西南某工程边坡支护方案案例分析及理正计算可靠性分析

（四川省地质矿产勘查开发局化探队，四川 德阳，618000）

1 工程概况

场地位于四川台坳西部的龙门山前坳陷带，绵阳环状旋扭构造，吴家坝向斜北翼宽缓部位。地层倾角1°，无大断裂构造从场地及附近区域通过，历史上无破坏性地震发生，属基本稳定区。待治理边坡长195m左右。边坡区为粉质粘土覆盖，下部为基岩层。部分地段为平台，斜坡坡角15°～20°左右。场坪标高541.50～544.50m，在场地整平后将形成长161m高5.7～10.5m 土岩混合挖方边坡，边坡距离拟建18层高建筑物仅8.3m，边坡破坏后果严重。典型工程地质剖面如图1。

图1 典型工程地质剖面

2 边坡工程地质条件

钻探揭露边坡土层自上而下为：

1）粉质粘土：棕黄色（局部为灰黄色），土体上中部含褐红色铁锰质氧化物斑点及白色钙质物，下部含少量卵石。其干强度较高，切面光滑，呈可塑状，层厚7.4～9.8m。场区均有分布。

2）白垩系下统七曲寺组泥岩：埋深7.4～9.8m，浅紫红色，泥质结构，层状构造，泥钙质胶结。勘孔揭示深度内，按风化程度分为强风化及中风化两个亚层：①强风化层：岩石结构大部分破坏，层理不清晰、节理裂隙很发育，呈碎块状，强风化层厚1.4～4.1m。②中风化层：岩石组织结构仅部分破坏，层理清晰，节理裂隙较发育，岩体呈块状，中风化层厚5.9～10.9m。场区内未见有地表水出露，地表水来源于大气降雨，边坡区部分地形微凹，降雨时期地表径流较大，对该边坡稳定性有一定的影响。边坡物理力学参数见表1。

3 边坡稳定性及破坏形式分析

边坡按场坪标高开挖后，形成高5.7～10.5m 直立均质土边坡，坡体由土质构成，边坡稳定性受土体强度和坡形控制。边坡开挖形成直立边坡，其坡角远远大于粉质粘土土体强度，边坡会发生沿圆弧形滑面滑动的破坏。拟建建筑距离边坡仅8.3m，小于边坡最大高度，边坡破坏后后果严重，对边坡采取治理措施是十分必要的。

表1 岩土物理力学指标表

4 设计思路

治理工程应针对治理对象的具体特征、稳定性、危害性等，因地制宜，选取针对性强的工程措施。组成安全可靠、技术可行、经济合理、施工方便的治理方案;确保边坡在工程年限内，在天然和;暴雨等作用下，不发生浅部整体滑动;避免对小区内的居民生命财产安全构成威胁。针对场地平整边坡采用“桩板式挡墙”治理方案，有较强的针对性。

图2 平面布置图

5 方案设计

本次治理工程针对拟开挖边坡的实际情况，拟采取“桩板式挡墙+变形监测”的综合治理方案。

在用地红线内侧AC 段布置桩板式挡墙支挡，顶部设置冠梁。治理支护段设置两种类型桩共41 根：其中，A型桩33 根，桩长16～20m，截面1.5m×2.0m，桩中心距4.0m，嵌固段长8～10m，嵌固段为泥岩；B型桩8 根，桩长10.0m，截面1.0m×1.5m，桩中心距4.0m，嵌固段长5.0～6.0m，嵌固段为泥岩；桩间设置挡土板厚0.3m，板下部埋深不小于500mm。平面布置图见图2。

6 计算依据

设计依据为《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013），防治工程安全等级采用二级，安全系数取1.30。并参考《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）、《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)。参照坡体治理工程惯例及国家有关标准对钢筋等建筑材料使用寿命的规定，综合确定防治工程使用年限为五十年。

