山地建筑高边坡设计疑难问题分析

王亚丽，王雪帆，彭炎华

（广州市吉华勘测股份有限公司 广州 511430）

0 引言

随着城市化进程的加快，山地开发建设越来越普遍，山地建筑结构设计与边坡关系既密切又复杂，边坡处理的合理性关乎到建筑物的安全和社会经济效益。研究者针对山地建筑结构和边坡的关系做了一定的分析，阐述了边坡处理的重要性。提出山地建筑设计过程中，建筑、结构、岩土专业在方案阶段应进行密切配合［1］。设置挡土墙、放坡卸载等措施以减小边坡对主体结构的作用力［2］。既要关注边坡的局部稳定，也要小心场地整体的稳定性［3］。而高边坡也有其自身的特点，不同的岩层走向有不同的加固方式［4］、设计中应考虑地震响应［5］、重视排水、根据实际项目采取合理的加固措施。结合高边坡和山地建筑的特点，综合分析各种影响因素，选择合理的边坡设计方案。本文以某建筑项目超高边坡为例，探讨高边坡设计方面遇到的问题和解决方案。

1 工程概况

本项目位于广东清远某地，整个场地呈环抱状不规则梯形。东侧及北侧为林地，南侧为景区道路及停车场，西侧为道路，如图1 所示。拟建4 栋17～18 层的高层住宅楼，14栋8层多层住宅楼，37栋4层叠墅。建筑物依山而建，根据现状地形的高差分布1～3 层的地下室。

图1 建筑场地开挖过程Fig.1 Construction Site Excavation Process

2 地质勘察及地灾评估

勘察资料表明，整个场地的地质分布为：①北侧边坡土岩混合，顶部有较薄一层全风化岩层、强风化岩层，以下为中风化和微风化岩层；②其它建筑场地浅层表现为填土土质的性质，松软且分布范围较广，成分主要为黏性土及强风化岩块，工程性能一般，均匀性差；下部岩层分布以砂岩为主。

根据地质灾害危险性评估报告，工程场地内的地质环境条件复杂程度为中等。在建设场地范围内未见已发地质灾害，预测工程建设引发、加剧及工程本身遭受的地质灾害类型为挖方边坡崩塌/滑坡、地面沉降和基坑崩塌/滑坡3 种，其危害性危险性均为中等，但均可防治，在采取有效的防治措施后，可进行场地工程建设。

在项目桩基施工中，发现岩层分布起伏较大。为了更准确的判定桩长，保证整个边坡的稳定，对支护桩采用了一桩一孔的超前钻实施方案。

综上所述，在山地建筑的高边坡设计中，详细的场地勘察及地灾评估能预判场地整体的安全性，为具体边坡治理的设计指明方向；同时超前钻的实施有利于施工过程质量的精准把控。全面的地质判断为山地建筑边坡稳定性的设计奠定坚实的基础。

3 场地排水设计

边坡治理专家成永刚博士对边坡治水有过比较深刻的总结。“治坡先治水”，对于富水的边坡或滑坡，如果不能有效对地表水或地下水进行有效的截、引、排，轻则可能造成支挡加固工程规模的大幅提高，重则造成坡体治理“屡战屡败”。

本项目位于南热带季风区气候，雨量充沛，地下水主要接受大气降雨补给，向低处排泄。岩层组成以粉砂岩为主，泥质胶结，遇水易软化。北侧山坡下部建筑场地内浅层体现为土质特性。过大的雨水会对地表进行冲刷，造成水土流失；雨水渗透进地下降低土体抗剪强度，易引发滑坡或造成山体建筑地下室浮起。因此，控制山地上的水流量对建筑场地的破坏，需对整个场地做有组织排水设计，保持山体环境的稳定，从而增加山体建筑的安全性。［6］北侧边坡部分，考虑汇水面积、排水路径，沿纵向每30 m 设置一道跌水沟，跌水沟下设置沉砂池；横向在坡顶设置截水沟，各级平台设置排水沟；水流沿水平方向自东向西，纵向自上而下，汇聚接入就近市政管网。山脚下设置排水沟，与场地内排水沟相连，形成纵横交错的排水网络，最终接入市政管网，排出场地外。西南侧遇挡土墙区域，在挡墙墙身设置泄水孔，沿长度和高度方向每2～3 m设置一个，采用100 PVC 管，排水坡度为5%，梅花状布置，在挡墙墙背设置通长的经夯填的砂砾石反滤层，以排出挡墙墙背积水，最终水流通过墙底排水沟接入市政管网［7］。无论是施工阶段还是使用阶段均要保证排水的通畅。

