黃曉陽，黃 東

( 1.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410012；2.湖南省勘測設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410004)

0 引言

在礦山開采與交通水利等工程中，由于場地特殊的地形地貌，經(jīng)常會遇到填方工程而形成邊坡，其中部分邊坡受到規(guī)劃或者用地界線的限制，沒有足夠的放坡空間，則必須對其進行合理的支護。

李照德等[1]對較窄場地的高填方邊坡采用直接放坡和加筋土擋墻等支護形式進行對比分析，得到最優(yōu)的支護形式；薛麗影等[2]對填方邊坡中采用的樁基立柱錨拉式擋土墻的計算模型進行分析，得到了相關(guān)的優(yōu)化建議；陳富強等[3]等人對拋石反壓法在填方邊坡中的應(yīng)用進行了分析計算，確定了最終的加固方案。

在實際工程中，不同的填方邊坡，應(yīng)根據(jù)其具體情況，因地制宜，靈活設(shè)計，對不同的支護方案進行對比分析，優(yōu)化支護設(shè)計，才能得到最佳工程效果。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

擬建1#邊坡位于湖南某礦山中細碎車間與配電間東南側(cè)，鎢酸浸濃縮車間西北側(cè)[4]，具體位置見圖1。

圖1 平面布置圖

邊坡坡頂規(guī)劃高程為479.50～483.30 m，坡底高程463.50～472.80 m，設(shè)計坡高為7.0～16.1 m，坡頂現(xiàn)狀高程為474.20～476.50 m。擬建邊坡坡頂為擬建中細碎車間(沖孔灌注樁基礎(chǔ))與配電間(淺基礎(chǔ))，坡底為擬建礦區(qū)道路。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程勘察報告，邊坡地段地層巖性從上至下依次為人工填土①、粉質(zhì)黏土②和中風(fēng)化灰?guī)r③。人工填土①為褐黃色，主要由黏性土、礫石等組成，結(jié)構(gòu)松散，層厚1.50～2.90 m，平均厚度為2.10 m。粉質(zhì)黏土②為殘積而成，褐黃色，硬可塑—硬塑狀態(tài)，厚度為11.60～17.30 m，平均厚度為14.70 m，韌性中等—高，干強度中等—高，搖振無反應(yīng)，底部含有灰?guī)r碎石。中風(fēng)化灰?guī)r③系沉積而成，灰色，中風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖體較完整，巖石頂面埋深為0～16.80m，平均埋深為9.4m，巖體揭露厚度2.00～14.30m。

場地水文地質(zhì)條件屬簡單類型。粉質(zhì)黏土層厚度較大，結(jié)構(gòu)緊密，為相對隔水層。場地地下水類型主要為巖溶裂隙水，貯水空間是巖溶裂隙，連通性較好。場地地下水主要補給來源為鄰近區(qū)域基巖裂隙水，地下水位埋深在5.70～10.80 m之間。

1.3 工程重點與難點分析

1)現(xiàn)場場地狹窄，邊坡放坡空間較小，坡頂為擬建中細碎車間(沖孔灌注樁基礎(chǔ))與配電間(淺基礎(chǔ))，增加了邊坡支護結(jié)構(gòu)中的錨桿與錨索的施工難度。

2)邊坡坡頂現(xiàn)狀高程為474.20～476.50 m，規(guī)劃高程為479.50～483.30 m，坡頂需覆土回填的厚度為5.10～6.80 m。整個坡面存在深厚填土，對邊坡整體穩(wěn)定性不利。

3)根據(jù)詳細勘察報告，局部區(qū)域存在巖溶現(xiàn)象，鉆孔見洞隙率為12.4%，屬巖溶中等發(fā)育。中風(fēng)化巖面陡峭，局部成筍狀，基巖上部粉質(zhì)黏土層遇水易軟化，不利于沖孔樁與錨索的施工。

4)邊坡頂部的中細碎車間距離坡頂線僅4 m，車間內(nèi)分布有重型動荷載設(shè)備，對邊坡的穩(wěn)定性存在不利影響。

2 邊坡支護方案設(shè)計

擬支護的1#邊坡支護高度局部超過15 m，坡頂緊鄰擬建中細碎車間，邊坡工程安全等級為一級。根據(jù)現(xiàn)場實際條件，結(jié)合巖土工程詳細勘察報告，設(shè)計了兩個支護方案，詳見方案一的支護剖面圖(圖2)與方案二的支護剖面圖(圖3)。

