填方边坡加高失稳原因分析及加固

李鹏凌

(福建省闽武长城岩土工程有限公司 福建福州 350013)

0 引言

1 工程概况

某边坡工程，边坡长度约100m，位于沟谷地段为填方边坡，边坡高度约13m。边坡岩土层自上而下分别为：①填土：褐黄、灰褐等色，松散，稍湿～湿，堆填年限约18年；其成分以原山体爆破开挖平整土和粘性土为主，含大量碎石屑、块石和少量植物根茎等；②全风化凝灰岩：灰黄、褐黄色；很湿～饱和，原岩结构已破坏，呈散体状，长石高岭土化；③强风化凝灰岩：褐黄,灰黄色;饱和;含氧化铁,高岭土，原岩结构基本破坏,岩芯呈散体状。

该边坡早期已采用浆砌石挡土墙进行支护，挡土墙顶宽度为1.5m，挡土墙底宽度约为5.5m，基础持力层为强风化凝灰岩，挡墙设有排水管，边坡无拱起、变形等不良现象。

由于坡顶拟建厂房，根据规划总平，该边坡需要加高约9.5m。业主委托一设计单位对该边坡进行支护设计，设计采用在已建浆砌挡土墙顶加设高为5.0m扶壁式挡土墙；扶壁式挡土墙顶设置压顶梁，压顶梁设25m长的钢绞线(5Φs 15.2)与锚墩相连，锚墩的截面尺寸为1200m(高)×1000m(长)×800m(宽)，采用预埋式施工，抗拉强度设计值为300kN，锚墩预埋于填土中。扶壁式挡土墙顶设一宽度3m平台，平台上部填土按1∶1.50坡率进行自然放坡，坡面进行植草绿化。原边坡设计剖面图如图1所示。

图1 原边坡支护设计剖面图

施工单位根据此设计方案进行施工，扶壁式挡土墙及锚墩、钢绞线施工后20d，立即对墙后填土进行分层夯实回填。当回填土填至超过扶壁式挡土墙顶约2m时，根据监测结果，扶壁式挡土墙、旧挡墙均出现较大变形，监测值已超过预警值；扶壁式挡墙、填土均出现开裂、旧挡土墙中部鼓出。监测单位发出预警，施工单位立即应急抢险，进行开挖卸载措施，将新回填土全部挖除。根据监测报告，边坡变形已得到初步控制。

2 边坡失稳分析

2.1 定性分析

对边坡后期由于坡顶厂房建设而加高后的边坡支护设计方案进行初步分析，原边坡支护设计方案存在以下4个问题：

(1)将扶壁式挡土墙直接置于已建浆砌石挡土墙，两个不同性质结构之间未采用任何手段进行连接，不能协同工作，其结构安全存在隐患；且扶壁式挡土墙大部分底板置于填土上，地基承载力无法满足要求，扶壁式挡土墙受力后，易产生不均匀沉降。

上位机监控中心是利用LabVIEW8.2编写的人机界面[8]。从远端传输回来的茶园参数信息如大气温度、湿度，土壤温度、含水量以及光照强度等能直观地、实时地显示在界面上。该软件首先对端口进行监听，当有数据到来时，读取端口数据，对采集的数据进行处理并同已设定好的上、下限值进行比较，如果超出设定值，则产生相应的报警信号。管理员通过对数据的读取，综合比较，判断远端茶树的生长环境是否存在异常，最后让实施者采取相应的补救措施。具体监控中心人机界面如图4所示，程序框图如图5所示。数据传回监控中心同时又将数据存入数据库中，便于查询历史数据。具体数据库程序框图如图6所示。

(2)锚墩置于新填土上，自身稳定性无法保证。

(3)旧挡墙之上增加9.5m高填土，已大大超过其原有的负荷。

(4)扶壁式挡墙仅布置两排长0.5m泄水孔，排水不通畅。

2.2 定量分析

根据勘察单位提供的岩土工程勘察报告，场地至上而下岩土层参数分别如下：①素填土：重度γ=17.5kN/m3,粘聚力c=10.0kPa,内摩擦角Φ=18°，土体与锚固体极限粘结强度标准值frbk=20kPa；②全风化凝灰岩：重度γ=20.0kN/m3,粘聚力c=25.0kPa,内摩擦角Φ=25°,土体与锚固体极限粘结强度标准值frbk=80kPa，基底摩擦系数u=0.30，承载力特征值fak=300kPa；③强风化凝灰岩：重度γ=20.5kN/m3,粘聚力c=30.0kPa,内摩擦角Φ=30°,土体与锚固体极限粘结强度标准值frbk=140kPa,基底摩擦系数μ=0.40，承载力特征值fak=450kPa。

对该边坡支护方案进行验算，采用如下验算方式：①对扶壁式挡土墙进行验算，验算采用理正岩土计算软件中扶壁式挡土墙模块。经软件验算，抗滑移安全系数为0.76,安全系数小于规范要求。②对边坡进行整体稳定性分析，验算采用理正岩土计算软件中边坡稳定性分析墙模块，经软件验算，设计锚墩在滑动面内，设计的预应力锚墩未能发挥作用，边坡整体稳定性安全系数计算结果为0.83，边坡安全系数远远小于规范一级边坡的要求，边坡处于不稳定状态，证明该设计方案存在问题。

综上，扶壁式挡墙抗滑移及边坡整体稳定性不满足要求，最终导致边坡变形、扶壁式挡墙变形开裂，旧挡墙鼓出。

3 加固措施

针对该边坡，需要进行加固治理。经过对建筑总平图进行仔细研究，发现原设计距离边坡坡顶边线13m范围为厂区景观绿化工程，景观绿化工程以内为厂区道路，如若将原设计总平的景观设计成斜坡，将大大减少填方边坡土压力，支护难度将大大减少，造价也相应减少；同时，对斜坡进行绿化，同样也可满足景观功能上的要求。

