高边坡稳定性评价、加固措施和监测分析

刘海亭 张小辉 朱有禄 杨 鹏 聂守智

(1.中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054; 2.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043)

0 引言

近年来随着经济的大力发展，工程建设越发频繁，大规模地削山修路、建房等层出不穷，高陡边坡的稳定性问题尤为突出，多数边坡结合经验经人工分级刷坡后仍存在安全隐患。然而影响边坡稳定性的因素较多，边坡的变形破坏有多方面的因素，故对边坡的分析和治理设计仍是一项重要课题[1-2]，大型边坡往往还需建立大型监测系统来监测边坡的稳定状况[3]。

以某地高边坡为例，对局部变形的原因进行分析，并对稳定性进行定量评价。采用微型钢管桩进行治理，施工后采用检测和监测手段，在边坡上建立较为完善的监测系统，对边坡稳定性进行分析和探讨，为今后的高边坡工程分析设计提供一定的参考。

1 高边坡基本特征

1.1 高边坡特征

高边坡位于小区房后。地处黄土冲沟底部，沟谷两侧山体陡立，沟壑发育，崩塌、滑坡、黄土洞穴等不良地质作用较为发育。地层主要为填土(Q4ml)、第四系上更新统黄土(Q3eol)、第四系中更新统黄土(Q2eol)、新近系泥岩(N2)，共四层。2013年廉租房建设期间，对山体通过刷坡卸载+坡面防护+截排水+平台绿化等措施进行了治理，该边坡长约250 m，坡高约50.0～70.0 m，共分为6～9级，每级边坡高约8 m、坡比约1∶1，平台宽度约6 m，1～4级边坡采用拱形骨架护坡，平台上设置了矩形排水沟(截面尺寸400 mm×400 mm)。受地形和地质条件、降雨等影响，坡体稳定性差，局部发生滑塌，坡面即平台上出现多处裂缝，一级边坡坡顶排水沟挤压变形破坏严重，每级边坡坡面沟蚀严重、植被遭受严重破坏。

1.2 变形特征

目前边坡变形主要集中在边坡北侧(1-1剖面北)，见图1，坡脚排水渠出现错段现象，一级边坡顶部平台(二级平台)上的排水渠被挤压变形，一级边坡坡顶和三级边坡坡顶出现多条拉张裂缝，四级边坡坡顶平台上出现剪切裂缝，五级边坡以上斜坡段出现多条拉张裂缝和剪切裂缝。

图1 边坡现状全貌

2 高边坡变形原因分析

北段边坡一、二级边坡坡面芦苇茂盛，结合土工试验参数可知土体已趋于饱和，局部有水渗出，表现为多处拉张和剪切裂缝、排水渠挤压变形和局部错断等，分析原因为该段基岩面两侧高、中间低，古地形为凹型，地下水在该段汇集后，软化坡脚土体，导致土体强度下降，诱发边坡变形。根据水平位移监测结果，边坡在汛期变形加大，虽采取了回填措施，但之后再次发生裂缝，说明边坡处于强变形阶段。南段边坡一、二级边坡坡面芦苇茂盛，结合土工试验参数可知土体已趋于饱和，局部有水渗出，前缘有小范围滑塌。

3 稳定性计算及分析评价

3.1 计算方法

稳定性评价按《滑坡防治工程勘查规范》(GB/T 32864—2016)、《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)等规范综合考虑，潜在滑裂面通过塌滑区影响范围、软件自动搜索并结合工程经验等综合因素确定，采用圆弧滑动法计算安全系数，稳定性分析方法采用Bishop法。

3.2 参数选取

在室内常规试验成果的基础上，参考收集的勘察资料和有关研究成果[4]，确定地层的物理力学性质指标。(见表1)