圖2 方案一支護剖面圖

圖3 方案二支護剖面圖

方案一 采用上部錨桿格構(gòu)梁+下部樁錨支護的聯(lián)合支護體系。上部采用1∶0.75放坡，設(shè)置錨桿格構(gòu)梁支護，共5排錨桿，錨桿桿體為直徑22～25 mm的普通熱軋帶肋鋼筋(抗拉強度標準值400 MPa)，錨桿長度為12～15 m，錨桿軸向拉力標準值為45 kN～58 kN，格構(gòu)梁采用C30混凝土現(xiàn)澆施工，梁尺寸300 mm×350 mm(梁寬×梁高)；下部沖孔灌注樁直徑為1.2 m，樁心間距2 m，樁底入中風(fēng)化灰?guī)r大于1.2 m；支護樁外側(cè)設(shè)置3排錨索，錨索主筋為3～4索φs15.2鋼絞線(抗拉強度標準值1860 MPa)，長16～18 m，錨索軸向拉力標準值為240 kN～300 kN。

方案二 采用上部樁錨支護+下部重力式擋土墻的聯(lián)合支護體系。上部沖孔灌注樁直徑為1.2 m，樁心間距2 m，樁底入中風(fēng)化灰?guī)r大于1.2 m；樁外側(cè)設(shè)置5排錨索，錨索主筋為3～5索φs15.2鋼絞線(抗拉強度標準值1860 MPa)，錨索長22～28 m，錨索軸向拉力標準值為250 kN～410 kN；下部為漿砌毛石擋土墻，采用M10砂漿砌筑，墻頂寬3.0 m，底寬3.3 m，墻高5.8 m，擋墻基礎(chǔ)埋深1.0 m。

兩個支護方案的錨桿與錨索均須穿過坡頂中細碎廠房的樁基礎(chǔ)，施工存在一定困難。為解決此難點，支護設(shè)計中的沖孔灌注樁在平面位置上與坡頂廠房的基礎(chǔ)樁對齊布置，且同時施工，為后期的錨桿與錨索施工創(chuàng)造有利條件。

3 巖土計算與方案對比分析研究

根據(jù)本項目詳細勘察報告，邊坡地層分為3層，從上而下依次為人工填土層、粉質(zhì)黏土層、中風(fēng)化灰?guī)r層，各地層設(shè)計參數(shù)系根據(jù)勘察報告結(jié)合工程經(jīng)驗確定，相關(guān)指標見表1[4]。

表1 各地層設(shè)計參數(shù)

采用理正軟件，計算方案一的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，上部錨桿格構(gòu)梁部分采用邊坡穩(wěn)定分析模塊進行計算，下部采用樁錨支護模塊計算。計算結(jié)果：上部錨桿格構(gòu)梁支護的穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.32，下部樁錨支護體系的抗傾覆安全系數(shù)K=1.50，整個支護體系的整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.42。樁錨支護體系的最大負彎矩為2153.9 kN·m，最大正彎矩為841.5 kN·m，最大剪力為1045.0 kN，最大水平位移為28.5 mm，坡頂最大沉降為59 mm。

采用理正軟件，計算方案二的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。計算建模時，原保留土體與重力式毛石擋墻作為附加力作用于支護結(jié)構(gòu)下部，采用樁錨支護模塊計算邊坡穩(wěn)定性，計算結(jié)果：方案二的抗傾覆安全系數(shù)K=1.46，整體穩(wěn)定安全系數(shù)K=1.86，最大負彎矩為1889 kN·m，最大正彎矩為1257 kN·m，最大剪力為726 kN，最大水平位移為25.6 mm，坡頂最大沉降為41 mm。

對比兩個支護方案穩(wěn)定性的計算結(jié)果可知，方案一的局部穩(wěn)定性安全系數(shù)偏小(上部錨桿格構(gòu)梁支護穩(wěn)定性安全系數(shù)K=1.32(<1.35)，不能滿足現(xiàn)行《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)的要求；方案二的抗傾覆安全系數(shù)略小于方案一，而方案一的整體穩(wěn)定安全系數(shù)小于方案二；方案二的支護結(jié)構(gòu)最大水平位移與坡頂最大沉降均小于方案一。

考慮到邊坡支擋結(jié)構(gòu)為三維空間分布，故采用FLAC3D軟件進行邊坡穩(wěn)定性的三維建模分析。根據(jù)現(xiàn)場勘查資料與設(shè)計圖紙，建立方案一與方案二的邊坡三維模型圖(圖4)。

圖4 邊坡三維模型圖

FLAC3D軟件建模，錨索采用cable單元結(jié)構(gòu)，彈性模量E=1.8×108kPa，泊松比μ=0.3；沖孔樁采用pile單元結(jié)構(gòu)，E=1.0×108kPa，泊松比μ=0.2[5-7]。

