坡基底處理

由于局部地段表層存在軟弱土層，為控制本高填方邊坡工程的工后沉降，在邊坡底部設(shè)置CFG樁復合地基，要求地基承載力特征值≥500kPa。CFG樁直徑為800mm，布設(shè)間距1600mm，要求樁端至少進入中風化層1m。

3.5 新舊邊坡的連接設(shè)計

根據(jù)計算，滑動面位于新舊邊坡的連接區(qū)域。此外，加筋土區(qū)與非加筋區(qū)的連接問題，也是影響填方邊坡安全的重要因素。基于以上兩點，本邊坡對此進行了專項設(shè)計。填方邊坡與原狀山體連接的解決措施如圖3所示，對原狀山體采用臺階開挖的方式，每級臺階寬3.5m、高1m，土工格柵滿鋪至臺階處，每級臺階均增加與原狀山體交接面處的抗滑力。

3.6 排水、防滲系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)已有的研究結(jié)果[6]，雨水入滲會造成邊坡內(nèi)孔隙水壓力增加，產(chǎn)生應力積累，存在邊坡下滑力增加導致邊坡失穩(wěn)的風險，此外，花崗巖易遇水軟化。因此，對于填方邊坡的穩(wěn)定性，排水的設(shè)計至關(guān)重要。首先，需對原狀山坡的魚塘進行換填清淤和排水處理，處理措施具體為：先將魚塘底部淤泥清除，然后將魚塘位置滿鋪碎石以滿足強夯的要求，通過預埋的混凝土包封鋼管導入現(xiàn)狀河流。對填方邊坡設(shè)計的排水、止水措施具體為：在坡頂填方區(qū)域設(shè)置粘土隔水層和截水溝分別用于隔斷坡頂雨水的入滲路徑和防止坡頂雨水沖刷坡面；每級平臺位置，在坡體內(nèi)均設(shè)置碎石排水層并將坡內(nèi)雨水通過直徑200mm的UPVC排水管導入平臺排水溝，上述截水溝和排水溝通過沿坡面布置的縱向流水踏步共同作用，形成縱橫排水體系，將雨水有效導排至邊坡底部潭洞河內(nèi)。

4 模擬計算

4.1 計算方法及工況

采用FLAC 3D有限元計算軟件對填方邊坡的穩(wěn)定性進行分析，采用強度折減系數(shù)與“二進法”進行抗滑穩(wěn)定計算。邊坡模型的強度準則按照摩爾-庫侖強度公式，采用總應力公式進行計算分析，具體為：水位線以上采用天然重度，水位線以下采用飽和重度，且對飽和土體的內(nèi)摩擦角和粘聚力折減為非飽和狀態(tài)下的80%。選取填方邊坡正常運行條件和地震(烈度為7度)條件兩種工況進行整體穩(wěn)定性計算分析。

4.2 計算模型及計算參數(shù)

如圖4所示為計算模型，模型中將地下水位水面標高取為110m，即齊平填方邊坡坡腳，坡體按照完全排水；坡頂位置存在道路與廠房，對應荷載分別為20kPa、40kPa。坡頂荷載按不利條件取值40kPa。按照勘察報告顯示，既有坡體土層分別為：素填土、可塑砂質(zhì)粘土、強風化花崗巖、中風化花崗巖、微風化花崗巖，其土體力學參數(shù)取值如表1所示；填方邊坡按照7:3的比例取現(xiàn)場爆破后的強風化花崗巖碎石與開挖出的粘土、砂質(zhì)粘性土混合，其土體力學參數(shù)由現(xiàn)場壓板試驗所得。為保守起見，土工織物參數(shù)值按設(shè)計值折減80%。

圖4 有限元計算模型Fig.4 Calculating models of geostudio finite element

4.3 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果應滿足《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)中最小安全系數(shù)的要求，即正常使用工況下需滿足K正?！?.35，地震工況下滿足K非?！?.15[7]。通過軟件計算分析，正常使用條件下填方邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.67，地震條件下安全系數(shù)為1.487，兩者均滿足規(guī)范對于最小安全系數(shù)的要求。

