重庆山势地形边坡支护方案优化应用于工程中的综合研究

陈 东， 唐 铭, 车汪速, 陈 翔, 方维娜

(成都建工第六建筑工程有限公司, 四川成都 610072)

作为我国西南及长江上游地区最大的经济中心城市，重庆拥有着特殊的地势环境。四周环绕的大巴山及武夷山，让重庆的地势自东南、东北、中至西部逐级降低。海拔2 796.8m的重庆巫溪县阴条岭距海拔73.1m的巫山县长江水面，海拔高差达到了2 723.7m。因此在重庆特有的山势地形上筑建工程，边坡治理则是工程人首先面临的第一难题。优化边坡设计则成为了保证重庆建设项目获得最佳的经济、社会效益的基本方式之一。

本文依托我公司承建的“中航两江体育公园E05-01/01”工程边坡治理，结合现场工程地质、水文情况、施工机械条件、工艺标准要求，按照相关的行业规范和标准对该工程初期边坡设计进行优化。制定出最合理的边坡治理方案。

1 工程概况

1.1 工程概述

工程名称：中航两江体育公园E05-01/01；工程地点：重庆市渝北区龙骏大道中航小镇内；边坡全长：450m边坡高差：17m;边坡形式；土质边坡、岩质边坡；该边坡治理工程安全等级为一级和二级，设计使用年限：50a。

需治理边坡位于拟建场地南侧呈“W”型。边坡坡底为拟建住宅小区。

1.2 水文地质条件

工程场地土层有杂填土、粉土、黏土、粗沙等，降水范围内的粗砂沙层的渗透系数均为10.0m/d。

本工程边坡开挖处的地下水位在自然地面以下6.0m，施工期间地下水稳定，做降水设计时把地下水降至边坡设计坑底以下1.0m，即该工程边坡的实际降水深度为5.0m，降水范围内的粗砂土透水性良好。

1.3 工程设计参数

根据本工程建筑场地的工程地质条件，地面下土的性质以及相关的岩土工程勘察报告，本设计所需要的数据可以按表1取值。

1.4 原边坡工程设计及参数

根据地勘报告及超前钻数据分析所得的原边坡支护形式有：1∶2.0放坡+格构绿化、重力式挡墙、桩板挡墙、下部1∶1.0放坡+锚喷四种。在1∶2.0放坡+格构绿化段，边坡为岩质边坡，支护高度约10m，土质厚度1.0m，坡向约354 °，安全等级二级。在桩板挡墙段，边坡为岩土混合边坡及土质边坡，支护高度在4.6～17.0m之间，土质厚度在4.0～8.4m范围内，坡向约316～327 °边坡安全等级为一级。在重力式挡墙段，边坡为土质边坡，土质厚约为3m，坡向约20 °，边坡安全等级为二级。放坡+喷锚段，边坡为岩土混合边坡，支护高度为5.30～10.9m，土质厚约为0.8～1.2m,坡向约32 °，边坡安全等级为二级。

1.5 现边坡地质情况分析

BP1～BP3段原边坡边坡安全等级分别为二级，支护形式为1∶2放坡支护。但工程人员现场踏勘过程中发现施工现场该区段地质情况较差。采用网喷临时支护的部分区域已经出现了开裂现象。为了保证工程安全，计划调整边坡支护方式，提升边坡支护等级。

2 支护形式对比选择

2.1 BP1～BP3段边坡

结合超前钻勘察报告数据分析，BP1～BP3段边坡坡顶段杂填土层较厚，表层下6m处有地下水(非承压水)。故结合表2数据做方案选型。

2.2 边坡支护结构方案确定

因BP1～BP3段边坡高差有10m且边坡较高、坡度较大，开挖机械不易上坡顶，故不适合降低坡度继续采用放坡开挖。因土钉墙支护及重力式围护墙支护安全等级最高只有二级且对支护后方土体扰动较大，故不采用。因现场场地较窄，不便于旋挖机进场施工，且采用跳桩法及咬合施工造价成本太高，故不选用排桩挡墙支护。支护亦不适用。综上所述，锚杆支护结构能保证边坡变形小，抗滑移、抗倾覆能力强，安全系数大，且环境影响小，经济、安全、适用。故本工程最终选用桩锚支护结构。边坡支护结构初选方案分析见表3。

