基于理正巖土軟件對黏土軟化造成邊坡失穩(wěn)處理的理論分析與研究

楊 波

(中鐵五局集團建筑工程有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

0 引言

貴陽市人民大道是貴陽市打造的首條海綿城市大道，道路線位與既有軌道交通1號線幾乎重合，位于軌道交通1號線區(qū)間上方3～8 m，道路線位與既有黔靈西路交叉路口下方設(shè)有地下商場一座，地下商場基坑施工過程中，因東側(cè)邊坡上部化糞池泄漏致邊坡土體“溜塌”[1]。常規(guī)的處理一般有削坡、坡頂卸載、坡腳壓載，結(jié)合實際情況施工單位按經(jīng)驗以加設(shè)反壓碼的形式對塌方處進行常規(guī)處理，處理完畢后邊坡基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?？墒羌釉O(shè)反壓碼的形式對邊坡滲水真的有效嗎，理論依據(jù)是否充分呢，畢竟是工程人員的經(jīng)驗技術(shù)，能否經(jīng)得起推敲。

1 工程概況

“人民大道北段(一期)道路工程—黔靈西路地下商場”位于人民大道中樁里程K2+289～K2+403 m處，是一個商業(yè)性地下商場，商場平面為“口”字形，南北向長88.8 m，東西向?qū)?6.0 m，地下商場頂板設(shè)計高程1063.852 m，地下商場底板標高1057.252 m，設(shè)計為1F地下商場，基底為50 cm碎石+10 cm素混凝土墊層，基坑采用明挖法施工。

基坑開挖后地下商場形成7～11.98 m(地表距地下商場結(jié)構(gòu)底面距離)的基坑邊坡。邊坡巖土構(gòu)成為雜填土(Qml)、紅黏土(Qel+dl)及安順組白云巖，基坑開挖后，主要形成土質(zhì)邊坡，局部為土層+白云巖組合邊坡(表1)。

表1 各巖土層工程參數(shù)Tab.1 Engineering parameters of the rock and soil layers

根據(jù)邊坡巖土構(gòu)成(圖1)、巖層產(chǎn)狀、基坑周邊情況及基坑暴露時間，設(shè)計定義為二級基坑邊坡。邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.25，邊坡采用1∶1放坡結(jié)合錨桿噴射混凝土的方式施工，錨桿長度4.5 m，錨固段4 m，自由端0.5 m，按20°傾角鉆孔，錨桿間距為2 m×2 m。

圖1 邊坡土層現(xiàn)狀示意圖Fig.1 Current situation of the soil layers of the slope

地下商場東側(cè)基坑邊坡距既有臨時道路約4 m，東側(cè)邊坡施工完畢后，坡頂外側(cè)2 m地表下約3 m處化糞池發(fā)生泄漏，次日基坑邊坡出現(xiàn)局部溜塌(圖2)，溜塌長度約10 m，溜塌深度約5 cm，且有繼續(xù)向下發(fā)展的趨勢，為防止基坑滑塌，施工單位果斷采取坡腳加設(shè)反壓碼的形式進行溜塌治理，沿坡腳順坡澆筑高3 m，寬2 m的C20素混凝土擋墻一道，擋墻嵌入基底20 cm。反壓碼施工完畢后，邊坡溜塌現(xiàn)象得到制止，經(jīng)觀測，基坑變形速率滿足規(guī)范。

圖2 邊坡溜塌現(xiàn)狀Fig.2 Current situation of the slope collapse

2 塌方處理方案的理論分析

施工過程中，對于常規(guī)邊坡塌方，施工單位一般都會不加思索的采取削坡、坡頂卸載、坡腳壓載三種方式對邊坡進行即時處理[2]，黔靈西路地下商場東側(cè)邊坡坡頂無堆載，坡頂緊鄰既有臨建道路，常規(guī)處理中最快、最安全、最有效的治理方式莫過于坡腳壓載。

2.1 原設(shè)計方案的邊坡受力分析

根據(jù)設(shè)計要求，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)取1.25，根據(jù)現(xiàn)場實際開挖情況量測，東側(cè)邊坡開挖后形成雜填土+硬塑紅黏土組合邊坡。

考慮到設(shè)計選取斷面與實際開挖斷面不一致，根據(jù)東側(cè)實際開挖情況建模，采用理正巖土工程計算分析軟件進行實際分析，巖層模型如圖3。

根據(jù)軟件要求輸入各地層數(shù)據(jù)，采用瑞典條分法，自動搜索最危險滑裂面，考慮到邊坡高度僅11.11 m，為精確計算，條分法的土條寬度取 0.5 m，搜索時圓心和半徑步長均取 1 m，計算簡圖如圖4。

圖4 受力計算簡圖Fig.4 Stress calculation diagram

根據(jù)軟件計算結(jié)果，按設(shè)計工況下施工，土體總的下滑力=753.522(kN)，總的抗滑力=1223.428(kN)，邊坡整體趨于穩(wěn)定，邊坡滑動安全系數(shù)為1.624>1.25，符合設(shè)計及規(guī)范要求。也就是說，在自然狀態(tài)下，按設(shè)計工況施工，邊坡不會出現(xiàn)滑塌風險。

