摘要:本文主要针对边坡坍塌滑移事故进行分析研究,通过分析工程案例提出个人见解与意见,以供参考。
关键词:土钉墙;支挡结构;外部整体滑移;稳定分析
中图分类号:X928文献标识码: A 文章编号:
1、工程概况
某工程边坡高8.3m,距坡顶边缘8.3m处为一栋四层的居民住宅楼,基础类型为天然基础,埋深1.5m。边坡采用土钉墙支护结构,支挡结构设计详细情况为:土钉直径25mm,入射角度150,锚孔孔径150mm,配浆水灰比0.5,喷C20混凝土厚150mm,挂网配筋D12@200×200,土钉自上而下共七道,长分别为11.00m,10.38m,8.75m,8.13m,7.51m,9.88m,9.26m。
依工程勘察报告,边坡的土层0~12.4m均为粉质粘土,主要物理力学性质指标:重度γ=18.8k/m3,粘聚力c=31.7kPa,内摩擦角φ=13.10,土钉水平摩阻力强度qsik=38kPa。
2、滑移状况
发生事故时正值雨季,边坡发生规模较大的水平位移,位移量最大达130cm,坡顶边缘到建筑物之间发生沉陷,沉陷量最大达150cm。地表出现数条弧形裂缝。
3、边坡滑移的分析
依据边坡滑移的破坏情况,结合实地的勘察资料,对原土钉墙支挡结构设计存在的问题作分析验算。
原设计按上下高差8.7米(预留0.4米道路面层),地下水位取至坡顶,底面外荷载按消防通道取20kN/m2,四层房屋按90 kN/m2、作用深度1.5米、作用位置距挡土墙8.3米进行设计。土钉按1.2米×1.2米布置,见计算模型计算简图。
图1 土钉支护结构计算简图
3.1 土钉抗拔验算
3.1.1 各土钉所受的拉力
由于边坡的土层均为粉质粘土,土压力按水土合算的方法计算,同时应考虑作用于地面上的附加荷载。坡脚至坡顶建筑物基础外边缘的水平距离在0.5~1.0倍边坡高度时,支护结构的侧向土压力计算值采用。E0为静止土压力,Ea为主动土压力。
静止土压力系数宜有试验确定,当无试验条件时,对粘性土可取0.5~0.7。主动土压力按朗肯土压力公式计算,主动土压力系数。
将各道土钉受到的拉力列于下表1:
土钉拉力表1
图2 土钉有效锚固长度计算图
按照公式(1)计算出各道土钉的有效锚固长度列于下表2:
3.1.3 土钉抗拔力计算
土钉抗拔力按原设计取土钉锚固体直径D=0.15m。
各土钉极限抗拔力列于下表3,《建筑基坑支护技术规程》要求土钉拔安全系数大于1.3。由下表可以看出,第4、5、7道土钉的抗拔安全系数均小于1.3,达不到要求。
土钉极限抗拔力表3
土钉受到的总拉力:
土钉总抗拔力:
土钉总抗拔安全系数: ﹥1.3
有以上对原设计的验算可知,土钉总抗拔力虽然达到了规程规定的要求,但土钉出现局部抗拔力能力不足。土钉局部抗拔力不足成为边坡滑移的原因之一,由此可见,设计人员在进行土钉墙支挡结构设计时,不仅要验算土钉总抗拔能力,同时还应该对各道土钉的抗拔能力进行验算。
3.2 整体稳定验算
3.2.1 土钉墙支挡结构的内部整体稳定性验算
土钉墙内部整体稳定性分析是指边坡土体中可能出现的破裂面发生在土钉墙内部并穿过全部或部分土钉。按圆弧破裂面采用普通条分法的简化毕肖普模型对土钉墙作整体稳定性分析,取单位长度土钉墙进行计算。
由电算结果可知,按原设计参数计算出的圆弧破裂面的圆心坐标为(-20.849,20.798),半径为29.449m,支挡结构的内部整体稳定性安全系数:
由以上的验算可知,原设计的支挡结构内部整体稳定性满足规程的要求。