表1 边坡设计所用各层土的设计参数

表2 BP1～BP3段各层土质情况(324.8～334.8)

3 结构设计

3.1 边坡上部荷载

常用材料堆放荷载值见表4。所需材料需预先堆放于边坡四周，根据工程经验以及参考临近工程，需要水泥约2 000袋，碎石800袋，砂800袋。参考表4，紧邻边坡开挖处荷载：

q=F/a·b=100kPa

(1)

式中：q为荷载值，kPa；F为重力，kN；a为基础长，m；b为基础宽，m。

3.2 边坡支护分析

边坡开挖支护结构如图1所示。开挖深度10m，地下水距离地面6.0m处，本工程采取先降水再开挖。

图1 边坡支护立面(单位:m)

3.2.1 边坡各土层土压力系数

(2)

(3)

式中：Ka为主动土压力系数；Kp为被动土压力系数；φ为内摩擦角。

3.2.2 边坡各施工段土压力及支点

(1)边坡开挖至如图所示的B点，此时第一层锚杆还没有施工，这时边坡中的排桩墙处于悬臂状态，在作设计时就按悬臂支护计算，由于此时的开挖深度只有2.5m，悬臂状态这段在该设计中不作计算。

表3 各种边坡支护结构方案

表4 常用材料堆放荷载值统计

(2)开挖到如图2所示的C点时，已经布置第一层锚杆，但第二层锚杆仍然尚未施工，此时的支护结构处于单支点支护状态，此时边坡开挖深度h=6.0m，采用等值梁法计算B点的支撑反力。

(3)施工至C点时,计算简图如图2所示，其中O点为开挖至C点时，开挖面以下土压力为零的点。

图2 边坡ABC段土压力及支点计算(单位：m)

(4)第一层锚杆施工完毕后，边坡开挖深度至设计深度。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

t0=u+x

(10)

式中：Pa为主动土压力，kPa；Pp为被动土压力，kPa；q为超荷载，kN；h为每层土深度，m；h0为支撑反力距离坑顶的距离，m；ai为主动土压力距离坑顶的距离，m；u为土压力为零点的位置距离坑底的距离，m；x为被动土压力距离弯矩为零点的距离，m；t0为桩的最小贯入深度，m；Ra为支撑反力，kN；Qi为i处的剪力，kN；γ为土重度，kN/m3；Ea为主动土压力，kPa。

PaB下=(γ1×h1+γ2×h2+q)×Ka2-

Pac上=(γ1×h1+γ2×h2+q)×.Ka2-

Ea1距离此时边坡坑底开挖面的距离

Ea2距离此时边坡坑底开挖面的距离：

此时边坡开挖面处主动土压力强度为：

PaC下=(γ1×h1+γ2×h2+q)×Ka3

=(18×2.5+20×3.5+100)×0.217=46.66kPa

此时边坡开挖面处被动土压力强度为：

ppC=0

假设此时边坡开挖面以下u处主动土压力强度为Pau，被动土压力强度为Ppu。

=46.66+1.95×u

支护桩两侧主动和被动土压力强度之差ΔP为：

ΔP1=PaC下-PpC=46.66kPa

ΔP2=Pau-Ppu=46.66-39.46×u=0

所以：

u=1.18m

边坡开挖面以下u=1.18m处总压力为：

所有合力对坑底开挖面以下u=1.18m处土压力为零的点取矩，得：

Ea1×(b1+u)+Ea2×(b2+u)+

所以RB=316.78kPa

(3)边坡开挖深度h=8.5m，此时边坡支护为两个支撑点，施工至D点时,计算简图如图3所示，其中O点为开挖至D点时，开挖面以下土压力为零的点。

图3 边坡ABCD段土压力及支点计算(单位:m)

Ea3距离此时边坡开挖面的距离为

=1.23m

此时边坡开挖面处主动土压力强度为PaD=51.54kPa

此时边坡开挖面处被动土压力强度为PpD=0

假设此时边坡开挖面以下u处主动土压力强度为Pau，被动土压力强度为Ppu，

=51.54+1.95×u

ΔP1=PaD-PpD=51.54kPa

ΔP2=Pau-Ppu=51.54+1.95×u-41.41×u

=51.54-39.46×u=0

所以u=1.31m

边坡开挖面以下u=1.31m处总压力为

所有合力对坑底开挖面以下u=1.31m处土压力为零的点取矩。

173.65×8.37+403.27×5.43+122.75×2.54+33.76×0.87-316.78×7.31-RC×3.81=0

∴RC=437.98kPa

(4)边坡开挖深度h=10.0m，此时边坡 支护为3个支撑点，施工至E点时,计算简图如图4所示，其中O点为开挖至E点时，开挖面以下土压力为零的点。

图4 边坡A～E段土压力及支点计算(单位:m)