采用北京理正软件研究院的岩土计算软件(6.5)《建筑边坡挡土墙设计》进行设计验算。计算方法采用M法。

表2 桩基本参数表（单位：m）

7 计算结果

7.1 桩结构计算

7.1.1 基本参数

桩基本参数见表2。

7.1.2 桩体受力计算

桩体受力计算采用“M”法(本应为K法，基于泥岩风化作用强，边坡悬臂段长，从安全出发，采用“M”法)，推力分布采用矩形模式。抗滑桩内力计算结果如下（表3）：

表3 桩内力计算结果

7.1.3 桩弯矩、剪力、桩顶位移、土反力见图3、4。

图3 A型桩内力图

图4 B型桩内力图

7.2 桩配筋设计

1）纵筋计算。抗滑桩按受弯构件考虑，钢筋保护层按80mm计，设计配筋据GB50010-2010：Φ 28HRB400钢筋。

2）构造钢筋。各桩构造钢筋均用Φ28HRB400钢筋。

3）箍筋配筋。箍筋采用Φ12HRB400钢筋。桩间设置挡土板，板厚0.3m，钢筋纵筋为Φ20HRB400钢，箍筋为Φ14HRB400 螺纹钢筋，混凝土为C30。

7.3 桩板设计图

桩板墙最终设计图见图5、图6、图7。

8 理正计算可靠性分析

为验证理正软件计算的可靠性，以A型桩为例，采用手动计算与理正软件的计算结果进行对比。

8.1 手动计算结果

A型桩桩断面为b×a=1.5m×2m的矩形，截面S=3m2，截面模量截面对桩中心惯性矩相对刚度系数EI＝0.85Eh·I＝23800000m2，桩的中心距l=4m，桩的计算宽度Bp=b+1=2.5m，桩的埋深h=7.9m。

8.1.1 采用m法计算桩身的内力

1）计算桩的刚度：

图5 A型桩设计图

图6 B型桩设计图

图7 板设计及其与桩连接图

桩的换算深度α·h=2.40706436425381＜2.5，故按刚性桩计算。

2）计算外力

按《边坡规范》公式(6.2.3)计算主动土压力：

Ea=392.235(kN)Ex=380.584(kN)Ey=94.890(kN) 作用点高度Zy=2.700(m)每根桩承受的水平推力T=380.584×4=1522.336kN

桩前被动土压力大于桩前剩余抗滑力，故桩前抗力按剩余抗滑力控制。滑面处的剪力Q0=1522.336-0=1522.336 kN

滑面处弯矩M0=1522.336×3.375-0×2.7=5137.884 kN·m

3）计算转动中心的深度及转角

4）求桩身内力及侧向应力

侧向应力：σy=（y0-y）φ（A+my）

滑动面以下深度y处桩截面的弯矩和剪力，取y处上部为分离体，由∑M=0及∑X=0 求得：

当y＜y0时：

当y≥y0时：

计算结果见表4和图8、图9、图10：

表4 桩身内力及侧向应力计算结果

侧应力为0的一点即为剪力最大点，求得当埋深：y=4.94192671179771m时，σy＝0，所以：Qmax=-1501.45762723925 kN

剪力为0的一点即为弯矩最大点，求得当埋深：y=1.58716570734978m时Qy＝0所以：Mmax=6293.71960548243 kN

8.1.2 抗滑桩桩侧地基应力验算

地基y 点得横向容许承载力应满足：

图8 桩侧向应力图

图9 剪力图（单位：KN）

图10 弯矩图（单位：kN·m）

式中：σ—锚固段桩的最大横向压应力，kPa；γ1、γ2—滑动面上下土体的容中，kN/m；φ—滑动面一下土的内摩擦角（°）；c—滑动面一下土的粘聚力，kPa；H1—设桩处滑体地面至滑动面的距离，m；y—滑动面至计算点的深度，m。

依次计算出桩侧各点的容许应力值（表5）。

8.1.3 抗滑桩结构设计

1）纵向钢筋设计

桩截面受压区高度：

表5 桩侧各点的容许应力值

式中：fcm—混凝土弯曲抗压设计强度；h0—有效高度，h0=2-0.08=1.92m；K—安全系数，取1。

代入解得：x1=3.56290896455241 m（舍去），x2=.277091035447588 m

式中：fy—钢筋抗拉设计强度，选用Ⅲ级钢，fy＝340 MPa。得：As=9945mm2。

2）箍筋设计

KQmax=1501.45762723925mm2；0.07fcbh0=2399.04mm2

所以，仅需按构造要求配箍筋。

8.2 手动计算和理正结果对比

从表7可以看出，相比手动计算，采用理正软件计算的结果值相对较大，但是其最大剪力、弯矩的埋深缺相对浅，产生这种结果的原因主要是由于计算软件在计算过程中能够纳入计算的因素更多，理正软件计算增加了1.2的安全系数。计算结果看出，理正软件抗滑桩设计的安全余度较高；但增加了治理费用。

表7 计算结果对比

9 结论

1）边坡区均为粉质粘土覆盖，下部为基岩层。在场地整平后将形成长161m，高5.7～10.5m的土岩混合挖方边坡，边坡距离拟建的18层高的建筑物仅8.3m，边坡破坏后果严重。

2）针对场地平整边坡采用“桩板式挡墙”的治理方案利用理正计算软件对该工程边坡支护方案设计。

3）通过手动计算结果与力争软件的对比，理正软件抗滑桩设计的安全余度较高；但增加了治理费用。

4）经过后期施工监测结果显示，边坡周边没有出现明显可见的裂缝等变形现象，证明该边坡设计方案是可行的。

5）对类似地区及工程，使用理正软件计算的同时，提供手算验证方法；对理正软件计算结果进行验证，有一定的借鉴作用。