兰州徐家湾某边坡治理工程二次加固措施研究

陈秀清,王宝玉,魏金龙,闫 飞

(1.兰州资源环境职业技术大学地质与珠宝学院,甘肃 兰州 730022;2.甘肃智广地质工程勘察设计有限公司,甘肃 兰州 730010)

兰州市地形狭长,是典型的山地-河谷城市,近年来由于气候条件的变化以及人类活动的加剧,边坡滑坡、崩塌等地质灾害时有发生,兰州已成为我国地质灾害最为严重的省会城市之一[1-2]。采取有效的支护方式对边坡进行加固成为边坡治理工程的重中之重[3]。目前,针对边坡和基坑稳定性问题,石钰锋等[4]应用数值模拟方法对紧邻铁路偏压基坑的变形进行了系统研究;王启云等[5]对临近深基坑的边坡变形进行了动态监测与分析;Chen等[6]对斜坡基岩上的基坑开挖变形进行了数值模拟分析;任东兴等[7]基于ABAQUS研究了降雨入渗对于基坑边坡稳定性的弱化机理;董辉等[8]通过室内人工强降雨对不同坡度下碎石土边坡的变形特征进行了相关研究;Zhang等[9]调查研究了开挖边坡变形破坏的触发因素;Lei[10]针对人工开挖对黄土边坡稳定性造成的影响进行了数值模拟研究;Kong等[11]在考虑地震荷载情况下分析了人工开挖对边坡稳定性的影响。

但现有的研究成果主要是对边坡和基坑的稳定性进行分析,对边坡和基坑在支护工程实施后整体稳定性不足情况下的变形特征以及后期二次加固措施的研究较少。鉴于此,本文以兰州市徐家湾项目X9边坡支护及坡脚基坑工程为背景,通过对该边坡变形的长期监测,对支护后的边坡位移及支护效果进行了分析,并针对边坡支护工程稳定性不足问题提出了二次加固的思路及措施,最后采用数值模拟方法对该边坡治理工程二次加固措施的有效性进行了验证,以期为类似边坡治理工程提供参考方案。

1 工程概况

兰州徐家湾边坡治理工程位于兰州市城关区黄河北岸徐家湾,X9边坡位于徐家湾北侧,为岩质边坡,走向呈东—西向。经边坡治理与下部基坑工程改造,现状边坡分为三级:最下部一级边坡为工程建设开挖形成的最高约23 m的人工边坡,一级边坡平台宽为10～15 m;二级边坡为灾害治理形成的人工边坡,主要工程为抗滑桩,边坡高约15 m;三级边坡为自然斜坡。兰州徐家湾X9边坡总高为140 m,宽为232 m,坡度为30～50°,坡向为210°。

该边坡无工程覆盖区域出露的地层主要为变质岩,受风化作用以及金城关断裂的影响,岩体破碎,节理裂隙发育,表层岩体产状不明显,下部中分化层产状为175°∠43°,坡体中下部表面披覆有一层2 m厚的碎石土,坡脚低洼处为残坡积土,边坡前缘为前期边坡和基坑治理工程,坡脚规划有居民住宅楼。兰州徐家湾某边坡全貌,如图1所示。

图1 兰州徐家湾某边坡全貌Fig.1 Overall view of a slope in Xujiawan,Lanzhou

2 边坡治理工程现有加固措施及效果分析

2.1 边坡治理工程现有加固措施

本文选取兰州徐家湾某边坡治理工程K370截面进行计算分析,该截面处边坡以及下部基坑已进行加固处理,已施作支护如图2所示。其中,上部边坡治理工程为抗滑桩加锚索支护,桩长为25 m,桩心距为6 m,嵌固深度为10 m,悬臂长度为15 m,桩断面为2 m×3 m矩形;下部基坑总深度为23 m,分两级支护,上段坡(二级坡)高为6 m,按永久工程考虑,采用锚索框架格构支护,格构间距为2.5 m,共布设5排锚索,下段坡高为16 m,采用锚索排桩加固,桩间布设1排3束ΦS15.2 mm钢绞线预应力锚索,锚索长度为21～23 m。