=54.47kPa

=79.51kPa

Ea4距离此时边坡开挖面的距离为：

=0.74m

此时边坡开挖面处主动土压力强度为PaE=54.47kPa

此时边坡开挖面处被动土压力强度为PpE=0

假设此时边坡开挖面以下u处主动土压力强度为Pau，被动土压力强度为Ppu。

=54.47+1.95×u

ΔP1=PaE-PpE=51.54kPa

ΔP2=Pau-Ppu=54.47+1.95×u-41.41×u

=54.47-39.46×u=0

所以：u=1.38m

边坡开挖面以下u=1.31m处总压力为

所有合力对坑底开挖面以下u=1.38m的O点处土压力为零的点取矩

Ea1×(b1+h2+h3+u)+Ea2×(b2+h2+h3+u)+

=RB×(h2+h3+h4+u)+RC×

(h3+h4+u)+RD×(h4+u)

∴RD=35.72kPa

所有合力向B点取矩，计算剪力值Q=71.25kPa

剪力值为零的点弯矩值最大，设最大弯矩为Mmax，假设坑底开挖面以下z处剪力值为零。

(11)

此时所有合力向边坡坑底面z=1.31m取矩

Ea1×(b1+h2+h3+z)+Ea2×(b2+h2+h3+z)+

Ea3×(b3+h4+z)+Ea4×(b4+z)+Ea×0.85

=RB×(h2+h3+h4+u)+RC×(h3+h4+u)+

RD×(h4+u)+Mmax

∴Mmax=-1.82kN·m

=2.27m

t0=u+χ=1.38+2.27=3.65m

3.3 支护计算

3.3.1 桩长计算

桩的最小入土深度t，根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.1确定：

t=1.2t0

(12)

L=H+t0

(13)

式中：t0为桩嵌入土压力为零的点以下的深度标准值，m；t为桩嵌入土压力为零的点以下的深度设计值，m；L为桩长，m；H为覆土层以上的桩长，m。

由工程概况及式(11)、式(12)得：

t=1.2t0=1.2×3.65=4.38m

L=H+t0=10+4.38=14.38m

3.3.2 桩体配筋计算

根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.9.11支护桩桩径D确定多在500～1000mm，同时圆形截面的桩即可以用不对称配筋，也可以采用对称配筋。结合一期工程工程经验，取支护桩桩径D=800mm，桩距t=2.5D=2000mm，对称配筋。在上述规范4.8.3中，桩体纵向配筋选用HRB400级螺纹钢筋，直径不宜小于φ16mm，选为φ22mm，fy=360N/mm2。箍筋选用HPB235级螺旋圆钢，直径为φ8mm，箍筋间距200mm,主筋HRB400级钢筋，直径为φ14mm,混凝土C30，fc=14.3N/mm2。

M=1.25γ0(D+t)Mmax

(14)

(15)

(16)

式中：M为截面弯矩设计值,kN·m；A为圆形截面面积，m2；As为全部纵向钢筋的截面面积，m2；r为圆形截面半径，m;rs为纵向钢筋重心所在的圆周半径，m；α为受压区混凝土截面面积与全部纵筋截面面积的比值，m2。

αt为纵向受拉钢筋截面面积与As的比值，αt=1.25-2α，当α>0.625时，取αt=0；α1为受压区混凝土矩形应力与砼轴心抗压强度设计值比；2fc为混凝土轴心抗压强度设计值，kPa；fy为普通钢筋抗拉强度设计值，kPa。

由规范对应公式得：

M=1.25γ0(D+t)Mmax=1.25×(0.8+2)×1.82

=6.37kN·m

式中比例系数α取经验值0.33，α1=1.0，αt=1.25-2α1=0.59，将数据代入公式，解得桩体纵向受力筋可按最小配筋率配筋，选用10根直径为φ28mm的三级钢，A=5542mm2。

