0 概述

　　高陡边坡的加固治理在山地建筑、公路、铁路及水利工程较为常见，其对于工程建设的安全十分重要。针对高陡边坡加固治理所遇到的难题，岩土工作者开展了大量研究^{[1,2,3,4,5,6]}。由于边坡工程通常仅需考虑边坡安全问题，所以多数研究主要着眼于边坡稳定性分析及稳定性控制方面。

　　目前，仅部分学者针对边坡开挖诱发的卸荷松弛变形控制做过研究。罗杰等^[7]采用地质力学模型试验和数值分析，研究了预加固技术在边坡开挖变形控制中的应用。周华等^[8]针对乌东德水电站泄洪洞出口左侧边坡坡面发生较大变形的问题，采用三维数值模拟研究边坡变形机理，并据此提出边坡加固治理方案。

　　然而，部分建筑工程会与高陡边坡之间存在共同作用，边坡的变形会导致结构产生较大的次生应力，若不加以控制，将会严重影响主体结构的工程造价，甚至威胁主体建筑的安全^[9]。变形控制是这类高陡边坡加固设计的关键，需要进行针对性设计与计算分析。

　　本文结合上海深坑酒店(简称深坑酒店)项目边坡加固工程，采用三维动力有限单元法，分析预应力锚索+锚杆加固边坡的变形特性，探讨基于变形控制的高陡边坡加固设计方法，可为类似工程提供借鉴。

　　1 工程概况

　　深坑酒店地上2层、地下16层，其中主体建筑依深坑边坡而建，主体建筑基础落于坑底，顶部搭建于坑顶基础上，坑顶有裙房，建筑整体呈倒“L”形搭建于上海市西郊古城松江的天马山废弃矿坑边坡上。天马山废弃矿坑占地面积约为36 800m²,长约280m, 宽约220m, 坑深最大处约80m, 上宽下窄，坡度陡峭，坡角约为80°。图1为天马山废弃矿坑原状。

　　

　　图1 天马山废弃矿坑原状 

　　 

　　深坑酒店是世界上首个建于废弃矿坑内的五星级酒店，继中国国家体育馆“鸟巢”、国家游泳中心“水立方”之后入选美国国家地理频道《伟大工程巡礼》。本项目边坡支护要求高、工程地质条件复杂，国内外均缺少相关工程实践可供参考。

　　2 工程地质条件

　　2.1 地层分布

　　深坑酒店位于长江三角洲入海口东南前缘，地貌属于上海地区四大地貌单元中的湖沼平原与天马山剥蚀残丘边缘两种类型。项目场地地层主要分为坑顶覆盖层与基岩层。基岩由侏罗系上侏罗统黄尖组天马山地区中偏酸性火成岩组成，岩性较为单一，自上而下可分为全风化安山岩、强风化安山岩、中风化安山岩、微风化安山岩。高边坡岩体以安山岩为主，较硬岩居多，边坡岩体裂隙较发育，风化不太强烈。

　　

　　图2 典型地质剖面图 

　　 

　　图2为场地内典型地质剖面。需要说明的是，根据裙房勘察剖面及现场踏勘，天马深坑坑边土层厚度最薄，自坑边向外，土层厚度逐渐增大。深坑酒店坑顶裙房基础底绝对标高约-3.000m, 坑上口土层已挖除，坡面均为岩体。

　　2.2 地质构造

　　根据地质构造调查，深坑酒店边坡岩体普遍发育三组原生节理裂隙。第一组倾向72°～116°裂隙组，大体走向北北西或北北东，倾角61°～81°,裂面较平直，宽2～30mm, 裂隙一般无充填，一般长2.0～4.0m, 少数长5.0～7.0m, 节理间距为30cm左右。第二组倾向175°～192°裂隙组，北东东或北西西走向，倾角70°～86°,裂面平直，宽5～50mm, 裂隙一般无充填，一般长1.0～3.0m, 少数长10.0m, 节理间距为lm左右。第三组倾向9°～18°裂隙组，北西西走向，倾角10°～21°,裂面平直，宽2～20mm, 裂隙一般无充填，一般长1.5～3.0m, 少数长8.0m, 节理间距为30cm左右。图3是深坑酒店岩质边坡典型节理裂隙发育情况。

　　

　　图3 边坡岩体节理裂隙 

　　 

　　2.3 场地地震条件

　　深坑酒店项目抗震设防烈度为7度，地震分组为第一组，基本地震加速度值0.10g,特征周期0.35s。

　　3 边坡加固设计

　　3.1 边坡加固设计原则

　　深坑酒店边坡工程安全等级为一级，边坡支护设计基准期为50年。

　　由于深坑酒店的主体结构建于深坑内，深坑边坡长期稳定性和抗震稳定性对酒店的安全特别重要。同时深坑酒店主体建筑依深坑边坡而建，主体建筑基础落于坑底，顶部搭建于坑顶基础上，坑顶有裙房，主体建筑结构对边坡变形特别敏感。考虑结构的抗震安全，深坑酒店主体结构设计单位明确要求小震作用下坑底与坑顶相对位移的最大值不超过18mm、大震作用下不超过120mm。