2.2 黏土軟化后的邊坡受力分析

受東側(cè)邊坡頂部已廢棄化糞池滲漏的影響，滲點下部主要為紅黏土，紅黏土具有浸水膨脹、失水收縮等特點，遇水后粘聚力降低，重度變小。上部雜填土主要為塊石、碎石、黏土等組合而成，為原舊路路基填料，土層遇水后較紅黏土遇水變異特性較穩(wěn)定。

硬塑性紅黏土在遇水后發(fā)育為可塑-軟塑紅黏土，各土質(zhì)參數(shù)下降，與硬塑性黏土相比，變化主要有土體重度由16.8 kN/m3變?yōu)?6.3 kN/m3，地基承載力由210 kPa變?yōu)?90 kPa，內(nèi)聚力由35 kPa變?yōu)?8.8 kPa，內(nèi)摩擦角由10°變?yōu)?.3°，基底摩擦系數(shù)由0.3變?yōu)?.25。

根據(jù)土質(zhì)出現(xiàn)的變化，調(diào)整2.1中建模數(shù)據(jù)，按可塑紅黏土參數(shù)取值，根據(jù)軟件計算結(jié)果顯示，土體總的下滑力=757.559(kN)，總的抗滑力=655.909(kN)，邊坡滑動安全系數(shù)為0.866<1.25。

可以看到，在黏土軟化后，邊坡土體下滑力幾乎不變，但抗滑力卻大幅減小，黏土軟化后土體下滑力增加4.037 kN，抗滑力減小567.519 kN，抗滑力損失約46.4%。邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，邊坡滑塌風險隨之而來。

2.3 黏土軟化后邊坡治理理論研究

(1) 加設(shè)反壓碼的理論計算

邊坡施工完畢次日，技術(shù)人員巡查發(fā)現(xiàn)邊坡有溜塌征兆，變化速率超過規(guī)范允許值，經(jīng)查實，邊坡溜塌原因主要為邊坡上部未探明廢棄化糞池滲漏，為防止邊坡溜塌繼續(xù)發(fā)展，施工單位按經(jīng)驗及時采取加設(shè)反壓碼擋土墻的形式進行加固。擋土墻沿坡面向上順坡澆筑，高3 m，寬2 m，基礎(chǔ)嵌入基底20 m。

反壓碼施工完畢后，邊坡溜塌趨勢減弱，邊坡逐步趨于穩(wěn)定，溜塌現(xiàn)象沒有進一步向下發(fā)展。“事實表明，對常規(guī)的邊坡溜塌采用加設(shè)反壓碼的治理方案確實有效”，對于本工程中邊坡溜塌采取的加設(shè)反壓碼是否真的行之有效，下面將運用理論計算數(shù)據(jù)予以證實。

利用理正巖土工程分析計算軟件中的擋土墻設(shè)計模塊進行建模分析，按實際工況輸入各擋墻及地層參數(shù)，受力簡圖如圖5。

圖5 反壓碼受力分析簡圖Fig.5 Stress analysis of the counter weight

根據(jù)軟件分析，在加設(shè)3 m×2 m擋墻后，新增擋土墻對墻后土體側(cè)向抗力僅為41.573 kN，而在2.2中分析得出，土體總的下滑力=757.559 kN，總的抗滑力=655.909 kN，邊坡滑動安全系數(shù)為0.866，土體軟化后抗滑力損失567.519 kN，新增擋墻后對土體抗滑力補償僅41.573 kN，補償功率僅7.33%，新增擋墻后土體總的下滑力不變，總的抗滑力為655.909+41.573=697.482 kN，此時邊坡滑動安全系數(shù)為0.92<1.25。

經(jīng)理論分析，按實際工況加設(shè)擋土墻后，邊坡仍將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這與實際得出的經(jīng)驗數(shù)據(jù)不同。

(2) 假定按削坡方案進行理論研究

通過(1)中的結(jié)論得出，對于該工程中發(fā)生黏土軟化后采取的增設(shè)反壓碼處理方案，縱然在實際工程中取得了有效治理效果，但在理論上根本行不通。常規(guī)邊坡滑塌處理中采取的坡頂卸載、坡腳壓載、削坡三種手段，本工程東側(cè)基坑坡頂無堆載，按常規(guī)處理方案中削坡也應(yīng)是施工管理人員首先采取的方案之一，削坡可行嗎，下面結(jié)合工程實際情況進行簡單的理論分析。

根據(jù)現(xiàn)場情況，坡頂外側(cè)4 m為既有臨時交通導(dǎo)行道路，削坡高度不宜過大，本次研究按削坡2 m進行研究，按1∶1進行削坡，保證形成的邊坡距離距既有臨時道路仍有兩米的安全距離，防止既有道路失穩(wěn)。計算模型如圖6。