3.3.3 锚杆设计计算

根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.7.8的第3条，锚杆倾角宜取15～25 °，且不应大于45 °，不应小于10 °，同时参考一期工程的工程资料，暂定水平面倾角均为20 °。通过支撑力的计算，以及JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.7.9的第2条，本工程采用竖向三排锚杆。

对于桩间距确定，结合了土力学与结构力学。在边坡工程中，桩后土压力在水平方向上沿桩间土均匀分布，在竖向通常呈上小下大的三角形分布，因此在一定土层内结合工程概况分析便将土拱问题简单化了。因此结合式(4)、式(14) ～式(16)得：

(17)

(18)

(19)

s=l+d

(20)

式中：β为桩后填土倾角；θ为拱角；δ为破坏面与最大主应力面的夹角；d为桩的直径，m；s为桩中心间距，m；l为假设土跨度，m。

=0.714

故β=45.6°

因此：

所以根据式(18)～式(20)暂得桩间距为2.92(m)。根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.7.8的第1条，同时参考一期工程的工程资料水平间距均按2m布置。

根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.7.1的第1条，同时参考一期工程的工程资料，锚杆杆体材料均使用钢绞线。锚固段直径根据CECS22:89《土层锚杆设计与施工规范》中第2.3.3条公式：

(21)

式中：Nt为锚杆的设计轴向拉力，kN；K为安全系数，根据CECS22:89《土层锚杆设计与施工规范》中第2.3.2条，下表3.1锚杆安全系数表(表5)；fptk为钢丝、钢绞线强度标准值，根据CECS22:89《土层锚杆设计与施工规范》附录四，下表3.2钢丝、钢绞线强度标准值(表6)。

表5 锚杆安全系数

根据场地土层情况，同时参考GB50330-2013《建筑边坡工程技术规范》中的表7.2.3-2土体与锚固体粘结强度特征值，参见表3.2与3.3。结合工程地质信息得到第一排锚杆锚固体与土体间极限摩阻力标准值qs=100kPa，第二排锚杆锚固体与土体间极限摩阻力标准值qs=160kPa，第三排锚杆锚固体与土体间极限摩阻力标准值qs=50kPa，边坡安全等级为二级(表7)。

表6 钢丝钢绞线强度标准值

表7 锚杆极限摩阻力标准值 kPa

土体内摩擦角(桩长范围内)的加权平均值为：

对于锚杆的长度确定根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.7.5中提供的算法。

(22)

(23)

式中：Lf为锚头中点至边坡底面以下的边坡外侧荷载标准值与内侧抗力标准值相等出的距离，m；φk为各土层厚度加权的内摩擦角标准值；θ为锚杆与水平面的夹角；K为抗力安全系数，根据边坡安全等级选取，一级边坡取1.8，二级边坡取1.6，三级边坡取1.4；d为锚固体直径，m；qs为土体与锚固体间黏结强度标准值，参考GB50330-2002《建筑边坡工程技术规范》中的表7.2.3-2土体与锚固体粘结强度特征值，参见表3.2。

Lf=2.96m<5m,取Lf=5m。

由于第二层和第三层锚杆的Lt均小于第一层锚杆的Lt，所以其自由段长度均小于5m,所以第二层和第三层锚杆的自由段长度均取5m。

第一层锚杆水平抗力为：

Td=1.25γ0RA×2=1.25×1.0×316.78×2=791.95kN

锚杆的锚固段长度：

锚杆长度L=Lf+La=5+24=29m

第二层锚杆：锚杆水平抗力：

Td=1.25γ0RB×2=1.25×1.0×437.98×2=1094.95kN

锚杆的锚固段长度：

取La=21m

锚杆长度：L=Lf+La=5+21=26m

第三层锚杆：锚杆水平抗力：

Td=1.25γ0RC×2=1.25×1.0×35.72×2=89.3kN

锚杆的锚固段长度：

取La=6m

锚杆长度：L=Lf+La=5+6=11m

锚杆配筋图如图5所示。

图5 锚杆配筋

3.4 桩锚支护结构施工设计

根据JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中4.8中提供的锚杆支护施工步骤总结，施工顺序总体如下：

支护排桩施工—桩顶冠梁施工—土方开挖至第一层锚杆标高下0.5m，然后挂网喷射排桩的桩间混凝土面层—逐层逐根施工锚杆—安装腰梁和锚板，按要求逐根张拉至锚杆设计承载力的0.9～1.0倍后，再将锚杆进行锁定—继续开挖下一层土方并施工下一排锚杆直至边坡开挖到设计坑底。