表1 稳定性计算参数

3.3 稳定性计算结果

根据多年的观测成果，饱和状态按照雨水下渗最大达5 m计算。在工况Ⅰ—自重、工况Ⅱ—自重+暴雨两种工况下进行稳定性计算(见表2)，各剖面位置见图2。

表2 稳定性计算结果

图2 设计平面布置图

4 治理思路及治理方案

潜在滑裂面剪出口集中在一级边坡坡面或坡脚，可采用在一级平台或一级边坡坡脚设置微型桩或抗滑桩防护。坡脚因考虑到侵占大量土地资源，回填方量较大，故建议在一级平台设置。考虑到一级边坡局部土体已趋于饱和，从经济、工期、施工难易程度考虑，采用微型桩支护更为方便。

根据规范及工程特点，安全等级综合按一级考虑，故支护结构重要性系数按1.0考虑，边坡稳定安全系数一般工况取1.35，饱和工况取1.15。

综合考虑采用刷坡卸载+微型钢管桩+排水系统+绿化综合治理方案[5]。

5 分项设计

5.1 刷坡卸载

鉴于北侧边坡顶部分布有较多的填土，变形严重，故对6级及以上边坡进行刷坡卸载，坡比1∶1，每级坡高按8.0 m进行刷坡，平台宽度根据地形综合确定按12.0 m留设(见图3),刷坡卸载后对剩余下滑堆力进行了计算(见表3)。

图3 刷坡前后边坡整体主断面设计图

表3 刷坡卸载后剩余下滑推力计算

5.2 微型钢管桩

在一级平台处设置微形钢管桩，桩距1.0 m，排距1.0 m，共4排，布设720根。桩顶设置C25钢筋混凝土冠梁和连梁，冠梁和连梁尺寸为宽0.3 m，高0.3 m。为保护环境，在冠梁顶部覆盖500 cm的种植土，回填压实，压实系数不小于0.95。

桩长15.0 m，桩直径200 mm，内插1D102×10 mm的热轧无缝钢管，孔内注入M25水泥砂浆液。在设置微型钢管桩位置上部下滑力为832.13 kN，按最不利原则考虑，滑坡推力由微形桩全部承担，其安全系数计算公式为：

K=R1t/F

R1t=nτ1t

τ1t=[τ]A

式中：n为每米微型桩数量；τ1t为单桩允许抗剪强度；[τ]为钢管抗剪强度(125 MPa)；A为钢筋面积；F为支挡结构处的剩余下滑力。

根据设计钢管截面积为28.903 cm2，单桩允许抗剪强度361.3 kN，桩的抗剪断安全系数自重状况下为1.93，暴雨状况为1.74。考虑到注浆加固后可提高桩周土体的抗剪强度，同时排水作用对周围土体的强度值也有所提高，故计算结果满足要求。

5.3 排水系统

(1)排水沟

新刷坡段和一级平台排水沟设计断面同原有排水沟尺寸。

(2)仰斜泄水孔

在一、二级边坡坡面布置4排泄水孔，孔内安装φ75 mmUPVC花管，用400 g/m2无纺土工布包裹2层，并用14号镀锌丝绑扎结实。泄水孔水平间距3.0 m，排水管伸出坡面0.2 m，孔深25.0 m，上仰10°。

(3)填石盲沟

在一级边坡坡脚设填石盲沟，在迎水侧层厚按20 cm，填较细颗粒的粒料作为反滤层，渗沟的中部用较大碎石或卵石填筑。逐层的粒径比例，由迎水面至背水面(即图4由左至右)大致按4∶1递减，顶层做封闭层，用渗水土工布铺成，并在其上夯填厚度0.5 m的黏土防水层。

5.4 绿化工程

平台采用乔灌草混播模式，选取当地适应的乡土树种进行绿化。新刷坡边坡坡面均采用生态袋绿化，原有刷坡裸露边坡采用爬山虎绿化。

图4 主断面局部设计图(单位：mm)