治坡先治水是坡体病害治理亘古不变的原则，它不但可以确保坡体的长治久安，也可大幅减小坡体支挡工程规模而降低工程造价，有效提高工程设计品质。

4 边坡设计方案

4.1 项目的难点和重点分析

项目场地的边坡治理难点集中在3 个部分：①北侧原始山地结合开挖做山体改造，边坡高度30～75 m，长度约400 m，坡体露头基本为强风化岩层；②内部道路和各组团建筑支护部分，边坡高度2～9 m，长度约2 635 m；③集中在入口的南侧和东侧场地标高较低的区域，场地内标高高于周边场地，需要做高支挡，长度约190 m。

4.2 边坡治理方案与思路

建筑边坡为永久边坡与建筑具有同样的使用年限，应根据正常使用状况、暴雨工况、地震工况、暴雨和地震耦合作用工况分别进行分析计算和设计。尤其注意对水体的处理，对施工开挖方案、施工工艺提出要求，确保支护工况和永久工况下安全性。

进行边坡支护设计，需要根据勘察报告对各岩土层的结构、产状、构造发育特点、力学性质等进行分析评价，通过经验分析得到水上和水下状态等设计参数。

边坡治理设计要“依山就势，顺势而为”，尽量减少对原地貌的深挖填方”［8］。一般来说，天然的边坡是在经过数十年、百年甚至千年的大自然风化夷平作用后达到自身平衡而处于稳定状态的，所以在治理边坡时应尽量减少大量制造台坡的情形，而对自然坡体的不稳定部分进行修坡以增大其安全稳定性，必要时采用格构式锚杆加固也是一种有效的方法［9-10］。边坡的绿化结合建筑设计要求进行，保证在最短时间内复绿。需考虑植物类型，配合比，施工工艺等。

设计计算软件选择理正岩土工程计算分析软件中边坡稳定分析模块、建筑边坡挡土墙模块及理正边坡综合治理，采用圆弧形态的边坡稳定计算方法。

4.3 北侧超高边坡治理方案分析

4.3.1 典型剖面1

如图2所示，该剖面位于场地西北侧，下部为叠墅建筑，如果采用结构抵抗全部土压力，从计算上分析岩土与结构的共同作用、整体抗滑移等，则在基础处理、施工等存在很多难题，而且叠墅刚度小，抗侧移能力差，无法平衡两侧的不同土压力，因此此剖面设计优先考虑设置永久性边坡支挡结构，让单体和土体脱开［11］。

图2 西北侧边坡典型剖面1Fig.2 Typical Profile 1 of Northwest Side Slope

从山顶到别墅板底整个边坡高度约45.48 m，经设计计算分为七级。自下而上第一级为混凝土挡墙、第二至第四级为格构梁加全长粘结锚杆、第五～第七级为绿化护坡。第一级采用混凝土挡墙护脚，以防止墙根部受雨水冲刷及人为破坏。第二～第四级坡度分别为1∶1、1∶1、1∶0.8，中间设置2 m 宽平台，格构梁纵横肋间距2 m，截面尺寸为300×300 mm；坡底下设地梁，截面尺寸为600 mm×800 mm，锚杆长度12～18 m。第五～第七级坡比分别为1∶1.5、1∶1.5、1∶1.25，中间平台宽度为3.5～7.5 m。山顶绿化没有破坏处尽量维持现状，其它格构梁及放坡处绿化采用喷混植生绿化，尽快复绿。

经计算复核，总的下滑力4 906.285 kN，总的抗滑力6 743.744 kN，滑动安全系数为1.371，满足《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》第5.3.2 条1.350的最低要求。

综上所述，在场地充足处，可考虑多级放坡的形式，安全经济。下部结构抗侧移刚度较弱时，优先采取和单体脱开的支挡方式，避免受力不清晰导致的方案失败。

4.3.2 典型剖面2

如图3所示，该剖面位于场地东北侧位置，下部建筑为小高层，两层地下室，受地下室埋深、人防地下室覆土等的要求，侧壁需回填至顶板覆土面。设计需满足临时支护和永久支挡的要求。临时支护到底板底，支护深度约71 m。回填后永久支挡高度约为61 m。

图3 东北侧边坡典型剖面2Fig.3 Typical Profile 2 of Northeast Side Slope

方案选择若采取分级放坡方案则场地位置不够，为确保场地整体稳定，在放坡位置不满足安全距离的情况下，优先考虑变形控制较好的桩锚体系［12-13］。依据高边坡的特点，固脚强腰，分级加固。永久支护阶段采取下部桩锚体系，上部分5 级放坡采用格构梁加锚杆加固，顶部保留原状绿化放坡。开挖临时支护阶段，桩前预留反压土台，土钉墙增强其稳定性，后期回填。

