复杂高填方边坡设计关键问题讨论

胡裕生，张登

(福建省建筑轻纺设计院 福建福州 350001)

引 言

山区工程建设中，为获得平整场地时常需要修建高填方边坡。此类工程受到外部及自身条件的严重制约，而给工程设计及施工带了极大的困难。此外，此类高填方边坡如不慎重处理，将成为滑坡危险源，给邻近建构筑物安全构成严重威胁[1]。因此，开展此类边坡的针对性研究具有重要的理论及现实意义。高填方边坡设计的复杂性主要体现在四个方面:一是边坡的高度过大，致使边坡整体稳定性难以保证，挡土结构土压力急剧增长，地基土地基承载力难以满足要求;二是填土质量难以保证，填土实际力学参数与设计参数存在差异，这种差异有时非常显著，设计人员必须充分考虑;三是边坡工程的长期性，永久性边坡服役寿命长达50年，受到地震、地下水、地面堆载、风化侵蚀等一系列外界因素的强烈影响，这些因素对边坡的影响目前尚难以做出准确估计，致使设计人员很难在工程经济性与安全性之间做出正确的权衡[2]。四是边坡通常邻近建构筑物，这对边坡的变形控制提出了更高的要求此外邻近建筑群体的景观要求，也是该类边坡设计不可忽视的因素。由于上述因素造成的高填方边坡设计关键问题主要包括:

(1)整体稳定问题;

(2)土压力问题;

(3)地基承载力问题;

(4)外部稳定性问题;

(5)变形控制问题。

针对本文此类工程问题，以福建某高填方边坡设计为例，在分析复杂高填方挡墙受力特点的基础上说明了此类高填方挡墙设计关键问题的解决方案。本工程研究成果可为类似工程的设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

图1 场地总平图

1.1 高填方边坡概况

福建某小区建设，为获得平整场地需填筑高填方边坡。原始地面高程约490.600m，设计地面高程513.100m，边坡总高度约22.5m。距离坡脚约20m为既有多层框架结构住宅。拟建建筑物距坡脚约15.5m～25.5m，为地上32层，地下3层住宅。建筑结构采用剪力墙结构，桩基础采用冲钻孔灌注桩。场地总平图如(图1)所示。

1.2 场地工程地质概况

场地位于闽南低山丘陵地带，土层自上而下如(表1)所示。

表1 各土层物理力学性质

不难看出，除需边坡填土外，既有场地尚存在较厚的填土层。这导致边坡整体稳定性及地基承载力难以满足要求，需慎重处理。

2 边坡设计关键问题及应对方案

2.1 整体稳定问题

提高填土质量是保证填方边坡整体稳定性最有效且最为廉价的方法。但由于目前工程施工市场的混乱，通常填土质量难以保证。对此，采用加筋土挡墙方案，每400mm铺设一层加筋土，并对填土进行碾压，以尽可能确保填土质量。此外，根据场地条件，将加筋土挡墙做成台阶状，每阶高度3.2m，坡度1:0.05，台阶宽度1.5m，进一步减小下滑力。

边坡地基土体较为软弱，容易形成剪出口，造成边坡整体失稳。因此，必须对边坡土体进行必要的加固。由于场地邻近既有建筑物，不宜采用强夯方案。拟采用CFG桩对地基土体进行加固。此外，坡脚设置扶壁式挡墙，用以对坡脚应力集中部位进行加强。

按上述设计方案建立计算模型，计算边坡安全系数为1.35，潜在滑动面如(图2)所示。从图中可以看出，坡脚部位边坡潜在滑动面穿过CFG桩桩身。由于CFG桩抗拉抗剪性能较弱，为防止此部分CFG桩失效，采用内插钢筋笼的方式对此部分CFG桩进行补强。钢筋笼的配筋原则是将边坡稳定计算所得下滑力乘以1.35扣除边坡抗滑力所得外力全部由此部分CFG桩承担。

图2 高填方边坡设计方案及潜在滑动面

2.2 土压力问题

随着边坡高度的增加，挡土结构承受的土压力急剧增加。为解决整体稳定问题所设置的加筋土，恰好可以起到显著减小土压力的作用。此外，台阶式放坡也使得土压力有进一步减小[3]。然而，这两项因素的叠加却给计算土压力造成了困难。文献[4]、文献[5]均只给出直立式加筋土挡墙土压力的计算方法，对于台阶式加筋土挡墙并未涉及。杨广庆等[6]在这方面开展了有益的研究，提出了计算多级加筋土挡墙土压力的改进方法，但该方法在计算级数较多加筋土挡墙的适用性仍有必要进行进一步研究，且计算过程也较为繁琐。本文采用的方法是:先根据直立式挡墙的计算公式计算边坡土压力，再根据式(1)进行折减的方法[7]:

式中:ξ－土压力折减系数;

β－边坡坡度，对台阶式边坡取总体坡度;