图2 兰州徐家湾某边坡治理工程既有支护结构示意图 Fig.2 Existing supporting structure diagram of a slope treatment project in Xujiawan,Lanzhou

2014年5月该边坡治理工程开始实施,同年6月基坑支护工程开工,2016年基坑支护工程侧坡出现变形,同期上部边坡支护抗滑桩出现变形,如图3所示。

图3 兰州徐家湾某边坡K370截面处抗滑桩外倾Fig.3 Extroversion of anti-slide piles at section K370 of a slope in Xujiawan,Lanzhou

该边坡的变形主要表现为坡面坡积层、风化层的滑动和既有抗滑桩的位移变形,如图4所示。基坑支护工程变形主要集中在上部锚索框架区域,表现为锚索大面积脱锚,下部锚索排桩段也存在部分脱锚、桩间土溜滑等现象,故对下部基坑采取了快速反压的应急处置措施,反压处置后对基坑支护工程变形进行了长期监测。

图4 兰州徐家湾某边坡抗滑桩位移变化图Fig.4 Variation diagram of anti-slide pile displacement of a slope in Xujiawan,Lanzhou

2.2 边坡变形监测数据分析

基坑和边坡支护工程出现变形后,采取了快速反压的应急处理工程措施进行临时处置,反压处置后对边坡和已实施的治理工程从2018年1月开始监测,对抗滑桩从2018年3月开始监测,分别对边坡坡体的水平位移和垂直位移进行监测以及对部分抗滑桩的水平位移和垂直位移(沉降)进行监测,每个月采集数据进行分析,截至2020年12月,边坡和抗滑桩变形已经监测约34个月。该边坡坡体位移监测点平面位移量示意图,如图5所示。

注:位移量为2018年3月10日至2020年12月30日的累计位移量。图5 兰州徐家湾某边坡坡体位移监测点平面位移 量示意图Fig.5 Plane displacement diagram of displacement monitoring points of a slope in Xujiawan, Lanzhou

本文选取该边坡部分典型抗滑桩及坡体位移监测曲线进行分析,如图6和图7所示。

图6 兰州徐家湾某边坡典型抗滑桩桩顶位移监测曲线Fig.6 Typical anti-sliding pile displacement monitoring curves of a slope in Xujiawan,Lanzhou

由图6可以看出:

1) 该边坡各抗滑桩沉降变形速率在前期发展较快、后期逐渐趋于平稳。这是由于监测初期,边坡整体已出现蠕动变形下滑,坡体下滑力较大,加之基坑内快速反压回填的土方量较少且处于虚填状态,不能提供足够的抗滑力,致使边坡蠕动变形持续;监测后期,基坑内的回填土方在自然沉降和边坡下滑综合作用下逐渐密实,加之根据变形趋势后续增加了基坑内回填土方量,致使边坡坡脚整体抗滑力增加,原始边坡与坡脚反压回填土形成整体,边坡蠕动趋于稳定,其变形趋于缓慢。

2) 从抗滑桩最终沉降变形量来看,该边坡K370截面处抗滑桩桩顶沉降量最大,最大沉降量为76.9 mm,后期抗滑桩桩顶沉降速率减缓至0.03 mm/d。

3) 该边坡抗滑桩各抗滑桩桩顶水平位移监测曲线和沉降监测曲线类似,抗滑桩桩顶水平位移速率也表现为前期发展较快、后期逐渐趋于平稳的趋势。

通过分析该边坡部分典型坡体位移监测点位移监测曲线(图7)可知:该边坡坡体各监测点水平位移变形同样经历了初期发展迅速、后期逐渐趋于稳定的过程;从坡体各监测点最终沉降变形量来看,坡体S6监测点水平位移量最大,最大水平位移量为409.5 mm,后期坡体沉降速率减缓至1.75 mm/d;坡体各监测点竖向沉降整体较为稳定,竖向沉降发展一年后逐渐趋于稳定,最大沉降值为83.8 mm,后期坡体沉降速率减缓至0.17 mm/d。