　　

　　图4 边坡加固典型剖面 

　　 

　　因此，深坑酒店边坡工程不仅对边坡稳定性控制要求高，而且对边坡变形，特别是坑底与坑顶相对位移控制要求极为严格。边坡抗震设计应验算大、小震工况下边坡稳定性及变形控制。

　　3.2 边坡加固设计方案

　　考虑深坑酒店建筑区稳定性及变形控制要求，设计采用预应力锚索+锚杆+挂网喷射混凝土支护，其中预应力锚索以边坡深层稳定性及变形控制为主，锚杆以边坡浅层稳定性控制为主，挂网喷射混凝土主要用于坡面防护。具体设计如下：1)预应力锚索钻孔直径170mm, 设计预应力750～1 750kN,钢绞线采用UPS15.20-1860高强低松弛无粘结钢绞线。锚索注浆采用P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，水泥净浆水灰比0.42,注浆压力1.0～1.5MPa, 浆体强度40MPa。2)锚杆钻孔直径91,150mm, 锚杆材料采用25,32精轧螺纹钢，注浆采用P.O.42.5R普通硅酸盐水泥，水泥净浆水灰比0.42,注浆压力0.3～0.5MPa, 浆体强度40MPa。3)挂网喷射混凝土等级为C20,钢筋网ϕ6.5@200×200,施工范围为坑顶部土层和强风化层、坑内水位以下坡面及坑底基坑挖后的坡面。图4为边坡加固典型剖面。

　　4 边坡三维动力有限元分析

　　深坑酒店呈倒“L”形建于采石坑内，其特殊的结构形式导致主体建筑对于边坡变形特别敏感。因此，变形控制，特别是地震工况下坑底与坑顶相对位移控制，是深坑酒店项目边坡加固的重点与难点。通常的边坡加固主要采用极限平衡法进行设计，重点关注边坡稳定性，难以满足深坑酒店边坡加固变形控制的要求。为此，边坡加固设计中对小震及大震作用下边坡的变形特性进行二维及三维动力有限元数值模拟分析。限于篇幅，本文以大震工况的三维动力有限元数值模拟分析为例进行介绍。

　　4.1 边坡动力有限元分析模型

　　三维动力有限元分析模型包括深坑及其周边岩土体。网格划分中，岩土体及结构面弱化层采用六面体等参有限单元模拟，坑周单元分布密集，密集范围内的单元最大尺寸不超过2m×2m×2m, 密集范围内单元总数为178 660。模型边界条件采用CIN3D8无限单元模拟。整体模型岩土体共采用240 793个单元模拟，246 566个节点，见图5。

　　

　　图5 三维有限元模型网格划分 

　　 

　　网格划分中，锚杆、预应力锚索均采用杆单元模拟。需要说明的是，挂网喷射混凝土用于坡面防护，不影响边坡受力变形特性，边坡有限元分析中未对喷射混凝土进行建模。

　　4.2 边坡动力有限分析输入荷载

　　有限元分析输入荷载包括静力荷载与地震荷载。静力荷载包括：1)坑顶裙房基底荷载为130kPa, 作用于基底标高-3.000m; 2)地面超载30kPa; 3)坑口及坑底结构荷载，根据结构设计计算结果确定。

　　地震发生时，通常以纵波和横波的方式在地球内部传播，进而作用于上部的建筑物，其中横波是造成破坏的主要原因。因此，动力有限元分析中采用模型底部输入震动加速度的形式模拟地震荷载。图6为大震作用下基岩加速度时程曲线。

　　

　　图6 大震作用下基岩加速度时程曲线 

　　 

　　4.3 边坡动力有限元分析力学参数

　　考虑到边坡岩体节理裂缝相当发育，岩块室内试验结果与岩体参数差值较大，结合工程及研究经验，对室内试验结果进行折减得到有限元分析所采用的岩土体力学参数^[10],其中静弹性模量折减80%,岩块强度参数黏聚力c折减90%,内摩擦角φ折减30%～40%。边坡有限元分析中岩土体物理力学参数如表1所示，括号内数据为室内试验岩块的力学参数。

　　有限元分析中，预应力锚索、锚杆弹性模量取为220GPa, 密度取为7 800kg/m³,预应力锚索施加2 000kN的预应力。

　　边坡岩土体物理力学参数 表1 

土层 名称	波速Vs /(m/s)	泊松比 μ	重度γ /(kN·m-3)	静弹性模量 E/GPa	黏聚力c /MPa	摩擦角φ /°
填土	123.8	0.47	19.2	0.088	0.018	16.0
黏土	143.8	0.47	19.0	0.119	0.015	15.0
黏土	249.4	0.47	18.8	0.351	0.045	18.5
中风化 安山岩	2651	0.32	28.0	4.35	0.75(7.5)	21.0(33.1)
微风化 安山岩	3009	0.32	28.0	5.5	1.12(11.2)	21.0(31.4)
节理组		0.3		0.2	0.2	35.0
断层		0.3	25.6	0.5

