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工程类

深圳某边坡支护工程实例分析

点击:     发布时间: 2020-11-17 10:47

深圳地区的地貌主要以平原及台地为主,北部多为丘陵山地[1]。随着城市化的快速发展,城市愈发拥挤,越来越多的房建工程选择“依山而建”,从而形成众多的人工边坡。边坡在外界各种因素的影响下,极易发生失稳问题,从而造成严重的工程灾害,这也决定了建筑边坡支护工程的重要性。在实际的边坡工程设计中,通常根据边坡勘察资料,参考该区域内其他边坡支护工程的经验,结合安全可靠性原则和经济性原则,选择出最合理的支护方案。

本文介绍了深圳市布吉鸡公山片区某建筑边坡支护工程的设计实例,该边坡工程由于场地因素,具有复杂、多变的特征。通过支护方案的比选以及科学的计算,最终探索出最合适本工程的支护方案。

1 工程概况

拟建的某酒店边坡支护工程项目位于深圳市龙岗区布吉鸡公山片区,场地原始地貌属于低山丘陵,场地内地势由北、西、南侧至东侧为由高到低的变化趋势,原始边坡坡率约为1∶1.7,地形起伏明显,标高介于101~239m,高差138m,如图1所示。由于场地的道路规划及地下室的开挖,在场地内形成了挖、填方高边坡,边坡支护高度为8.5~50.2m不等,支护长度约为360m。根据边坡的高度及相对基坑位置的不同,本支护内容分为由于工程场地整平形成的永久性边坡和地下室开挖形成的临时性边坡。

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图1 边坡原始地貌   下载原图


2 场地地质条件概述及稳定性评估

2.1 地层岩性

根据场地内钻探揭露,边坡主要地层自上而下依次为:第四系新近堆积人工填土层(Qml)、第四系坡积层(Qdl)及第四系残积层(Qel),下伏基岩为侏罗系下统薄~中厚层金鸡组粉砂岩(J1j)。各层土层的岩土物理力学参数见表1。

表1 岩土物理力学参数     下载原表

2.2 水文地质条件

场地内地下水主要为第四系孔隙潜水和基岩裂隙水。其中,孔隙潜水受季节性影响较大,主要通过大气降水补给,以蒸发及渗流方式向低处排泄;基岩裂隙水主要接受孔隙潜水的补给,又以渗流的方式向低洼处排泄。

另外,受亚热带海洋性季风气候影响,该工程建设区域雨量充沛,降雨主要集中在夏季(占45%~47%)和秋季(占34%~36%)。

2.3 边坡稳定性评价

根据勘察资料以及场地踏勘调查,边坡顶部未出现明显的张拉裂隙,说明边坡整体稳定性良好,不易出现大面积崩塌和整体滑坡现象。另外,对勘察实测的岩层、节理产状做定性分析,绝大部分区域属于较稳定结构。但由于边坡岩体以粉质黏土及强风化粉砂岩(块状)为主,在长期的雨水浸泡、冲刷作用下,土体含水率逐渐增高,非饱和土的黏聚力及内摩擦角值反而变小,这也导致土体抗剪强度逐渐降低[2,3],局部存在掉块的可能性,因此有必要对边坡进行支护。

3 支护方案的选择

该边坡进行支护设计时,综合考虑场地条件、地质情况、边坡高度等因素,将支护范围内边坡划分为永久性边坡及临时性边坡。其中,永久性边坡是场地内规划道路、盘山路与现有地形形成的高边坡;临时性边坡是由于基坑开挖等原因在局部区域形成的暂时性边坡,坡高较矮。由于边坡支护长度较长,且各个区域坡高、地质情况亦各不相同,因而应当选择不同的支护方式分别支护,这也满足边坡工程设计中的合理性原则和经济性原则。

3.1 永久性边坡支护方案

对永久性边坡进行支护设计,需长远考虑,分析坡体可能发生的破坏形式并彻底消除不稳定因素。采取“坡脚处抗滑桩支护,开挖坡面设置格构梁+预应力锚索”的支护方式,这种支护方式可以提高抗滑桩的水平荷载抗力,改善坡体的抗滑力。

