包头某建设场地隐伏边坡稳定性分析及其加固

郭 锐

（辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013）

0 引言

近年来，随着我国国民经济的蓬勃发展，人民的生活水平逐渐提高，人们对居住条件的改善有着强烈的需求，从而使得居民住宅、棚户区改造等工程呈现出一片欣欣向荣的景象。由于大面积的工程建设，造成城市土地资源不足，开发者逐渐将视线转向工矿废弃地等过去常常被忽视的废弃土地。包头某建设场地属于棚户区改造项目区，正位于采砂场废弃地，由于过去的无序开采，造成采砂边坡不规则且高而陡立，极不稳定，采坑回填后使得采砂边坡成为场区隐伏边坡。作为工程建设场地，该边坡的稳定性不仅决定了工程建设的安全，也与当地人民生命财产安全息息相关，因此对该隐伏边坡的稳定性进行评价显得尤为重要。目前，边坡稳定性分析的方法主要有极限平衡法、数值分析法以及非确定性方法，其中极限平衡法建立在严格的岩土力学理论之上，推导严谨，理论完善，在岩土工程中被广泛使用[1]。极限平衡法目前主要包括瑞典圆弧法、简化Bishop法、简化Janbu 法、Morgenstern-Princer 法等。其中瑞典圆弧法是最为著名的一种方法，其计算结果往往偏小，故所得的边坡稳定性系数偏于安全[2]。本文针对该建设场地隐伏边坡的现状及其工程地质条件，采用瑞典圆弧法对其稳定性进行计算分析，并根据计算结果采取相应的加固措施，对加固后隐伏边坡的稳定性进行分析，以便于指导工程设计和施工。

1 边坡概述

拟研究边坡位于包头市昆北街道办事处边墙壕村建设棚户区改造项目场地西侧，该边坡系露天取砂开挖形成，目前由粉土、砾砂以及建筑垃圾和生活垃圾等回填压覆，边坡属隐伏边坡。

根据边坡勘察资料以及杂填土回填前场地实测地形图，拟评价边坡高度在19.5~25.5 m，长约85 m，该边坡坡面不规整，整体呈台阶式，由坡面和平台组成，第一级台阶高6.0~11.8 m，坡面坡比为1∶1.9~1∶1.5；第二级台阶高13.5~16.7 m，坡面坡比为1∶0.75~1∶1.11。该边坡地层主要为砾砂，上部有少量粉土。后期人工回填杂填土压覆，其中边坡北段压覆土料主要为粉土和砾砂，偶见建筑垃圾和生活垃圾，密实度为稍密；而南段压覆土料中建筑垃圾和生活垃圾占比在40%~50%，其余部分为粉土和砾砂，成分复杂，结构松散。边坡内未见地下水。

目前，该隐伏边坡所在场地为包头某棚户区改造项目建设场地，为了保证建设场地的稳定性，需要对该隐伏边坡稳定性进行分析，分析结果若不稳定，则需要加固，并对加固后边坡稳定性进行分析。

2 场地边坡现状稳定性分析

2.1 边坡稳定性分析思路

拟研究边坡系场区内取砂开挖形成，现在已由杂填土回填压覆，该边坡属于隐伏边坡，按照常规的边坡稳定性分析思路对该隐伏边坡进行稳定性评价难以达到目的。

本文根据拟研究边坡实际情况以及拟建棚户区改造项目特点、工程建筑规模、荷载情况和场地工程地质条件，同时考虑拟建高层建筑将主要以场区内砾砂作为基础持力层，对拟研究隐伏边坡进行概化还原，将后期回填采坑土料作为压坡脚材料考虑，对于超过隐伏边坡顶面的回填料根据其堆积厚度按附加荷载考虑，最后考虑拟建高层建筑对边坡顶面产生的附加荷载，对该隐伏边坡进行稳定性分析。

考虑到该边坡南段压覆土料垃圾含量大，且结构松散，此外该段有高层建筑物荷载直接作用其上，故本研究选取该段剖面作为研究对象。

2.2 稳定性计算工况确定

影响边坡稳定性的因素有多种[2]，其中降雨[3]、外部荷载[2,4]及地震[5]等是其中最为重要的因素，也是本建设场地最为关注的安全因素。对于该隐伏边坡，考虑其现状回填压覆荷载、降雨和地震荷载，分析其在坡顶拟建建筑物荷载作用下的稳定性，具体计算工况如下：

工况1：边坡现状（自重）+附加荷载

工况2：边坡现状（自重）+附加荷载+降雨

工况3：边坡现状（自重）+附加荷载+地震

其中附加荷载包括拟建高层建筑产生的荷载和回填压覆土料产生的荷载。本次稳定性分析中，拟研究边坡段主要承受高层住宅楼荷载和回填压覆土料附加荷载影响，其中高层住宅楼最高为25+2层，每层产生的地基压力按20 kPa计算，其产生的总附加压力为540 kPa，正位于坡顶及坡面回填土料之上，分布宽度为30 m；回填压覆土料平均厚度为2 m，自重按16 kN/m³考虑，则附加荷载为32 kPa，分布于坡面及坡底对应回填土顶部，距离坡顶18.63 m。