3.2.2 土钉墙支挡结构的外部整体稳定性验算
将土钉及其加固体视为重力式挡土墙,按重力式挡土墙的稳定性验算方法,进行抗倾覆稳定、抗滑稳定及基底承载力验算。
(1) 挡土墙宽度B0的计算
土钉墙简化成挡土墙,其宽度不能简单地按土钉的长度来计算,只能考虑被土钉加固成整体的那一段。挡土墙由土钉钉体、加固土体及混凝土面层组成,冶金工业部建筑研究总院的程良奎等人经试验研究与总结工程实践认为,挡土墙的计算宽度可按三部分考虑:第一部分为墙体的均匀压缩加固带,它的厚度为2 L/ 3 ( L 为平均钉长) ;第二部分为喷射混凝土面层的厚度,混凝土面层保证了土钉间土体的稳定,面层作用区厚度取为L/6 ;第三部分为土钉尾部非均匀压缩带,厚度为L/6 ,但不能全部作为挡土墙厚度来考虑, 取其1/ 2 作为挡土墙的计算厚度,即L /12 。所以挡土墙厚度为三部分之和,即11 L/12。
取B0=9m。
(2) 抗滑稳定验算
抗滑力:=461.3kN
土压力引起水平推力为各道土钉拉力之和:
抗滑安全系数:=1.15﹤1.2
抗倾覆稳定验算
抗倾覆力矩即土的自重平衡力矩:
=8921.0 kN·m
倾覆力矩
3.0×(8.7-1.2)+ 23.8×(8.7-2.4)+ 44.6×(8.7-3.6)+ 65.4×(8.7-4.8) + 67.7×(8.7-6)+ 88.5×(8.7-7.2)+ 111.9×(8.7-8.4)
=1004.1 kN·m
抗倾覆稳定安全系数:
(4) 地基承载力验算
基底合力偏心距:
=0.506﹤=2.25
地基压力:
=﹤=1.2×250=300kN/m2
从以上的土钉墙支挡结构的整体稳定性验算可以看到,发生事故的边坡按原设计参数进行验算时,其内部整体稳定性满足要求,但其外部整体稳定性却不能满足要求,这一点十分值得设计人员的重视。大多数设计人员在进行土钉墙支挡结构设计时,往往只是关心土钉墙支挡结构的内部整体稳定性,认为只要内部整体稳定性满足要求,那么外部整体稳定性亦能满足要求。通过对本次事故的分析可知,土钉墙支挡结构的内部整体稳定性满足要求,其外部整体稳定性不一定能满足要求。
4、结论
通过以上对原设计的验算和对原设计资料的分析,可知原设计存在着以下几点安全隐患,是导致边坡发生滑移的原因。
①按原设计对土钉墙进行整体稳定验算,土钉墙的抗滑稳定安全系数只有1.15,小于规范规定的1.2。
②对原设计所配置的土钉进行抗拔力验算,虽然土钉总的抗拔力满足要求,安全系数大于1.3,但土钉局部的抗拔力不能满足要求,如:第4道土钉其抗拔安全系数为1.27, 第5道土钉其抗拔安全系数为1.23, 第7道土钉其抗拔安全系数为1.23,均小于1.3。
③边坡坡脚处没有设置排水沟,这就使的雨水不能及时排走,由于水的作用使地基土产生弱化,而地基的最大压力达到294.7 kN,与1.2f(300kN)很接近了,就容易使土钉墙发生沉降,由于土体的下沉,就会弱化土钉与土体之间的相互作用,甚至使土钉失去锚固的作用,诱发边坡发生事故。
边坡滑移事故还表明,采用密集土钉加固的土钉墙性能类似重力式挡土墙,其破坏时伴有明显平移和转动的性质,故设计时除验算土钉墙的内部稳定性,以保证它们有足够的钉长,钉径及合理的间距外,设计人员还必须重视其外部整体稳定性的验算,即抗倾覆稳定、抗滑稳定及基底承载力验算。
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