在监测前期阶段,该边坡抗滑桩桩顶和坡体位移均出现大幅度变化,考虑可能原因为兰州雨季时间主要集中在6～8月份,该时段雨水较多,为此本文统计了兰州市2018年的降雨量,该年份降雨量直方图如图8所示。

图8 兰州市2018年降雨量直方图Fig.8 Rainfall histogram of Lanzhou City in 2018

由图8可以看出:兰州市2018年7～9月份降雨量较大,对应于该边坡抗滑桩桩顶位移和坡体位移监测结果的剧烈变化时期。

分析认为:雨水沿该边坡坡体上密布的裂缝渗入坡体,加大了坡体重量,致使坡体下滑力增大,造成抗滑桩桩顶水平位移增长较快。该边坡K369截面处抗滑桩桩顶水平位移量最大,最大水平位移量为309.2 mm,后期抗滑桩桩顶沉降速率减缓至0.07 mm/d。

2.3 边坡治理效果分析

根据该边坡典型抗滑桩位移监测结果可知,该边坡经长时间蠕滑后,抗滑桩桩顶和坡体变形速率减慢并趋于收敛,但抗滑桩桩顶水平位移总量较大,不满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中第19.1.7条[13]的要求。

整体上来看,该边坡抗滑桩桩顶和坡体变形速率减缓,但变形仍在继续,应对其继续进行监测。边坡坡体、抗滑桩的变形属于缓慢变形,应及时修补坡体周边裂缝,以防雨水渗入,并加快施工进度,同时需要对该边坡进行二次加固。

3 边坡二次加固

3.1 边坡二次加固思路

该段边坡目前已经采取一定的反压处置工程措施,但反压规模和压实度有限,通过分析边坡变形监测结果可知,已有支护工程以及回填反压措施虽然可以减缓边坡坡体位移,但由于坡面临地界线和前部拟建高层红线的限制,后期基坑仍要开挖,因此不建议采取永久性回填反压措施:加强反压体宽度和反压高度。

根据现场调查和监测数据,该边坡经过长时间的变形,上部抗滑桩已经发生整体位移和倾斜,其最大位移量为42 cm,最大倾角为3°,根据边坡现状特征和变形过程,分析该边坡变形过程中可能存在的3处潜在的滑裂面,如图9所示。在基坑开挖至底标高后,该边坡上部坡体及抗滑桩水平位移较大,锚索框架区域拉裂严重,出现崩塌,说明边坡变形主要沿2号滑面;该边坡下部排桩区域锚索脱锚,排桩出现小变形,推测边坡3号滑面也存在滑裂可能,边坡3号滑面位于抗滑桩嵌固端下部,抗滑桩基本失去支挡效果,因此需要对边坡上部抗滑桩位移进行约束,并对边坡下部基坑支护工程进行加固,以稳固上部抗滑桩嵌固端。

图9 兰州徐家湾某边坡滑面示意图Fig.9 Schematic diagram of the sliding surface of a slope in Xujiawan,Lanzhou

3.2 边坡潜在滑面剩余下滑力计算

为保证该边坡潜在滑面的稳定,选取自重、自重+暴雨、自重+地震3种工况,计算了该边坡2号、3号潜在滑面的剩余下滑力。

传递系数法计算边坡剩余下滑力的公式如下:

Ei=KTi+Ei-lφi-l-Ri

(1)

式中:Ei、Ei-l分别为第i条块、第i-l条块的滑坡推力(kN);K为边坡安全系数;Ri为第i条块的抗滑力(kN);φi-l为第i-1条块的传递系数;Ti为第i条块下滑力(kN)。

对2号潜在滑面按照永久边坡考虑,对3号潜在滑面按照临时边坡考虑,分别计算该边坡潜在滑面剩余下滑力,其计算结果如表1所示。

表1 兰州徐家湾某边坡潜在滑面的剩余下滑力计算结果

3.3 边坡二次加固措施

上段边坡现状为锚索抗滑桩支护,建议采取钢筋混凝土框架格构加锚索形式进行二次加固,该框架格构布设于既有抗滑桩外侧,格构竖肋间距为2.6 m与3.4 m间隔分布,共布设3排横梁,距既有抗滑桩桩顶距离分别为5.0、9.0、15.0 m,横梁与格构竖肋交点处布设锚索,采用9束ΦS15.20 mm钢绞线制作,设计预应力均为740 kN。