针对该情况，与业主及建筑总平设计单位进行沟通，业主与设计单位一致同意对原总平景观平台进行放坡，并对边坡重新进行景观设计。最终，根据场地地形条件，于原挡土墙坡顶设置一宽度为8m的大平台，平台以上采用1∶1.60自然放坡，坡面进行景观绿化。

放坡后，再对边坡采用理正岩土计算软件中的重力式挡土墙模块进行验算，坡顶荷载按照20kPa考虑。经软件验算，挡土墙墙身截面压应力为492kPa<2000kPa,拉应力为25kPa<270kPa，剪应力为27kPa<110kPa,皆满足要求，地基承载力Pmax=462kPa<540kPa,满足要求，抗滑移稳定性安全系数为1.22，不满足要求；抗倾覆稳定性安全系数1.52,不满足要求；整体稳定性安全系数1.23，不满足要求；该边坡挡墙需要进一步加固。

边坡挡墙加固考虑2个方案：

①采用锚索框架梁对已建挡土墙进行加固。该方案锚索需穿过挡土墙，施工难度较大，墙后填土层较厚，锚索难以进入锚固地层，且当年填土中混有大量石块，成孔难度极大，造价较高；加之，在填土中锚索注浆量难以控制，施工质量难以保证。

②考虑到旧挡土墙前尚有较大范围的空地，可采用旧挡土墙前增加毛石混凝土对已建挡墙进行加厚反压。这样既增大了抗滑移能力，又提高了挡土墙强度。该施工方案较为简便，施工工期短，可靠性高，质量容易得到保证，且造价相对低廉。

经过比选，决定采用毛石混凝土对原有挡墙进行加固的方案。最终设计方案如下：

①已建扶壁式挡土墙如若继续留在挡墙顶，将成为安全隐患，因此需拆除已建扶壁式挡土墙。

②新挡墙基础持力层为全风化凝灰岩，为提高地基承载力安全系数，采用注浆加固，注浆孔两排，注浆孔间距为1.5m,注浆管为钢管，管长分别2.5m及3.5m,注浆材料采用水泥、粉煤灰及水。

③待基础加固达到设计强度要求后，即在已建挡墙外设置顶宽1.8m,底宽3.5m，高8.0m，埋深0.8m的毛石混凝土挡墙作为坡脚反压，新建反压挡墙紧贴已建旧挡墙。

对该设计方案进行验算，计算方式如下：

(1)采用理正岩土计算软件挡墙挡土墙计算模块对旧挡墙进行验算。根据验算结果可得到挡墙库伦主动土压力值、作用点高度、及作用方向等，而后手动计算新增反压的毛石混凝土挡墙提供的抗滑移力f=μG1(G1为反压毛石混凝土的重力)。根据以上参数，代入建筑边坡工程设计规范中的公式11.2.3-1进行计算，可得出挡墙抗滑移安全系数为1.45[1]。

(2)根据理正计算软件，可得出库伦主动土压力参数。手动计算新增反压毛石混凝土挡墙提供的力矩可分为两种：①基地摩擦力提供力矩为μG1l1(l1为墙趾至反压体底面的垂直的距离)；②反压体的重力提供力矩G1l2(l2为墙趾至反压体重心力的垂直距离)。将以上的参数代入建筑边坡工程技术规范中的公式11.2.4-1进行计算，抗倾覆安全系数为1.73[1]。

(3)采用理正岩土计算软件挡土墙设计模块进行稳定性验算。先建立旧挡墙边坡的计算模型，而后根据手动计算毛石混凝土反压体提供的摩擦力[2],并假设其为集中力，将该集中力代入计算模型中。经软件验算，边坡整体稳定性安全系数为1.38。综上计算结果，经重新加固设计后的边坡安全系数满足规范要求。毛石混凝土反压体在施工中需要注意，应分段开挖，不可整个断面开挖，防止由于坡脚新挡墙全断面开挖导致已建挡墙失稳破坏。

(4)坡体增设深层排水管，坡顶截水沟与坡顶的道路排水系统一起考虑，挡墙顶的平台，底设置排水沟，整个边坡形成一有效的排水系统。边坡重新支护设计方案剖面如图2所示。

该加固方案通过了专家论证。目前，该边坡加固方案已按该施工方案完成施工，工程造价远远低于业主原先的预算，产生较好的经济效益。根据边坡监测报告，边坡坡顶最大水平位移为1.8mm,边坡处于稳定状态，证明该方案的可行性。

图2 重新支护设计方案剖面图

4 结论

(1)该填方边坡加高时，原来设计方案在旧挡墙上增设扶壁式挡土墙结合预应力锚索进行支护，边坡稳定性验算不能规范满足要求，最终导致边坡失稳，所幸监测发现及时，并及时采取卸载措施，避免了挡土墙出现倒塌破坏的严重事故。

(2)进行填方边坡加高时，一定要综合考虑，采用严谨的态度，严格按照设计规范要求进行设计，注重每个细节，对边坡稳定性、挡土墙强度、抗倾覆、抗滑移安全系数进行验算，方能避免边坡支护设计的失误。

(3)该填方边坡加固首先通过放坡卸载方式，大大减少了边坡支护难度及成本，再采用新建挡墙作为坡脚反压、对坡体进行排水等综合治理措施。目前边坡已完成加固，该方案施工简单，整个施工工期较短。根据监测成果，边坡稳定，边坡加固取得了良好效果，同时工程造价相对低廉。