对于降雨条件，研究区24 小时最大降雨量为100.8 mm，则该区24 小时最大降雨强度为0.00117 mm/s。采用渗流计算考虑降雨条件。

由于地震对边坡的不良影响主要是由水平地震力引起的，因此，本次在地震荷载作用下的边坡稳定性计算仅考虑水平地震力，采用拟静力法进行。拟研究边坡所在地区抗震设防烈度为Ⅷ度，基本地震动峰值加速度为0.20 g，综合水平地震系数为0.05，则考虑地震荷载为0.05 W（W为自重）。

2.3 稳定性计算方法

由于该隐伏边坡为土质边坡，其滑动破坏形式为沿坡体内土体呈圆弧状或似圆弧状滑动面向下滑动，故本次稳定性计算方法采用规范[6]推荐的圆弧滑动法。

瑞典圆弧法使用圆弧滑裂面，该法假设条块间的作用力对圆弧滑动面的法向应力分布无影响，仅考虑垂直力的作用，其抗滑力与下滑力之比为计算安全系数Fs：

其中，孔隙水压力Nwi=γwhiwLicosαi；渗透压力产生的平行于滑面的分力TDi：

渗透压力产生的垂直于滑面的分力RDi：

式中：Wi为第i条块的重量（kN/m）；γw为水的重度（kN/m³）；ci为第i条块的内聚力（kPa）；ϕi为第i条块内摩擦角（°）；Li为第i条块滑面长度（m）；αi为第i条块地下水流向（°）；qi为作用于第i条块顶面的附加荷载（kPa）；A为地震加速度；Ks为计算稳定性系数。

2.4 计算模型的建立

对于该隐伏边坡，本次计算根据现场实际地形和岩土工程勘察资料，并结合拟建棚户区改造项目工程场地平面布置，选取该边坡南段最危险剖面作为本次稳定性计算断面，并经过合理概化，具体计算模型如图1所示。

图1 边坡稳定性计算概化模型Fig.1 Generalized model for slope stability calculation

2.5 稳定性计算参数的选取

本次稳定性计算所用计算参数来自拟研究边坡岩土工程勘察资料，其中回填土料（杂填土）物理力学参数结合相关工程经验确定，具体稳定性计算参数如表1所示。

表1 边坡稳定性计算参数

2.6 稳定性计算结果

本文基于加拿大GeoStudio Slope/W 计算软件，并采用瑞典圆弧法，对该隐伏边坡按工况1、工况2 和工况3 三种运行工况分别进行稳定性计算，计算结果如图2-4和表2所示。

表2 边坡稳定性计算结果

图2 工况1下边坡稳定性计算结果Fig.2 Calculation results of slope stability under Condition 1

图3 工况2下边坡稳定性计算结果Fig.3 Calculation results of slope stability under Condition 2

图4 工况3下边坡稳定性计算结果Fig.4 Calculation results of slope stability under Condition 3

从上述计算结果可以看出：该隐伏边坡在三种运行工况下的稳定性系数均小于规范要求的最小安全系数，说明其在坡顶工程荷载作用下，分别考虑降雨、地震荷载条件时均处于不稳定状态。若作为建设场地，在外部附加荷载影响下可能引发隐伏边坡滑动，从而造成建设场地隆起，进而地基滑动破坏，故该建设场地需要加固。

3 边坡加固及其稳定性分析

为了保证该隐伏边坡所在棚户区改造项目场地的安全稳定，保障项目实施顺利进行，本研究采用抗滑桩对该边坡进行加固。抗滑桩采用钢筋混凝土灌注桩，桩径700 mm，桩长25 m，混凝土强度等级C30，桩距6 m，共设3 排，排距7 m。抗滑桩加固后，边坡稳定性计算结果如图5-7和表3所示。

表3 加固后边坡稳定性计算结果

图5 工况1下加固后边坡稳定性计算结果Fig.5 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 1

图6 工况2下加固后边坡稳定性计算结果Fig.6 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 2

图7 工况3下加固后边坡稳定性计算结果Fig.7 Calculation results of slope stability after reinforcement under Condition 3

从上述计算结果可以看出：该隐伏边坡在实施抗滑桩加固后，在拟建建筑附加荷载作用下，考虑降雨、地震荷载条件时稳定性系数与现状稳定性相比有显著增加，三种运行工况下稳定性系数均大于规范要求的最小安全系数，是安全稳定的，可见加固措施有效，边坡加固后可以作为某棚户区改造建设项目场地。

4 结论

在边坡岩土工程勘察的基础上，充分考虑该边坡隐伏的特殊性，分析其上工程建设后所承担的荷载类型，确定合理的计算工况，根据土质边坡的破坏模式选取最适宜的稳定性计算方法，从而对场地现状及其加固后隐伏边坡进行三种运行工况下的稳定性计算，并得出结论如下：

（1）该隐伏边坡在在三种运行工况下计算稳定性系数均小于规范要求的最小安全系数，是不安全的，需要对其进行加固。

（2）该隐伏边坡在采用钢筋混凝土抗滑桩加固后，其三种运行工况下的稳定性系数均大于规范要求的最小安全系数，是安全稳定的，加固措施有效，适宜工程建设。