该边坡上段边坡二次加固工程剖面图,如图10所示。

图10 兰州徐家湾某边坡上段边坡二次加固工程剖面图Fig.10 Sectional view of the secondary reinforcement project of the upper slope of a slope in Xujiawan,Lanzhou

该边坡下段边坡总高度为19.5 m,分2级治理。上部既有锚索框架格构区高度为10.9 m,采用十字梁锚索形式加固,十字梁布设于既有锚索框架框格中心,共布设5排锚索,距上部规划消防通道标高分别为0.9、2.9、5.4、7.9、10.1 m,自上而下长度分别为34、32、30、28、26 m,最上部两排锚索采用9束ΦS15.20 mm 钢绞线制作,其余4排锚索采用7束ΦS15.20 mm 钢绞线制作。上部两排锚索设计预应力为740kN,中间两排锚索设计预应力为560 kN,下部两排锚索设计预应力为210 kN;下部既有排桩支护区高度为8.6 m,采用20a槽钢腰梁+锚索形式加固,共布设两排锚索,采用3束ΦS15.20 mm钢绞线制作,距既有排桩桩顶分别为1.5m和5.0m,长度分别为23m和18m,设计预应力均为210 kN。

该边坡下段边坡二次加固工程剖面如图11所示。

图11 兰州徐家湾某边坡下段边坡二次加固工程剖面图Fig.11 Cross-sectional view of the secondary reinforcement project of the lower slope of a slope in Xujiawan,Lanzhou

3.4 边坡二次加固措施验算

对基坑标高以上部分,按照2号潜在滑面计算边坡的剩余下滑力,对基坑标高以下部分,按照3号潜在滑面计算边坡的剩余下滑力,据此计算出边坡剩余下滑力的水平分力,并通过统计锚索间距、锚索排数等信息后,可计算出设计锚索轴向拉力,如表2所示。

表2 设计锚索轴向拉力验算

4 边坡治理工程二次加固效果数值模拟分析

4.1 数值模型建立

为了验证该边坡二次加固措施的有效性,本文采用有限元软件Midas/GTS开展了相同工况下该边坡治理工程二次加固效果的数值模拟,建立了边坡支护体系有限元模型,地层土体采用各向同性莫尔库伦模型,抗滑桩桩身采用平面应变单元,锚索采用植入式桁架单元。其中,抗滑桩桩长为25 m,嵌入全风化片岩地层深度为9.2 m;锚索长度均按照图10和图11设置。根据现场地勘资料,选取的该边坡岩土体及桩单元物理力学参数见表3,建立的边坡支护体系有限元计算模型见图12。

表3 兰州徐家湾某边坡岩土体及桩单元物理力学参数

注:图中虚线为边坡已支护锚索,实线为边坡二次加固锚索。图12 兰州徐家湾某边坡边坡支护体系有限元计算模型Fig.12 Finite element calculation model of support system of a slope in Xujiawan,Lanzhou

4.2 模拟计算结果与分析

4.2.1 边坡稳定系数计算

鉴于强度折减法在边坡稳定性分析方面有更好的适用性[12],本模型采用Midas/GTS并利用强度折减法对该边坡稳定性进行定量评价,计算了边坡的稳定系数,结果显示该边坡经二次加固后,边坡稳定系数为1.37。根据《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中第5.3.2条[13]的规定:在自然工况下,边坡的稳定系数应大于1.35。由此可知该边坡经过二次加固后,可满足规范的要求。