预应力锚索格构梁支护体系是一种将预应力锚索与钢筋砼格构梁相结合共同对坡体进行加固的支挡结构,在我国边坡支护工程中应用广泛[4,5],在实际工程中能体现出明显的支护效果和经济优势。加固机理主要为:钢筋砼格构梁作为锚索与坡体的连接体,能提高各锚索之间的整体性;锚索加上预应力后,对滑裂面土体产生正向压应力,使土体摩阻力增大,从而能抑制滑裂面土体的滑动,整体性地控制边坡变形,达到保证边坡稳定的目的[6]

目前,对于加固后边坡安全系数的计算,主要有基于瑞典法(亦称Fellenious法)的边坡安全系数计算式和基于Bishop法的边坡安全系数计算式[7]:

 


式中:Fs为边坡的安全系数;Pj为第j孔锚索作用于边坡的锚固力;θj为第j孔锚索轴线与锚索作用滑面处法线的夹角,θj=90-β-αj;β为锚索的倾角;γ为坡角;αj为第j孔锚索作用在滑面处的倾角;ci为土条i的黏聚力;ψi为土条i的内摩擦角;Wi为土条i的重量;li为土条i底边的长度。

3.2 临时性边坡支护方案

根据现场地质条件及周边环境安全,同时考虑造价等因素,对由于基坑开挖等原因在局部区域形成的临时性边坡采取“桩锚支护与土钉墙结合”的支护方式。这种支护方式结合了桩锚支护及土钉墙的结构特性,充分发挥两者的优点协同作用,既满足边坡安全性要求,又考虑了临时性边坡的时效性,施工便利且经济性强。

桩锚支护结构依靠排桩提供的阻滑力和锚杆提供的锚固力,使支护结构的位移减小,防止边坡土体的整体滑动及倾倒,起到维护边坡稳定的作用。由于地质条件较好,若全部采取桩锚支护则过于保守,经济性较差,因此结合土钉墙支护较为合理。土钉墙支护原理在于提高土体的整体刚度,在没有土钉的情况下,土体抗剪及抗拉强度非常低,若开挖面高度大于临界高度容易发生整体滑移;而在有土钉的情况下,土钉与周围土体形成整体,加上坡面的加强筋及挂网喷砼共同作用,有效地提高整体刚度来弥补土体抗剪、抗拉能力低的弱点,又可以保证坡面的稳定,承受土体的向下滑动,以提高边坡的整体稳定性[8]

4 支护方案的设计

依据相关规范及技术标准[9,10],永久性边坡和临时性边坡安全等级皆按一级标准进行控制。

4.1 永久性边坡支护结构设计

采用“坡脚处抗滑桩支护,开挖坡面设置格构梁+预应力锚索”的支护方式,以图2所示典型剖面为例。边坡按二级进行削坡,坡率从上到下分别为1∶0.7,1∶1,坡面设置截面0.4m×0.4m格构梁。第一级抗滑桩为截面2×1.5m间距2.5m的方桩,第二级抗滑桩为截面1.6×1.2m间距2.5m的方桩。坡面共布置10排20°的锚索(杆),第一级抗滑桩上布置2排预应力锚索。锚索采用4索的钢绞线组成,间距2.5m×2.5m;锚杆采用直径32mm的三级钢筋,长度12m,间距2.5m×2.5m。利用BIM三维建模软件对该支护剖面进行三维建模,模型见图3。

图2 永久性边坡支护剖面   下载原图


圆弧稳定分析方法采用瑞典条分法,对每一级抗滑桩后土体下滑力进行计算。经计算,第二级桩后土体总的下滑力为1312.732kN,抗滑桩总的抗滑力为1344.365kN,抗滑力大于下滑力;第一级桩后土体总的下滑力为5929.321kN,抗滑桩总的抗滑力为3999.658kN,抗滑力小于下滑力,剩余下滑力为1929.663k N,因此需在第一级抗滑桩上设置2排预应力锚索来抵挡土体下滑。

