加固加高边坡的支护设计及稳定性分析
摘要：边坡工程在山区的发展中十分重要，随着城镇化的加速发展，有的已支护的边坡工程已不能满足需要，因此，在原有已支护边坡的基础上加固加高边坡的支护就显得尤为重要。本文结合工程实例，重点分析，在已建有挡墙的边坡上，再次加高支护，加高高度在0-5m。结合此工程实例，重点分析设计的原理及其稳定性，分析得出此边坡加固加高工程受力及支护要求均满足规范要求。
关键词：
边坡工程；加固加高；稳定性分析；边坡侧压力
中图分类号：TU43
文献标识码： A
中国西部山区面积大，边坡工程在山区城镇中十分常见。贵州地区为典型的喀斯特地貌，山地普遍，边坡工程尤为常见，由于自然作用力和人类社会活动的影响，边坡发生失稳的事故时有发生，给国家和人民带来了巨大的损失；反之，边坡的合理设计与支护又将给人们带来显著的效益[1]。在贵阳市迅速发展的过程中，城市道路体系逐步完善，新有建筑和棚户区改造建筑也如火如荼的进行，而在这个过程中产生大量的边坡工程。随着城镇化的发展，有的边坡会不稳定，或者不能满足当前的使用功能，为此从经济、安全、适用的角度考虑，通常会对原有边坡采取加固加高措施[2]。
目前，在我国边坡工程的设计方法中，现有的加固支护方法主要分为三类：锚固类方法、支挡类方法和其它的方法。锚固类方法主要是以锚杆（索）地梁、锚杆（索）框架以及锚杆（索）墩等应用于实际工程结构中；支挡类方法则主要以抗滑桩、抗滑挡墙、锚索抗滑桩等应用于实际工程结构中；其它技术主要有注浆技术、微型桩技术、挂网技术等[3]。这三类边坡加固方法在实际工程应用中已相对成熟，而原边坡支护不变，在原边坡基础上进行边坡的加固加高设计方面的研究还比较少[4～5]。本文主要从边坡加固加高工程的设计及计算稳定性分析出发，通过实际工程，介绍一种典型的在原加固边坡的基础上再次进行加固加高工程的设计及分析。采用微型桩压浆加固原挡墙后，再建加高部分的新挡墙。微型桩相对于普通桩而言是一种小口径钻孔灌注桩，口径一般小于300 mm，长细比较大，桩体采用压浆方法，将高标号水泥砂浆或细石混凝土与加筋材料压入孔中，根据不同的实际情况，桩体中的加筋材料有所不同，主要有型钢、钢棒、钢管、钢筋或以钢管加钢筋的组合材料[6～9]。
微型桩在施工时的振动较小，噪声也比较小，比较适合在市区施工；另外微型桩对地面的扰动以及对周围环境的影响均较小，所以能够在不影响原挡墙稳定性的前提下进行加固加高。在加固加高过程中微型桩主要集中在原挡墙上面进行施工，施工安全程度高，可以很好的保证施工人员的人身安全。因为微型桩具有施工便捷、速度快，周期短的特点，所以将其应用于道路边坡加固加高工程中，可以得到高效、快速的效果。微型桩还具有较强的抗震能力，无论是承受竖向荷载或者是水平荷载，微型桩结构因为其柔性较大，可以与周围岩土形成受力的整体，在一定程度上与岩土协调变形，相比传统支护结构具有良好的抗震性能[10～11]。
1加固加高边坡工程实例
1.1工程概况
贵阳市南明区花果园片区市政路网建设工程花果园大街延伸段挡墙加高工程位于贵阳市花果园彭家湾片区。该加固加高工程为野猫井大桥桥
台（K0+685）至花果园西大街（K0+830）段，是一段市政路的延伸段挡墙加高工程，周围交通便利，根据市政道路规划要求，本段道路需要加高，其中欲加高段长145 m，原挡墙高度为0～15 m，加高高度为0～5.0 m左右，加高后的挡墙为永久性挡墙，挡墙失稳风险高，破坏后果很严重，为一级边坡。原挡墙断面图如图1所示。
为了达到市政道路规划设计要求，抬高路面，加高挡墙时，方法为采用微型桩压浆加固原挡墙结构，再建加高部分的新挡墙。其中微型桩的直径为150 mm，间距为800 mm×800 mm，在桩顶现浇一钢筋混凝土板，并将微型桩伸入板中一定长度，作为加高部分挡墙的基础平台。具体加高设计图如图2所示。
1.2加固加高边坡工程的支护设计原理
原有边坡为道路边坡，原边坡支护采用的是重力式挡墙，因为不能满足现在城市道路规划需要，因此需要对道路边坡进行加固加高，采用的支护形式为混凝土挡墙和微型桩组合形式，即：先用微型桩压浆把原重力式挡墙加固后，再对加高部分的新挡墙进行建设。微型桩群具有较好的抗滑承载能力，微型群桩的承载力略小于普通抗滑桩，可以代替普通抗滑桩用于边坡加固。
1.3设计采用的参数
根据本工程岩土工程勘察报告，采用岩土参数如下：
填后墙土：重度γ=18 KN/m3，内摩擦角标准值φk=35°。
可塑紅粘土：重度γ=17 KN/m3，内摩擦角标准值φk=6°，粘聚力标准值Ck=35 KPa，地基承载力特征值fa=190 kPa。
中风化石灰岩：重度γ=26.9 KN/m3，地基承载力特征值fa=3000 kPa。
1.4水文地质条件
场区地势较高，根据临近场地的野猫井大桥工程地质勘察成果，场区地下水水位标高比贵黄路低8.0 m左右，标高约为1070.0左右，根据目前的场地地势和标高情况推测，场地地下水水位标高很低，钻探深度范围内遇到稳定地下水位的可能性很小。
2稳定性分析
2.1新建挡墙的内力分析
新加高的挡墙，根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）[12]计算边坡主动土压力合力，其中计算公式：