4.2.2 边坡土体最大剪应变分析

经有限元数值计算,可得二次加固后该边坡土体最大剪应变云图,如图13所示。

注:图中百分比表示该颜色所占面积在整个云图中所占比例,下同。图13 二次加固后兰州徐家湾某边坡土体最大剪切应变 云图Fig.13 Cloud map of maximum shear strain of soil of a slope after secondary reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由图13可知:由于基坑开挖导致本该从基坑底部排桩处剪出的滑面,在下部基坑经过锚索二次加固后,该边坡土体剪切应变很小,说明经过二次加固处理后,锚索将浅层风化土层与较深层中风化片岩联系在一起,使滑体不易滑动,边坡稳定性增强,说明锚索的加固效果良好。

4.2.3 边坡位移分析

兰州徐家湾某边坡反压回填后与锚索加固后水平位移云图的比较,如图14和图15所示。

图14 反压回填后兰州徐家湾某边坡水平位移云图Fig.14 Cloud map of horizontal displacement of a slope after backfill in Xujiawan,Lanzhou

图15 锚索加固后兰州徐家湾某边坡水平位移云图Fig.15 Cloud map of horizontal displacement of a slope after anchor reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由图14和图15可以看出:锚索加固后该边坡水平位移变形主要发生在碎石层和强风化片岩表层,由图15中标记的部分特征点水平位移可知,边坡水平位移主要发生在抗滑桩以上碎石土层,抗滑桩桩顶水平位移为37 mm,桩基嵌固端顶端地面处最大水平位移为7.6 mm,基坑内排桩顶部水平位移为6.6 mm,基本满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中第13.2.9条规定的要求;将采用反压回填措施后边坡水平变形的监测结果与反压回填后边坡水平位移云图(反压回填后实测抗滑桩桩顶水平位移为200 mm,数值模拟计算的抗滑桩桩顶水平位移为215 mm)进行比较可知,该锚索加固措施对于边坡水平变形的影响显著,可有效抑制边坡的水平变形。

兰州徐家湾某边坡反压回填后与锚索加固后竖向位移云图的比较,如图16和图17所示。

图16 反压回填后兰州徐家湾某边坡竖向位移云图Fig.16 Cloud map of vertical displacement of a slope after backfill in Xujiawan,Lanzhou

图17 锚索加固后兰州徐家湾某边坡竖向位移云图Fig.17 Cloud map of vertical displacement of a slope after anchor cable reinforcement in Xujiawan,Lanzhou

由图16和图17可以看出:锚索加固后该边坡整体竖向位移较小,边坡坡体和抗滑桩竖向位移均在50 mm左右,基坑侧坡以及排桩区域竖向位移较小,均小于10 mm,满足《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)中第19.1.7条和《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)中第5.3.4条[14]规定的要求;将采用反压回填措施后该边坡竖向位移的监测结果与反压回填后边坡竖向位移云图(反压回填后实测坡体竖向沉降为75 mm左右,与数值模拟计算值73 mm结果较吻合)进行比较可知,该锚索加固措施对于边坡竖向沉降的影响较为明显,可有效控制边坡的竖向变形。

经数值模型计算,该二次加固措施对边坡的加固效果整体较好,可满足该边坡基坑开挖后允许变形的要求,且边坡稳定性良好,在基坑开挖后可以进行基坑内主体工程的建设。

5 结 论

本文以兰州市徐家湾某边坡治理工程项目为依托,通过对该边坡加固后位移监测数据进行分析,得出边坡现有加固措施的加固效果,并在此基础上,提出了二次加固措施以确保边坡的长期稳定,最后采用数值模拟方法验证该边坡二次加固措施的有效性,得出如下结论:

1) 边坡出现明显变形后,经过反压回填后坡体仍然会发生较长时间的变形,后期抗滑桩变形和边坡坡体位移均趋向于稳定,但由于反压规模和反压土体压实度有限,且后期该基坑需开挖进行建筑主体工程建设,反压回填措施无法提供边坡永久性支护,应在基坑开挖后继续对该边坡进行合理的二次加固。

2) 为了保证基坑开挖后不影响临近边坡的稳定性,提出了对抗滑桩部分采用十字梁锚索形式加固、下部基坑锚索框架格构区域增设锚索的二次加固措施,经数值模拟计算,该二次加固措施可以有效限制边坡位移,增强基坑开挖后边坡的稳定性。该方法可为类似边坡加固提供参考。