3.5 经济指标

本工程的排桩、腰梁以及冠梁的钢筋用量和锚索的钢绞线的用量如表8所示。

表8 钢筋及钢绞线用量 kg

4 支护效果

4.1 边坡稳定性分析目的

在边坡开挖的时候，由于边坡中的土体被挖出后，荷载减小，使地基应力场与变形发生一定的变化，可能会导致边坡的稳定性下降。同时，在边坡降水之后土体的自稳能力也会发生改变，从而导致边坡开挖过程中预估稳定性下降，所以应该及时准确进行边坡稳定性验算：抗隆起验算，抗倾覆验算，以及抗渗流稳定性验算。例如边坡整体或局部的滑坡，边坡底部的隆起以及涌沙等。所以进行边坡的支护设计的时候，需要仔细验算边坡的稳定性，同时做好监测工作。必要时应该采取适当的加强和防范措施，使边坡稳定性具有一定的安全度，保证边坡开挖的整个过程是安全的。

4.2 边坡稳定性验算

4.2.1 抗倾覆稳定性验算

通过规范JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中第4.2.3查得公式：

(24)

(25)

式中：Ks为桩墙锚撑支护结构的抗倾覆稳定安全系数；MEp为支护结构底部以上被动侧水土压力对支护结构最底部点的弯矩，kN/m；MEa为支护结构底部以上主动侧水土压力对支护结构最底部点的弯矩，kN/m；Ti为第i个支撑对支护墙体的水平作用力，但锚杆按θ角设置时，Ti=Tkicosθ，其中，Tki为锚杆锚固力，kN；di为第i个支撑点至支护墙体底部的距离，m；si为第i个支撑的水平间距。

结合上部结构设计所得数据：

=106.4kN·m，MEp=0

故满足要求。

4.2.2 抗隆起稳定性验算

采用太沙基的地基承载力公式计算方法，通过规范JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中第4.2.4查得公式：

(26)

(27)

(28)

式中：Kwz为抗隆起安全系数，采用太沙基公式时，要Kwz≥1.15～1.25；c为加权粘聚力，kN；γ1为坑内开挖面以下至围护墙底，各土层重度加权平均值，kN；γ2为坑外地表至围护墙底，各土层重度加权平均值，kN；Nc、Nq为地基承载力系数。

根据工程概况提供数据得：

γ1=21kN/m3,

查太沙基公式承载力系数表得：

Nc=25,Nq=12

因此满足要求。

4.2.3 抗渗流稳定性验算

通过规范JGJ120-2012《建筑边坡支护技术规程》中附录C渗透稳定性验算中C.02查得公式：

(29)

式中：Kse为抗渗透安全系数，安全等级为二级Kse不小于1.5；D为截水帷幕底面至坑底的土层厚度，m；D1为潜水水面或承压水含水层顶面至坑底面的土层厚度，m；γ′为土的浮重度，kN/m3；γw为水重度，kN/m3；Δh为边坡内外的水头差，m。

结合工程概况以及式(29)得：满足所需要求。

综上所得，边坡的抗倾覆验算，抗隆起验算，抗渗流验算均符合规范要求。故边坡在理论设计中满足稳定性要求。

5 结论

本论文结合中航两江体育公园E05-01/01项目工程中临时边坡支护出现的开裂现象，结合超前钻施工勘察报告及施工组织计划，对局部区域的永久边坡支护方案进行了优化。根据相关规范要求对各土层的土压力做出了计算。对比各支护方案后，因地制宜的制定出采用桩锚支护的方案对边坡进行加固。然后结合规范及参考文献，通过算出每层桩所需的支撑反力，而得出桩所需打入深度为14.38m。锚杆倾角为20 °，采用三排竖向的形式布置，桩间距为2m。第一层锚杆长29m，第二层锚杆长26m，第三层锚杆长11m。依据GB50010-2010(2015版)《混凝土结构设计规范》按受弯构件配筋的要求对进而算出所需配筋，计算所得锚杆全采用7φ5的钢绞线，而桩体则选用10根直径为28mm的三级钢。最终该部分边坡的永久支护方案制定为桩锚支护。