φk－边坡土体内摩擦角。

2.3 地基承载力问题

根据勘察报告场地地基土土体为杂填土，地基承载力特征值仅为80kPa。远不能满足填筑高填方边坡的需要。为解决整体稳定问题设置的CFG桩，同时起到提高地基土地基承载力的作用。本工程将CFG桩设置为台阶状。这主要出于三个方面的原因考虑:一是保护已施工工程桩，二是保证上部加筋材料具有足够的延伸长度，三是起到防滑作用。此外，为形成复合地基，设置200厚碎石垫层。值得注意的是，由于既有地基土体为较厚杂填土层，为防止后期杂填土沉降导致填土与垫层脱开，导致复合地基失效。需对填土地面3m深度范围内，改用砂石垫层进行换填。

2.4 外部稳定问题

本工程高填方边坡后方为三层地下室，若视边坡加筋土土体为整体，仅承受地下室底板以下不足4m高度土压力，边坡抗滑移、抗倾覆稳定性较容易得到满足。需要指出的是，对于邻近高层建筑物的填方边坡，计算其抗倾覆、抗滑移稳定性时必须计入视上部结构的嵌固部位，计入上部结构传来荷载的影响。若上部结构嵌固部位位于边坡坡脚以下，可不计入此部分荷载的影响，若上部结构嵌固部位位于边坡脚以上，则需要计入该部分荷载的影响。一般认为，当边坡坡顶距离建筑物距离超过坡高两倍时，可不计入上部结构荷载的影响。但其理论依据还有待进一步研究。

对于坡脚刚性扶壁式挡墙，当填土较厚时，通常可采取两种方案解决其外部稳定性问题。一是桩承方案，通过设置桩基础解决挡墙计算承载力问题，利用桩基抗压及抗拔解决挡墙抗倾覆稳定性问题，利用桩的水平承载力解决其抗滑移稳定性问题。然而，由于填方挡土墙墙后土压力较大，而桩的水平承载力通常较其竖向承载力小许多。这导致按承载竖向荷载计算的桩基数量通常仅为按承载水平荷载计算的桩基数量的1/10，甚至更少，这种设计你较不合理，给工程造成极大的浪费。并且，由于刚性挡墙底板的大小通常受到用地红线，邻近建筑物等的限值，尺寸不能过大。而桩基础之间又有桩间距的要求。这导致这一方案，有时是难以实施的。二是，用将桩基础与挡墙底板脱开的方案。此时，需要在地基与挡墙底板之间设置垫层，垫层与刚性桩形成复合地基共同承担竖向荷载。抗滑移稳定性主要底板与垫层之间的摩擦力保证。此时，垫层设置就成为关键因素，垫层不宜过厚，影响摩擦力发挥。也不宜过薄，影响复合地基的形成。其厚度一般取200～1000mm，设计时需根据桩间距综合考虑。梁永辉[3]建议初步设计取桩间距的20～30%。

2.5 变形控制问题

为控制边坡变形，本工程不再采用土工格栅而改用CAT钢塑复合带。这主要出于两个方面的原因:一是CAT钢塑复合带的强度和刚度更好，有利于控制变形。二是高填方挡墙下部土压力较大，需要高强度材料来保证挡墙的内部稳定性。

高填方挡墙施工完成后，土体的固结将引起边坡的较大沉降。倘若冒然施工坡顶道路及管线，将极易造成道路及管线损毁。因此，坡顶建构筑物应待边坡沉降稳定后再施工。此外，为加快边坡固结进程，除施工期注意分层碾压质量外，可在边坡适当位置设置砂井以利于排水。

3 结论

(1)高填方边坡设计复杂性是要体现在边坡高度过大，稳定性难以保证;填土质量难以保证;边坡服役期长，外部条件对边坡影响难以估计以及受到邻近建筑物因素制约四个方面。

(2)复杂边坡设计的关键问题主要包括:整体稳定问题，土压力问题，地基承载力问题，外部稳定性问题及变形控制问题五个方面。

(3)通过设置台阶式加筋土挡墙及CFG桩复合地基并采取合理的局部加强措施并合理安排施工顺序可较好地解决上述问题。

(4)第(3)点所述加强措施，主要包括坡脚设置刚性扶壁式挡墙及坡脚CFG桩内插钢筋笼两个方面。

[1]殷跃平，鄢毅，陈波，唐辉明，林彤.三峡库区巫山新城超高加筋挡

墙变形破坏及修复研究[J].工程地质学报，2003，(1):89－99.

[2]张井泉.高填方边坡稳定性研究[D].西南交通大学，2009.

[3]梁永辉.邻近建筑软基高填方支挡结构的优化设计[J].岩土工程学报，2013，35(supp.2):697 －701.

[4]JTG D30－2004，公路路基设计规规范[S].

[5]TB10001－2005，铁路路基支挡结构设计规范[S].

[6]杨广庆.台阶式加筋土挡土墙设计方法的研究[J].岩石力学与工程学报，23(4):695～698.

[7]JGJ 120－99，建筑基坑支护技术规程[S].