以計算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)，采用強度折減法計算本邊坡的安全系數(shù)[7-9]，得到臨界破壞時的沉降云圖與安全系數(shù)(圖5)以及邊坡速度矢量圖(圖6)。

由圖5和圖6可知，方案一的邊坡工程安全系數(shù)為1.53，方案二的邊坡工程安全系數(shù)為2.35，方案二的安全系數(shù)高于方案一。處于臨界破壞狀態(tài)時，方案一的豎向位移最大位置為上部錨桿格構(gòu)梁支護的坡面靠近坡頂位置。分析其原因，由于方案一中的錨桿與錨索未深入穩(wěn)定巖層，而土層與錨固體間的黏結(jié)強度有限，不能有效控制邊坡體的位移與沉降，導(dǎo)致在上部錨桿格構(gòu)梁支護區(qū)域出現(xiàn)潛在滑動面；方案二中，由于支護錨索深入穩(wěn)定巖層一定深度，同時由于邊坡臨空面處的沖孔樁及混凝土面板的存在，有效控制了邊坡土體的水平位移，僅在沖孔樁與廠房基礎(chǔ)之間出現(xiàn)較大的沉降變形。

圖5 臨界破壞時沉降云圖及安全系數(shù)

圖6 邊坡速度矢量圖

根據(jù)圖6邊坡速度矢量圖顯示，方案一的邊坡主要破壞模式為圓弧滑動破壞，若實際工程中采用此方案，應(yīng)加強錨桿與格構(gòu)梁支護結(jié)構(gòu)的支護強度。方案二的豎向位移最大位置為坡頂支護樁的后側(cè)，根據(jù)圖6可分析判斷，邊坡主要破壞模式為支護樁的傾覆破壞，故在工程實際中應(yīng)加強支護樁的支護強度，以保證樁錨支護體系的抗傾覆穩(wěn)定性。

根據(jù)圖6中邊坡土體的運動方向與錨索方向的關(guān)系，方案一中，邊坡坡體的運動方向為垂直錨索向下運動，而錨索主要為徑向受力，因此不能對邊坡的破壞起到有效的支護作用；方案二中，邊坡的速度矢量方向與錨索受力方向相近或相切，在錨索與支護樁(沖孔灌注樁)的共同作用下，能夠?qū)吰滦纬筛鼮橛行У闹ёo。

根據(jù)理正軟件與數(shù)值模擬的計算結(jié)果，結(jié)合工程現(xiàn)場的實際情況，將兩個支護方案進行對比分析：

1)理正軟件可以分別計算單個支護體系的抗傾覆安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)等各項安全系數(shù)，方便工程設(shè)計時對照現(xiàn)行規(guī)范參照使用。數(shù)值模擬計算一般只能計算整體穩(wěn)定安全系數(shù)。

2)理正軟件可以分別計算各支護體系的穩(wěn)定性安全系數(shù)，但是無法考慮兩個支護結(jié)構(gòu)之間的牽連作用，對于現(xiàn)實中較為復(fù)雜的支護結(jié)構(gòu)，采用理正軟件存在一定的缺陷。數(shù)值模擬計算可以有效彌補這一缺陷。

3)采用理正軟件結(jié)算兩個支護方案的整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為1.42與1.86，采用數(shù)值模擬計算的結(jié)果為1.53與2.35。采用數(shù)值模擬的計算結(jié)果與理正軟件相比，兩個支護方案的安全系數(shù)分別高出7.7%與26.3%。分析其原因，在三維邊坡的穩(wěn)定性分析時，模型側(cè)面上的剪應(yīng)力對安全系數(shù)的影響較大，三維有限元的數(shù)值模擬能夠較好地反映邊坡的三維效應(yīng)，而理正軟件無法考慮邊坡模型側(cè)面的剪應(yīng)力，從而導(dǎo)致其整體穩(wěn)定安全系數(shù)偏小(偏保守)。

4)方案二在坡底擋土墻與上部支護樁之間，保留部分土體(硬塑—硬可塑狀粉質(zhì)黏土)，能夠為支護樁提供部分被動土壓力，同時將主動土壓力均勻地傳遞給坡底擋土墻，避免應(yīng)力集中。

5)與方案一相比，方案二減少了工程性質(zhì)較差的回填土方的工程量，使得支護的工程量相應(yīng)減少，造價相對較低。

6)方案二的支護結(jié)構(gòu)完成后，由于擋土墻頂與保留土體間坡度較平緩，可以種植灌木與藤狀植物，達到較好的綠化景觀效果。

綜上，方案二支護體系的安全系數(shù)較高，受力模式更加合理，計算結(jié)果的沉降與位移較小且符合規(guī)范要求，故確定方案二為本工程的最優(yōu)方案。