5 施工關(guān)鍵技術(shù)

為保證施工完成設(shè)計意圖，施工時有如下要點：

1．填方施工前對料場的填料進行土工試驗,以確定其是否能滿足設(shè)計的各項技術(shù)要求。

2.土工格柵張緊，保證格柵平整，緊貼地面，無皺折，覆土壓實時，應保證施工機械不直接在格柵上行進。加筋土體尾部應超碾壓1.5m寬。土工格柵應存儲于干凈、干燥的條件下，盡量避免太陽直射，格柵材料堆放不得超過3卷的高度，且不得在其上直接加設(shè)荷載。

3.壓實要求：分層鋪土，分層碾壓，每層虛鋪土壓實后的厚度一般不得大于250mm，然后采用振動碾壓填筑(遍數(shù)由試驗確定)，并逐層抬高，要求壓實度≥95%(重型擊實試驗標準)。每層填土壓實度檢測合格并由現(xiàn)場監(jiān)理工程師確認后方可進行上一層填土的施工，檢測頻率為每400m2檢測一個點。

4.對高于含水率控制范圍的填土必須翻曬處理，對低于含水率控制范圍的土要做灑水處理,而加水困難時,可采用增加壓實功的方法來提高壓實度。

6 填方邊坡位移監(jiān)測結(jié)果分析

為確保工程安全，對填方邊坡進行監(jiān)測，監(jiān)測方案及監(jiān)測控制值經(jīng)專家評審后確定，監(jiān)測方案具體為：對邊坡坡頂進行沉降監(jiān)測、水平位移監(jiān)測，對邊坡坡面進行深層土體位移監(jiān)測，施工期間監(jiān)測頻率為1天1次，竣工1年內(nèi)2天一次，竣工1～2年內(nèi)3天一次，竣工2～3年內(nèi)5天一次。

整理監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，自2017年8月本斷面施工完成至今，邊坡變形已趨于穩(wěn)定，變形的量值特征為：

1.邊坡坡頂累計最大沉降為61.31mm，遠小于設(shè)計報警值(240mm)；最大沉降點期間最大沉降速率為0.01mm/d，邊坡沉降速率小于設(shè)計報警值(±3mm/d)。

2.邊坡坡頂水平位移累計最大值為27.3mm，遠小于設(shè)計報警值(160mm)；最大水平位移點期間最大變化速率為0.06mm/d，沉降速率小于設(shè)計報警值(±3mm/d)。

3.邊坡坡面深層土體水平位移累計最大值為25.12mm，未超出設(shè)計報警值(400mm)；

可見，填方邊坡的變形在安全范圍內(nèi)，邊坡的整體穩(wěn)定性滿足有關(guān)規(guī)范及工程要求。

7 結(jié)語

在山區(qū)場地受限條件下，為最大程度地增加坡頂園區(qū)的使用面積、實現(xiàn)園區(qū)的使用功能，本文提供了全面的設(shè)計方法，并綜合有限元計算、現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果和園區(qū)的使用效果，驗證了設(shè)計方法是有效、可靠的，并得到如下結(jié)論：

1.新建填方邊坡與原狀山體的連接設(shè)計是影響邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵。對原狀山體采用臺階開挖的方式，土工格柵滿鋪至臺階處，可以有效增加連接處的抗滑力。

2.最大粒徑為20cm的碎石土填料，在滿足設(shè)計給定的填料石土比和壓實度條件下，也可作為筑坡材料填筑邊坡。

3.靠近邊坡坡面60m范圍內(nèi)的填料使用土工織物作為加筋材料，其余部分使用強夯措施處理填料，該方法在節(jié)約造價的同時，亦能有效提高填方邊坡穩(wěn)定性。

4.邊坡水位隨季節(jié)變化差異性大的問題給設(shè)計帶來困難，邊坡設(shè)計的排水、止水措施作用效果明顯，是解決由邊坡水位升高帶來的邊坡不穩(wěn)定問題的有效方法。