圖6 削坡受力分析簡圖Fig.6 Stress analysis of the slope cutting

結(jié)合受力模型，將各土層參數(shù)帶入理正巖土工程分析計算軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊進行分析，削坡后形成的土體總的下滑力=757.869 kN，土體總的抗滑力=655.965 kN，邊坡土體滑動安全系數(shù)=0.866<1.25。根據(jù)2.2中受力得出，土體軟化后，得出土體總的下滑力=757.559 kN，總的抗滑力=655.909 kN，邊坡土體滑動安全系數(shù)=0.866。對比發(fā)現(xiàn)，按削坡方案對土體黏性硬土軟化后造成的邊坡失穩(wěn)治理幾乎無效。

(3)改變錨桿布設(shè)方案進行理論研究

1)加長錨桿

按常規(guī)處理方案處理黏土軟化造成的邊坡滑塌均不能得到有效處理，如果采用加長錨桿長度又是否可行呢，采用理正巖土工程分析計算軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊，改變2.2中設(shè)定的錨桿長度，錨桿長度增加至9 m(增加1倍)，錨固段長度取8 m，其余參數(shù)保持不變，按此工況進行分析計算，得出土體總的下滑力=886.246 kN，總的抗滑力=841.038 kN，滑動安全系數(shù)=0.949，通過與2.2中對比發(fā)現(xiàn)，在錨桿加長1倍后，邊坡穩(wěn)定性仍不能滿足規(guī)范要求。

2)加密錨桿

經(jīng)理論研究分析，加長錨桿對防止邊坡滑塌確實有一定效果，但是治理效果不明顯，若按加密錨桿進行布置會怎么樣呢，同理采用理正巖土工程分析計算軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊，改變2.2中設(shè)定的錨桿間距為1 m×1 m，其余參數(shù)保持不變，按此工況進行分析計算得出，土體總的下滑力=757.559 kN，總的抗滑力=655.909 kN，滑動安全系數(shù)=0.866，與2.2中得出的結(jié)果相比，在錨桿加密后，邊坡穩(wěn)定性幾乎沒有改變。

3)取消錨桿

通過上述1)和2)的分析得出，對于黏土軟化后采取加長錨桿后，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有一定提高，但采取加密錨桿的形式后，邊坡穩(wěn)定性無變化。說明設(shè)計在采取錨桿支護中，錨桿長度已有富余。假定沒有錨桿，邊坡穩(wěn)定性又如何呢。同理采用理正巖土工程分析計算軟件邊坡穩(wěn)定分析模塊，取消錨桿的布置進行受力分析，得出當取消錨桿后土體總的下滑力變?yōu)?10.647 kN，總的抗滑力變?yōu)?607.775 kN，滑動安全系數(shù)減小至0.855，較采用錨桿減小1.27%。

3 結(jié)論與建議

通過對本工程東側(cè)邊坡溜塌采取的加設(shè)反壓碼的形式進行邊坡處理理論分析，當黏性土遇水軟化后，土體抗剪強度急劇下降，邊坡穩(wěn)定性也急劇下降，本工程中按1∶1放坡明挖施工，土體軟化后邊坡穩(wěn)定性系數(shù)由1.624變?yōu)?.866，邊坡穩(wěn)定性減弱幅度約46.67%。在土體軟化后，分別采取加設(shè)反壓碼，及假定削坡、增加錨桿長度、加密錨桿長度和取消錨桿長度進行理論研究，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)分別為0.92、0.866、0.949、0.866、0.855，采取加設(shè)反壓碼及假定的各種工況下分析對軟化后黏性土體造成的邊坡穩(wěn)定性影響幅度分別為6.24%、0、9.58%、0、-1.27%。

由統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出，在黏性土體遇水軟化后的邊坡治理和預(yù)防措施中，采取加長錨桿和加設(shè)反壓碼的形式最為有效，加密錨桿及局部削坡方案對防止邊坡失穩(wěn)幾乎沒有效果，當取消錨桿設(shè)置后，對整個邊坡穩(wěn)定性影響也較小。

綜上所述，在黏性土層的基坑邊坡中，當黏性土雨水軟化后，邊坡穩(wěn)定性會急劇下降，不管采取何種治理方案，治理效果均不明顯。當然，邊坡治理中還有很多治理方案也可以采取，如注漿、加設(shè)抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁等[3]，但是否對黏性土遇水軟化造成的邊坡失穩(wěn)有治理效果，這就需要各位施工技術(shù)人員根據(jù)實際工況進行分析計算了。由此也可以得出，黏性土層中基坑邊坡水毀是重大的風險源之一，施工過程中必須對地下水及地表水加以控制，防止地表水下滲，防止地下水對擬開挖基坑黏性土層造成破壞，當發(fā)現(xiàn)黏性土層邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)后，應(yīng)立即查找原因，對于水體浸泡造成土體參數(shù)變化而促使邊坡失穩(wěn)的，應(yīng)在第一時間將水流引出，同時根據(jù)實際情況酌情采取加設(shè)反壓碼或還土回填的方式進行處理。