南平某高边坡设计与稳定性分析

林雪梅

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着我国城镇化进程的加快，土地资源日趋紧张。尤其是在多山地区进行工程建设，需要进行大规模切坡整平工作，从而形成了大量的人工高边坡，当它发生滑动破坏时，往往给人们的生命财产造成巨大损失，带来了严重的社会影响。因此，对高边坡进行支护加固意义十分重大。而边坡支护结构如何做到安全可靠、经济合理、且与周围自然环境相协调，是边坡支护设计中的重点和难点。

本文以南平某高边坡工程为例(该工程获2017年全国优秀工程勘察设计二等奖)，结合景观提出了合理可行的设计方案，并在常用理正软件计算的基础上，采用了有限元软件Plaxis8.5进行了辅助对比分析，既提高了安全度，又优化了设计。该工程的顺利实施为类似高边坡工程的设计提供了实际参考价值。

1 工程概况

工程项目位于福建省南平市西溪路，场地南侧与富屯溪隔国道相依，北侧毗邻山坡。该项目总用地面积约为29 644m2，总建筑面积约为146 695m2，由4栋28 ～31层的建筑物和1栋3层的裙房组成。根据建筑设计要求，场地整平需进行切坡，将形成人工挖方高边坡。边坡与建筑物之间的距离约为14m～20m，边坡总长度为450m，高度为10m～46m，为岩土质混合高边坡。边坡高度较高，坡底为重要建筑物，破坏后果严重，边坡安全等级为一级，重要性系数取1.1。边坡与建筑物之间的关系如图1所示。

图1 边坡与建筑物关系平面布置图

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

场地地貌属剥蚀残丘地貌，地形为斜坡。场地地势不平，西北高、东南低，场地高程为黄海80m(坡脚)～200m(山顶标高)，因切坡，坡脚较陡，坡度60°～80°，中上部山坡自然坡度20°～35°。

2.2 地层岩性

①杂(素)填土：浅黄色、褐黄色、灰褐色，松散，稍湿，填龄约1年，局部为新近填土。该层厚度为0.20m～1.20m，平均厚度0.56m。

②-1含碎石坡积砂质粘土：褐黄色、灰黄色，稍湿，可塑～硬塑状态。该层主要为坡积成因。厚度1.00m～6.30m，平均厚度2.17m。

②-2坡积粉质粘土：灰黄、褐黄、灰白等色，稍湿～饱和，可塑，局部硬塑。该层主要为坡积成因。厚度1.20m～5.50m，平均厚度为2.75m 。

③全风化粉砂岩：褐黄、浅紫红等色，饱和，呈硬塑～坚硬。揭示厚度为1.60m～5.30m，平均厚度为3.38m。

④-1土状强风化粉砂岩：褐黄、浅紫红等色，稍湿～饱和，为粉砂岩风化而成。边坡均有分布，厚度0.60m～11.30m，平均厚度为3.60m。

④-2碎块状强风化粉砂岩：褐黄、浅紫红等色，稍湿～饱和，为粉砂岩风化，该层边坡内均有揭示，揭示厚度为3.50m～20.50m，平均厚度为10.50m。

⑤中等风化粉砂岩：青灰、灰黄等色，稍湿～饱和，致密，较硬岩，岩体完整程度破碎～较完整，岩体基本质量等级Ⅳ～Ⅲ级，揭示厚度为0.80m～30.0m。

3 边坡支护设计方案

该工程边坡高度最大达到46m，属于建筑挖方高边坡；边坡岩性为粉砂岩，强度较低；坡底距建筑物较近，破坏后果严重，给边坡支护设计带来了一定难度。根据该工程的地质条件、边坡高度和场地使用条件，并结合景观要求，综合比选分析，边坡支护设计方案采用预应力锚索框架梁结合分级放坡的支护形式。边坡坡率为1∶0.5，每级边坡高度为10m～12.5m，平台宽度2m。立柱和横梁截面尺寸为400mm×500mm，锚索锚固体直径为150mm，采用压力分散型锚索，锚索水平间距为3m。坡顶设置600mm×600mm截水沟，每级平台和坡底设置400mm×400mm排水沟，坡面设置急流槽和软式排水孔。框架梁之间采用三维网喷播草籽绿化。典型边坡支护设计剖面如图2所示。

图2 典型边坡支护设计剖面图

4 数值模拟对比分析

由于该边坡高度大，破坏后果很严重，为了保证边坡安全，在按传统极限平衡法(理正岩土软件)计算的基础上，采用了有限元软件Plaxis对边坡进行了数值模拟计算，并采用强度折减系数法计算边坡的安全系数，通过对不同切坡坡率(1∶0.3、1∶0.5、1∶0.8)计算结果的对比分析，在保证边坡安全稳定的前提下优化设计。同时，和理正岩土软件计算结果进行对比，综合评估了边坡支护后的稳定性，确保了边坡支护结构体系的安全，既做到了经济合理，又提高了设计安全度。