6 检测与监测对比分析

6.1 检测对比分析

通过注浆改良土体及设置钢管桩，组成复合支挡结构，故注浆效果是本项目的关键质量控制点。注浆效果采用取土试验和勘察资料对比分析评价。注浆后稳定性计算参数见表4。

表4 注浆后稳定性计算参数

根据以上计算参数，进行边坡稳定性计算，计算结果见表5、表6。

表5 刷坡后注浆前后计算结果

注：本表注浆前后暂未考虑微型桩的作用。

表6 桩的抗剪断安全系数比对结果

注：设计值未考虑注浆效果，验证值考虑了浆液扩散效果。

从表5中能得出，注浆后安全系数提高幅度在1.2%～8.4%，滑坡推力减少幅度10.4%～23.2%，由于设桩处土层厚度的差异，故存在幅度较大的变化是符合实际的。

根据表6数据对比，注浆效果显著提高了土体的强度，自重安全系数提高幅度为52.3%，暴雨安全系数提高幅度为11.5%，安全性显著提高。

6.2 监测

变形监测可以获取边坡变形规律和安全状况，为判断边坡的安全状况和稳定性提供科学依据[6-7]。微型钢管桩的应力监测采用电阻应变片应力监测和表面应变计监测两种形式。

电阻应变片应力监测即在微型钢管桩外壁布贴应变片，求得微型钢管桩的弯矩。监测微型桩共3根，位于第2剖面。连接方式为四分之一桥工，每根桩沿桩长布设深度分别为1 m、2.8 m、4.7 m、6.5 m、8.4 m、10.2 m、12.1 m、14 m，补偿片布设深度为6 m、13 m，监测基准点为水泥注浆时，监测周期从混凝土初凝时间28 d开始，每隔15 d为一个监测，共测试5次。将初始测得的应变监测数据作为基准值，采用公式计算微型桩弯矩见图5。

图5 微型桩弯矩分布图1

微型桩桩身变形随桩身逐渐增大，在桩中位置达到峰值。最大弯矩达到550 N·m。微型桩初始监测弯矩值较大，并随着监测周期的推进，弯矩值变化逐渐趋于稳定。

表面应变计监测即在桩身4 m、7.5 m、12.3 m处布设表面应变计共3排6个表面应变计，监测微型桩共3根，位于第3剖面，共测试5次。采用振弦式频率计实测桩身表面应变，并计算桩身弯矩，监测要求同上。以初始测得的应变监测数据作为基准值，将表面应变计的实测应变数据换算为桩身弯矩，并绘图见图6。

图6 微型桩弯矩分布图2

微型桩桩深7.5 m位置出现峰值，此处桩身受力最大，峰值弯矩达到2600 N·m。微型桩表面所受应力随监测周期拉长而逐渐增加，在锚固段出现了负值(受压)，但锚固段所受应力基本不变、弯矩增量很小，说明微型桩起到了抗滑桩的嵌固效果(见表7)。

设计计算的最大弯矩为206.824 kN·m，距桩顶8.7 m，最大剪力47.059 kN，距桩顶11.4 m(见图7)。

表7 桩的弯矩值比对结果

注：设计值未考虑注浆效果，验证值考虑了浆液扩散效果。

图7 弯矩推力设计值计算图

根据以上数据对比可知，注浆效果显著提高了桩的抗弯强度，安全性显著提高。

7 结论

(1)通过对高边坡现状调查、变形原因分析和计算参数选取，采用定量评价方式对高边坡进行稳定性分析，认为高边坡处于基本稳定—不稳定状态。

(2) 综合分析采用分级刷坡卸载+微型钢管桩+排水系统+绿化措施综合治理方案。

(3)微型桩注浆加固后，得出注浆前后土体抗剪强度指标的变化，即抗剪强度指标有所提高，内摩擦角增幅尤为显著。

(4)通过注浆加固后，分析比较注浆前后边坡稳定性变化情况，与设计值进行比较，安全系数明显提高。

理论与实际监测结果表明，边坡的变形已基本趋于稳定，且变形量级在安全容许范围内，边坡处于稳定状态。

8 展望

(1)针对高陡边坡，目前《建筑边坡工程技术规范》仅适用于土质边坡高度为15 m以下(含15 m)的建筑边坡工程，超过该限定高度要求设计及施工应进行专门论证，而无准确的适用范围和详细规定条文，有待专家及学者们继续深入研究，尽早制定行之有效的规范条文，便于日后设计及施工。

(2)注浆效果的检验有待进行大量实际工程和实验验证比对，使设计更贴近于实际，达到节约成本的目的。