图3 永久性边坡三维模型   下载原图


4.2 临时性边坡支护结构设计

采用“桩锚支护与土钉墙结合”的支护方式,以图4所示典型剖面为例。下部为直径1.2m间距1.8m的人工挖孔桩,入中、微风化岩3m终孔,且最小嵌固深度不小于4m;桩身设置3排20°的预应力锚索,锚索采用4索的钢绞线组成,竖向间距4m,水平间距1.8m。上部土钉墙支护坡面挂网喷砼,坡率1∶1;注浆土钉采用直径22mm的三级钢筋,长度6m,间距1.5×1.5m。三维模型见图5。

图4 临时性边坡支护剖面   下载原图


图5 临时性边坡三维模型   下载原图


利用理正深基坑7.0软件对此支护方案进行验算,计算方法采用瑞典条分发,应力状态采用总应力法,计算得到整体稳定安全系数Ks=1.666,,满足规范要求;抗倾覆安全系数:

 


式中:Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩对于内支撑支点力由内支撑抗压力决定;对于锚杆或锚索,支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值;Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

求得最不利工况抗倾覆安全系数Kov=2.495>1.250,满足规范要求。

对桩锚支护开挖过程各工况的桩顶位移、弯矩、剪力值进行对比分析,结果见表2。

表2 各开挖工况下计算结果     下载原表

从表2可以看出,随着边坡向下开挖,支护桩顶位移逐渐增大;在没有锚索约束的情况下,桩身弯矩及剪力会急剧增大,而在施工锚索后的工况(工况2,4,6),由于有锚索的作用,使得弯矩及剪力最大值保持稳定,支护桩的受力更加均匀,因此得以保证支护结构的整体稳定性。

5 边坡监测设计

依据GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》[11],对边坡进行施工期及施工后期的监测布置,主要监测内容包括坡顶沉降位移监测及锚杆(索)应力监测。边坡监测是一个信息化的工程,是保障边坡安全、施工顺利的重要环节,因此应由专业人员进行监测。监测频率为施工期间2d/次,施工完成一个月内每周监测一次,竣工后每月监测一次,持续2年。

6 成果

本支护工程已通过竣工验收且投入使用,现场永久性支护结构照片如图6所示。根据施工期间以及施工完成后的监测数据,可知边坡支护结构的水平位移主要出现在土方开挖阶段,开挖到底后位移速率逐渐减缓且趋于稳定,但均未超出国家标准的允许值且预留较大的安全储备,支护效果明显,工程安全可靠。

图6 现场照片   下载原图


7 结束语

1)依托此边坡支护工程,根据不同的地质概况以及边坡形成原因,可以将边坡支护分为永久性支护及临时性支护两种。对于永久性边坡,需长远考虑,分析坡体可能发生的破坏形式并彻底消除不稳定因素;对于临时性边坡,除了需考虑周边安全以外,还要充分考虑工期、造价、施工便捷性等因素。

2)“坡脚处设置抗滑桩,坡面设置格构梁+预应力锚索”的支护方式,可以提高抗滑桩的水平荷载抗力,改善坡体的抗滑力,格构梁+锚索的组合亦可以保证桩后坡体的整体稳定性。格构梁内做绿化,可以起到防止雨水对土体的冲刷及美观的效果。且施工工艺成熟,是边坡支护中一种常用的支护形式。

3)“桩锚支护与土钉墙结合”的支护方式,依靠桩锚结构提供的阻滑力和锚固力,防止边坡土体的整体滑动及倾倒;土钉通过表面的摩擦力发挥作用,与周围土体形成整体,有效地提高整体刚度,保证坡面的稳定,提高边坡的整体稳定性。对于临时性边坡,这种支护形式能缩短工期,减少造价,取得较好的效益,可以为深圳地区的相似边坡工程积累宝贵的实例经验。

参考文献