4.1 有限元计算模型

有限元计算模型采用二维平面应变模型，土体采用15节点二阶三角形实体单元模拟，锚杆自由段采用杆单元模拟，锚固段采用土工格栅单元模拟。有限元计算模型如图3所示。

图3 有限元计算模型

4.2 计算参数

土体本构模型采用摩尔—库伦模型，计算参数如表1所示。锚杆锚固段轴向刚度取EA=1×105kN/m, 锚杆自由段轴向刚度取EA=2×105kN。

表1 土体计算参数

4.3 计算结果

4.3.1坡率为1∶0.3情况下的边坡破坏模式及安全系数由于切坡坡率较陡，在其它条件相同的前提下，边坡潜在滑动面如图4所示，滑动面为圆弧形，与锚索自由段呈对应关系，滑动面底端剪出口位于土岩交界面(第一排锚索位置)。计算得出的安全系数为1.27，小于《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)中一级边坡规定值1.35。表明采用1∶0.3坡率的支护方案安全性不满足规范要求，该方案不可行。

图4 坡率为1:0.3时边坡潜在滑动面(FS=1.27)

4.3.2坡率为1∶0.5情况下的边坡破坏模式及安全系数

边坡潜在滑动面如图5所示，滑动面基本呈圆弧形，滑动面底端剪出口位于第四排锚索位置，相对1∶0.3坡率下的滑弧较小。计算得出的安全系数为1.45，大于《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2013)中一级边坡规定值1.35，满足设计要求。表明1∶0.5坡率的支护设计方案是合理可行的。

图5 坡率为1∶0.5时边坡潜在滑动面(FS=1.45)

4.3.3坡率为1∶0.8情况下的边坡破坏模式及安全系数

边坡潜在滑动面如图6所示，滑动面呈圆弧形，与锚索自由段完全对应，滑动面底端剪出口与坡率为1∶0.5的剪出口一致，都位于第四排锚索位置。计算得出的安全系数为1.55，表明1∶0.8坡率的支护设计方案安全性满足设计要求。

图6 坡率为1∶0.8时边坡潜在滑动面(FS=1.55)

4.3.4对比分析

从有限元计算结果可以看出：①不论采用哪一种切坡坡率，边坡的滑动面都为圆弧形，滑动面与锚索自由段位置基本对应。②坡率越陡，滑动面越大；坡率越缓，滑动面越小。③坡率越陡，安全系数越小；坡率越缓，安全系数越大。

1∶0.3坡率支护方案计算安全系数小于1.35，不满足规范要求，该方案不可行。1∶0.5和1∶0.8坡率支护方案计算安全系数大于1.35，安全性均满足要求，但从经济性角度考虑，1∶0.8坡率的切坡高度高，达49m，边坡开挖土方量大，支护结构工程量多，经济性较差。综合来看，1∶0.5坡率的边坡支护方案在满足规范要求的前提下，安全可靠、经济合理，为最优的支护设计方案。且采用理正岩土软件计算安全系数为1.411，与有限元计算安全系数1.45相近，也表明了数值计算的准确性和合理性，和理正岩土软件的相互验证也提高了设计安全度。

5 监测结果

由于该边坡高度大，坡底为高层建筑物，破坏后果严重。为了保证边坡的安全，必须对边坡支护结构及周边环境进行监测，并采取信息化施工方法。本次监测共埋设了81个水平位移和沉降监测点，采用专业监测棱镜，监测仪器采用了目前精度最高的自动测量型全站仪。该全站仪能实现自动照准、自动观测、自动记录等自动化技术手段，减少人为误差的影响，保证观测的精度指标。监测周期为从边坡施工至边坡竣工后两年。表2为各段边坡最大变形值。

表2 边坡最大变形值 mm

监测结果表明，在边坡施工和运营期间，边坡累计水平位移最大值为17.28mm，累计沉降最大值为20.64mm，且大部分变形都发生在边坡施工期间。边坡竣工后，支护结构变形基本稳定，变形值满足规范和设计要求，表明该边坡支护工程安全可靠，支护设计方案是成功可行的。

图7为边坡竣工后实景，框架梁之间的坡面已长满草木，既防止了坡面水土流失，又绿化了边坡。平台设置了栏杆，以供小区居民休闲散步之用。人工边坡与周围自然环境相互协调，在保证边坡安全的前提下做到了自然和谐。

图7 边坡支护竣工后实景

6 结语

虽然高边坡工程已发展几十年了，但随着经济社会的发展，对边坡工程的要求也越来越高。如何在保证边坡安全的前提下，既使支护结构做到经济合理，又能与周边环境相协调，是边坡支护设计中的难点。本文结合南平某高边坡的设计和分析，提出如下几点建议：

(1)监测结果显示，边坡变形稳定，该边坡目前处于安全状态，表明该工程采用预应力锚索框架梁支护形式是成功可行的。

(2)采用有限元软件对边坡支护设计方案进行对比分析，既提高了设计安全度，又达到优化设计的目的，是一种可行有效的辅助分析手段。

(3)在框架梁之间采用三维网喷播草籽，既防止了雨水冲刷，又绿化了坡面，使边坡与周围自然环境相协调，实现了绿色岩土的概念。

参考文献

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[4] 候俊伟.敏感环境下岩土混合边坡支护结构对比分析[J].路基工程，2016(3):162-166.