关于高填方边坡的地基处理方案对比分析

刘立锋

中国成达工程有限公司 成都 610041

在山区化工装置的场平设计中，经常会遇到高填方边坡，如何保证高大边坡的稳定，一直以来是岸土工程研究的热点问题。当填方边坡下地基土的力学性能较好时，边坡的稳定可以满足，可不做处理。当地基土的力学性能较好时，边坡的整体稳定满足不了要求时，需对边坡及地基采用相关的加强措施以保证边坡的整体稳定。边坡的失稳主要原因是边坡在自重和附加荷载作用下，因边坡回填土及地基土的抗剪强度不足，在边坡内部形成了一个滑动面，滑动面以上的土体整体滑出，具体见图1所示。该滑动面的大小和位置随土体的抗剪强度而变化，土体的抗剪强度越大，滑动面的位置越深，滑动面的长度越长，相应的边坡稳定的安全系数越大。因此，对于边坡稳定的加强措施就是增强滑动面周边范围内的土体的抗剪强度。增强的措施有多种，通过设置土工格栅加强回填土的强度；对于浅层滑面，可以通过强夯增加地基土的强度；对于深层滑面，可采用钻孔灌注桩或高压旋喷桩或碎石桩来进行深层地基的处理。

图1 边坡滑动面

1 边坡稳定加固措施分析

对于边坡稳定的加固措施有多种，但哪一种措施最合适，还是要根据边坡具体的高度、回填土及地基土的力学性能进行具体分析。以下以某一项目的高填方边坡为例，根据其场地的实际情况，拟采用土工格栅、钻孔灌注桩以及高压旋喷桩3种方式进行边坡的加固，并通过有限元模型对边坡的整体稳定性进行分析，对比各种加固措施对边坡整体稳定性的影响效果，并根据分析结果给出最适用于本边坡的具体加固措施的建议。

1.1 边坡稳定分析条件

该边坡的最高高度为35.5m，坡率为1：1.75，边坡沿高度方向每8m设一马道，马道宽3m。具体断面尺寸见图2。

图2 断面尺寸图

边坡回填土及边坡以下地基土的力学参数见表1。

表1 地基土的力学参数

1.2 边坡稳定分析工况

在边坡分析过程中，主要考虑2个设计状况：正常使用设计状况和地震设计状况。其中，正常使用设计状况包括自重和上部附加荷载70kN/m2，地震设计状况除包含正常作用状况下的荷载外，还要考虑五千年一遇的水平地震作用，即0.075g的水平地震力，这两个工况也是一般边坡稳定分析的主要工况。

1.3 边坡稳定分析中采用的加固措施

在分析过程中，对于边坡的加固措施，选用3种加固方式：①土工格栅，土工格栅间距为2.0m，土工格栅的长期强度为100kN/m；②钻孔灌注桩，桩径为1.5m，间距为3m，位于边坡的下端；③高压旋喷桩，桩径为0.5m，间距为2m，位于边坡底端自坡脚20m范围内，旋喷桩的设计强度为5MPa。对于每一种加固措施，分别建立有限元模型进行分析，得到相应的边坡稳定的安全系数。

1.4 有限元模型

本次分析采用PLAXIS-2D岩土有限元软件进行分析，对于边坡中的土体，采用15节点平面应变单元进行模拟，采用摩尔库仑模型考虑土体的弹塑性，对于桩，采用板单元进行模板，对于土工格栅，采用土工格栅单元进行模拟。具体的有限元模型见图3。

图3 有限元模型

2 边坡稳定分析结果

为得到不同加固措施对边坡整体稳定的影响效果，对边坡未加固情况下的整体稳定性进行了分析，具体结果如下：

2.1 边坡未加固时的整体稳定结果

根据规范要求，边坡的稳定计算需要考虑两种设计状况，分别为正常使用状况和地震状况，以下是两种设计状况下的分析结果：

2.1.1 正常使用状况下的整体稳定

在正常使用状况下，边坡只受自重和上部附近加荷载的作用，该工况下的稳定系数Sf=1.371，变形图及安全系数见图4。

图4 正常使用设计状况下的安全系数

2.1.2 地震状况下的整体稳定

在地震状况下，边坡除了受自重和上部附加荷载外，还承受五千年一遇地震荷载的作用，该工况下的稳定系数Sf=1.102，变形图及安全系数见图5。

图5 地震设计状况下的安全系数

如果上述分析得到的安全系数满足杆关规范要求，可不进行边坡加固处理；如不满足，则需要加固处理。本项目的边坡不满足相关规范要求，需进行边坡加固处理，以下是不同加固方式得到的整体稳定安全系数。

2.2 采用土工格栅加固后边坡的整体稳定结果

对应于边坡未设置加固措施的设计工况，采用加固措施后仍按两种设计状况给出结果，具体如下：

2.2.1 正常使用状况下的整体稳定

根据有限元分析，使用土工格栅加固时正常使用设计状态下的安全系数Sf=1.443，分析得到的变形图及安全系数见图6。

图6 土工格栅加固时正常使用设计状况下的安全系数

2.2.2 地震状况下的整体稳定

根据有限元分析，使用土工格栅回固时地震设计状态下的安全系数Sf=1.159，分析得到的变形图及安全系数见图7。

图7 土工格栅加固时地震设计状况下的安全系数

2.3 采用钻孔灌注桩加固后边坡的整体稳定结果

采用钻孔灌注桩加固措施后按两种设计状况给出的分析结果，具体如下：

2.3.1 正常使用状况下的整体稳定

根据有限元分析，采用钻孔桩时正常使用设计状态下的安全系数Sf=1.466，分析得到的变形图及安全系数见图8。

图8 钻孔灌注桩加固时正常使用设计状况下的安全系数

2.3.2 地震状况下的整体稳定

根据有限元分析，采用钻孔桩时地震设计状态下的安全系数Sf=1.18，分析得到的变形图及安全系数见图9。

图9 钻孔灌注桩加固时地震设计状况下的安全系数

2.4 采用高压旋喷桩加固后边坡的整体稳定结果

采用高压旋喷桩加固后按两种设计状况给出的分析结果，具体如下：

2.4.1 正常使用状况下的整体稳定

根据有限元分析，采用钻孔桩时正常使用设计状态下的安全系数Sf=1.562，分析得到的变形图及安全系数见图10。

图10 高压旋喷桩加固时正常使用设计状况下的安全系数

2.4.2 地震状况下的整体稳定

根据有限元分析，采用钻孔桩时地震设计状态下的安全系数Sf=1.264，分析得到的变形图及安全系数见图11。

图11 高压旋喷桩加固时地震设计状况下的安全系数

2.5 整体稳定结果汇总

对上述不同加固措施进行整体稳定分析，得出的结果进行汇总整理后得到表2。

表2 不同加固措施进行整体稳定分析汇总表

根据表2汇总结果，可得到不同加固措施下边坡安全系数的百分比，见表3。

表3 固措施下边坡安全系数的百分比

由表3汇总结果可知，对于该项目的边坡来说，采用不同的加固措施均可提高边坡的稳定性，但加固后的效果却不同，其中，土工格栅加固效果一般，钻孔灌注桩的效果较好，高压旋喷桩的加固效果最好。

3 结语

由上述结果可知，采用高压旋喷桩加固边坡时，无论是在正常使用设计状况还是在地震设计状况下，边坡整体稳定安全系数提高得最快，因此从技术方面，对该项目的边坡采用高压旋喷桩是最有效的加固措施，建议在设计中选用。当然，实际实施过程中还要考虑各种加固措施的经济性和施工可行性。