4 邊坡支護工程施工

選用方案二為本項目的最終實施方案，進行施工組織設(shè)計。施工順序：土方回填施工(為樁基施工提供施工平臺)→支護樁與坡頂中細碎廠房的工程樁施工→分層分段施工樁間錨索與面板→坡底擋土墻砌筑施工→截排水工程施工→邊坡工程長期監(jiān)測。

邊坡施工過程中的照片見圖7，支護后照片見圖8。

圖7 邊坡施工照片

圖8 邊坡支護后照片

主要施工要點分析：

1)土方回填施工。按照臨時放坡坡比1∶1.5～1∶1.75，回填土方反壓坡腳，堆填出3～4 m寬的施工平臺，以便沖孔樁施工，并對堆填形成的臨時邊坡進行臨時性掛網(wǎng)噴砼支護。

2)沖孔樁施工。施工平臺高程以下的樁體，采用泥漿護壁進行施工；施工平臺高程以上的樁體采用支?，F(xiàn)澆的方法施工。為保證沖孔樁樁體的施工質(zhì)量，采用跳挖法分三序施工，每隔兩根樁施工一根樁。支護設(shè)計中的沖孔灌注樁在平面位置上與坡頂工程樁對齊布置，且同時施工。沖孔樁施工過程中，由于填土層土質(zhì)不均勻、結(jié)構(gòu)松散，部分樁孔施工過程中發(fā)生了垮孔，后增加了鋼護筒，進行有效護壁，完成相應(yīng)樁孔的施工。

3)樁間錨索施工。錨索成孔采用潛孔錘干法成孔進行施工，避免濕法成孔造成填土與粉質(zhì)黏土中垮孔；錨索均采用二次注漿，第一次采用常壓(0.4 MPa～0.6 MPa)灌漿，第二次采用高壓注漿(2 MPa～3 MPa)，孔口設(shè)止?jié){塞，在首次灌漿初凝后2～4 h內(nèi)向孔中二次灌注水泥凈漿，注滿后保持壓力5～8 min，二次灌漿管的邊壁帶孔且與鉆孔等長，在首次灌漿前與錨索同時送入孔中。

4)擋土墻施工。坡底擋土墻采用M10砂漿砌筑，采用座漿法砌筑，保證擋土墻砂漿密實；每隔20 m設(shè)置一道伸縮縫，伸縮縫采用瀝青木板充填。

5 變形監(jiān)測

本邊坡工程安全等級為一級，依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[10]，結(jié)合本工程的特點，對坡頂沉降與位移進行長期監(jiān)測點，監(jiān)測點間距15～20 m，共布置10個監(jiān)測點，監(jiān)測周期為邊坡竣工后兩年。根據(jù)邊坡監(jiān)測結(jié)果，邊坡頂部最大水平位移為10.6 mm，最大沉降值為16.5 mm，邊坡支護效果良好。

6 結(jié)論

1)針對復(fù)雜填方高邊坡工程，提出兩個支護方案進行比選，分別采用理正軟件與FLAC3D軟件對邊坡穩(wěn)定性進行了計算與對比分析，分別得出了兩個支護方案的抗傾覆安全系數(shù)、整體穩(wěn)定安全系數(shù)等結(jié)果，得出了最優(yōu)支護方案。

2)采用FLAC3D軟件，對復(fù)雜的邊坡支護結(jié)構(gòu)進行三維建模與穩(wěn)定性分析，可以反映模型側(cè)面上的剪應(yīng)力對邊坡穩(wěn)定性的影響，同時能夠考慮支護體系中兩個支護結(jié)構(gòu)的牽連作用，其變化規(guī)律與計算結(jié)果更加貼近工程實際，可為邊坡工程中的聯(lián)合支護體系設(shè)計提供借鑒與參考。

3)邊坡支護結(jié)構(gòu)中的錨索與錨桿均需要穿過主體結(jié)構(gòu)工程樁時，采用支護樁與工程樁軸線對齊，并同時施工的辦法，可以使得支護樁間的錨索順利穿過工程樁。

4)高填方邊坡區(qū)域，采用樁錨垂直支護可以減少支護結(jié)構(gòu)的占地面積，使土地資源得到充分合理的利用。

5)高邊坡支護治理工程中，采用樁錨支護與擋土墻組合的支護型式，擋土墻與支護樁之間保留部分土體，能夠為支護樁提供被動土壓力，同時在保留土體區(qū)域種植灌木與藤狀植物，能夠達到較好的綠化景觀效果。