　　 

　　4.4 大震作用下边坡加速度响应分析

　　图7为大震作用下原状边坡加速度时程曲线。由图7可知，大震作用下，边坡岩土体加速度响应沿高度方向呈放大趋势，在岩层顶面处放大约2倍，在土层顶面处放大约4倍；岩层软弱结构面处边坡加速度响应放大较为明显；土体的加速度放大效应较岩体更为显著。加固后边坡的加速度变化规律与加固前基本一致，不再赘述。

　　4.5 大震作用下边坡动位移响应分析

　　图8为大震作用下原状边坡水平位移时程曲线。由图8可知，大震作用下，未加固边坡岩层顶的最大水平位移约30mm, 土层顶的最大水平位移约130mm; 考虑水平位移相位差，坑底与坑顶(岩体)相对水平位移约40mm, 坑底与坑顶(土体)相对水平位移约140mm, 超过主体建筑变形控制要求，需要采取可靠的边坡加固措施，以保证结构安全。

　　图9为大震作用下加固边坡水平位移时程曲线。由图9可知，大震作用下，未加固边坡岩层顶的最大水平位移约15mm, 土层顶的最大水平位移约70mm; 考虑水平位移相位差，坑底-坑顶(岩体)相对水平位移约20mm, 坑底-坑顶(土体)相对水平位移约80mm, 满足主体建筑变形控制要求。

　　对比图8与图9中加固前后边坡动位移、坑底与坑顶相对位移动力有限元计算结果，采用预应力锚索+锚杆加固后，边坡动位移及坑底与坑顶相对位移均大幅降低，这说明预应力锚索+锚杆加固对改善边坡动位移响应效果显著，实现了边坡变形控制的加固目的。

　　图10为加固前后大震作用下边坡水平位移云图。由图可知，加固前后坡体的水平位移分布规律总体一致：坑顶水平位移较坑底水平位移大；坑顶水平位移与坑底水平位移之间存在相位差，这导致坑底与坑顶相对水平位移较大；相较于加固前，加固后边坡水平位移明显减小，这说明预应力锚索+锚杆等支护结构很好地约束了坡体位移变形，加固作用良好。

　　

　　图7 大震作用下原状边坡 加速度时程曲线 

　　 

　　

　　图8 大震作用下原状边坡 水平位移时程曲线 

　　 

　　

　　图9 大震作用下加固边坡 水平位移时程曲线  

　　 

　　

　　图10 加固前后大震作用下边坡水平位移云图/m 

　　 

　　4.6 大震作用下边坡稳定性分析

　　大震作用下边坡稳定性采用动力有限元强度折减法分析得到。数值模拟中对边坡岩土体的抗剪强度参数(黏聚力c及内摩擦角φ)按折减系数R进行折减，按下式计算得到新的抗剪强度参数c′与φ′^[11]:

　　c′=cR,φ′=arctan(tanφR)         (1)c′=cR,φ′=arctan(tanφR)         (1)

　　将c′与φ′重新输入模型中进行动力有限元分析，直至边坡达到失稳状态，将此时的折减系数R作为边坡动力稳定性安全系数。

　　经计算，大震作用下，加固前边坡稳定性安全系数为1.0,加固后边坡稳定性安全系数为1.4。计算结果表明，采用预应力锚索+锚杆加固后，边坡动力稳定性安全系数显著提高，满足边坡抗震稳定性控制要求。

　　4.7 加固前后边坡稳定性及变形分析

　　表2汇总了加固前后静、动力工况下边坡的稳定性及变形三维有限元分析结果。计算结果表明：支护后边坡稳定性安全系数提高，坑顶与坑底相对位移显著降低，满足稳定性及边坡变形控制要求，加固效果良好。

　　边坡稳定性及变形三维有限分析结果汇总 表2 

计算工况	加固前			加固后
	静力	小震	大震	静力	小震	大震
稳定性安全系数	1.8	1.2	1.0	2.0	1.6	1.4
坑底与坑顶相对位移最大值/mm	4.5	15	140	1.2	8	80

　　 

　　5 结论

　　结合上海深坑酒店建设项目边坡加固工程，探讨基于变形控制的边坡加固设计方法，通过引入三维动力有限单元法对边坡加固前后的动力响应进行模拟分析，研究加固前后边坡变形特性及稳定性，验证边坡加固方案的可行性，主要结论如下：

　　(1)动力有限元数值模拟表明，采用预应力锚索+锚杆加固后，边坡的动位移、坑底与坑顶相对水平位移较加固前明显降低，满足变形控制要求。加固后边坡的动力稳定性安全系数明显提高，满足抗震稳定性要求。

　　(2)边坡加速度响应随边坡高度逐渐放大，土层的放大效应较岩层更为明显；岩层软弱结构面处边坡加速度响应放大较为明显。

　　(3)采取预应力锚索+锚杆的加固方案能很好地实现稳定性控制及变形控制的加固目的，可为类似工程边坡加固治理提供借鉴。