Eak=12rH2Ka（1）
Ka=
sin（α+β）
sin2αsin2（α+β-φ-δ）{Kq[sin（α+
δ）sin（α-δ）+sin（φ+δ）sin（φ-β）]+
2μsinacosφcos（α+β-φ-δ）-2
Kqsin（α+β）sin（φ-β）+ηsinαcosφ
}
（2）
Kq=1+2qsinαcosβrHsin（α+β）（3）
η=2crH（4）
式中：Ea——相应于荷载标准组合的主动土压力合力（kN/m）；
Ka——主动土压力系数；
H——挡土墙高度（m）
γ——土体重度（kN/m3）
c——土的黏聚力（kPa）
φ——土的内摩擦角（°）
q——地表均布荷载标准值（kN/m2）
δ——土对挡土墙墙背的摩擦角（°）
β——填土表面与水平面的夹角（°）
α——支挡结构墙背与水平面的夹角（°）
通过计算可得如下图3，随着第一破裂角的不同，边坡主动土压力合力Eak会随之变化，变化过程大致呈开口向下的抛物线形状，Eak有最大值，在第一破裂角度为24.62°时，Eak达到最大，最大值为83.129 KN/m。加高后的挡墙墙身所受主动土压力合力随深度的加深，合力逐渐增大，在挡墙墙顶达到最小，在挡墙最底端达到最大，分布形状大致呈梯形。计算结果显示抗滑移和抗倾覆均满足要求，由此上部挡墙知支护形式稳定。
（a）新建挡墙后土体的破裂角与边坡土压力关系图（b）新建挡墙后土体主动土压力分布图
2.2新建挡墙的抗滑移和稳定性分析
对挡墙下部结构的微型群桩进行分析，在群桩桩顶现浇一钢筋混凝土板，同时微型桩伸入板中一定长度，这样钢筋混凝土板就起到桩顶承台的作用，可以提高了微型桩群的整体刚度，但会使后排桩顶产生较大的负弯矩，前排桩顶产生较大的正弯矩。在计算模型方面，可以把微型群桩连同赶紧混凝土板以及原挡墙视为挡土墙，上部挡土墙及墙后填土视为作用在下部挡土墙上的荷载，同时考虑道路荷载进行设计计算，计算简图如图4所示。墙身高17.0 m，墙顶宽5.70 m，面坡倾斜坡度为1∶0.0，背坡倾斜坡度为1∶0.0，墙底倾斜坡率为0.0∶1。
其中土柱的宽度为24.0 m，高度1.67 m，相当于在坡顶施加30 KPa的荷载。
计算高度为17.0 m处的库仑主动土压力
由式（1）计算得第1破裂角为31.0度，Ea等于985.055 kN，Ex等于906.748 kN，Ey等于384.892 kN
合力作用点高度Zy=6.671 m。
1） 滑移稳定性验算
根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）[12]计算挡墙抗滑移稳定性系数，其中计算公式：
Fs=（Gn+Ean）μEat-Gt≥1.3（5）
基底摩擦系数=0.6，滑移力=548.06kN，抗滑力=1855.64 kN，则挡墙抗滑移稳定性系数Fs=3.39>1.3，满足规范要求。
2） 倾覆稳定性验算
相对于墙趾点，墙身重力的力臂Zw=2.85 m
相對于墙趾点，Ey的力臂Zx=5.7 m
相对于墙趾点，Ex的力臂Zy=6.67 m
根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）[12]验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性，其中计算公式：
Ft=Gxo+EazxfEaxZf≥1.6（6）
经计算得倾覆力矩等于6049.24 kN.m，抗倾覆力矩等于10628.6 kN.m，则档墙抗倾覆稳定性系数Ft=1.76>1.6，验算满足规范要求。
根据边坡规范计算分析，得计算结果如图5。Eak随第一破裂角的变化而先增大后减小，呈现开口向下的抛物线形状，在第一破裂角为31.01°的时候，达到最大，最大为985.06 KN/m。微型群桩部分的土压力分布随深度的加深而增大，在最底端土压力最大，在桩顶端土压力最小，呈梯形状分布。经过计算知，在此情况下，下部结构的抗滑移和抗倾覆计算均满足要求，因此下部结构稳定。
3小结
结合本工程实例，在原有的重力式挡墙中，用微型桩压浆加固原挡墙比较合适，一方面可以节约工程造价，降低成本，另一方面从力学角度分析，一是可以对原有挡墙进行加固，保证原有挡墙的稳定性；二是可以发挥微型群桩的效应，提高原挡墙的抗滑移能力；三是可以作为新加高挡墙的基础，保证新加高挡墙的稳定性，提高加高挡墙的安全系数，从而可以保证加高后的道路稳定性。
在加固加高边坡支护时应根据边坡周围环境的不同，结合自身工程的经验采用不同加高加固方法，因地制宜，有效的减少工程造价以及节约边坡加固支护空间。施工过程中应建立健全监测制度，随时提供有关支护和边坡内部土体变形信息，以便及时掌握，调整施工顺序，确保工程施工安全。
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[11]孙书伟，朱本珍，郑静. 基于极限抗力分析的微型桩群加固土质边坡设计方法[J]. 岩土工程学报，2010，（11）：1671-1677.
[12]《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2013）
（责任编辑：王先桃）