计算分整体计算和上部放坡计算两部分。整体计算桩前留置土台采用折减法，减少桩端嵌固端上部的支挡高度，放坡采用等效超载法折算成三角形土压力计算。总的下滑力22 013.8 kN，总的抗滑力31 983.2 kN，整体稳定验算最小安全系数1.453，满足《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》5.3.2条1.350的最低要求。上部放坡按折线滑动法计算，还应验算岩层之间的下滑力以及岩层与岩层之间的粘聚力对抗滑力的贡献。

施工过程中要注意对锚索的封锚，做好后期维护，对山体给予主体结构的压力进行监测，发现压力增大时应及时处理［14］。

综上所述，场地受限时，可采用对变形控制较强的桩锚支护体系。结构刚度较大时，可考虑有限土单边的回填以满足建筑景观及使用功能的要求。

这两个边坡已经属于超高边坡的范畴，通过专家评审，并结合当地的实际工程经验，以确保设计的合理性。

4.4 场地内超高挡墙方案分析

如图4所示，该剖面做法位于场地中部，上部主干道前期作为连接各开发组团的唯一施工通道，后期作为消防通道使用。由于其特别的作用，基坑回填以后再施工无法满足施工期间的需求，故在基坑未开挖前即需要开始施工到路边挡墙且回填施工道路。故最不利工况支挡高度为道路顶到下部地下室底板底，深度达18.4～19.4 m，地下室施工完成后进行下部侧壁肥槽回填，最终使用期间的永久挡墙高度9 m左右。

图4 场地内典型挡墙剖面Fig.4 Typical Retaining Wall Section within the Site

方案选型：方案1 如图4 所示，上部采用扶壁式挡墙下部为桩锚体系；方案2 上部道路采用架空桥梁做法下部为桩锚体系。对比分析结果表明，桥梁做法不经济。故选择方案1。

采用理正深基坑7.0 增量法计算，支护重要性系数1.1。上部扶壁式永久挡墙和下部桩锚临时支护分成两段分别计算。桩锚支护计算，上部新近回填土作为荷载加在坡顶。桩锚计算结果：抗倾覆稳定性最小，安全系数1.521大于《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012》规定的1.250的最低要求；最大位移26.5 mm，满足一级基坑30 mm的限值要求。

扶壁式挡墙计算考虑顶部取值30 kPa 以满足施工道路和消防车道两种工况的要求。滑动稳定性验算：滑移力522.1 kN，抗滑力691.2 kN，滑移安全性系数1.324＞1.300，经验算满足《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》的要求。抗倾覆安全系数2.766＞1.600，有一定的富裕度。其它结构及地基承载力验算均满足相应要求。

4.5 现状挡墙加高方案分析

南侧入口挡墙处，现状已经施工有扶壁式挡墙，而且处于稳定状态。由于规划方案调整，挡墙由6 m增加到10～12 m，需要对挡墙进行加高。

最初方案考虑废弃原挡墙重新设计新的扶壁式挡墙，施工时需破坏现状施工通道，考虑实际施工进度，无法按时完成交付节点。故选择对现状挡墙进行加高处理。

方案1 如图5⒜所示，在原挡墙外部重新设置灌注桩，上部采用桩板墙，灌注桩施工要考虑穿越原扶壁式挡墙的墙脚，成桩工艺考虑成本较高的冲孔桩，在基础底板受冲击过程中无法评估对现状挡墙的破坏。设计桩径1.2 m，再加上机械施工操作面，势必要占用红线外至少1.7 m 的距离，会引起产权纠纷，而且此方案经济性差。

图5 南侧入口挡墙加固方案Fig.5 Reinforcement Scheme for South Entrance Retaining Wall

方案2 如图5⒝所示，采用锚杆式挡墙方案，在现状挡墙的基础上，加大立板厚度及配筋，并在立板外侧设置肋柱，加宽基底宽度，基底设置抗滑挡板，设置3道锚索作为主要的受力构件。锚索施工时考虑不同的角度，避开已施工的地下室结构。同时为了减少地下室侧壁和挡墙之间的土压力，保证雨季施工的工程质量及施工进度，回填土采用碎石粉回填，分层夯实，并要求回填的压实系数不应小于0.94。目前项目已经完成交付，挡墙监测变形稳定。方案2 相比方案1节省约170万的成本。

原状挡墙加高，需综合考虑原有挡墙对新建边坡的有利影响［15］、施工进度、产权、成本等综合因素，对各种可能方案做可行性分析。

5 结论

山地建筑边坡应充分考虑场地特点、建筑场景，做综合对比分析。本文分析了4 个不同的案例，包括2个超高边坡、1个场地内超高挡墙和1个既有挡墙加高处理案例。通过对实际工程多方案的对比和选择，为类似工程提供解决问题的思路。

⑴超高边坡设计应依据场地现状，合理选择边坡形式，当位置充足时优先考虑放坡这种造价低，可靠性高的方案；当场地受限时，可选择挡墙或者桩锚等更强的垂直支挡形式，但此类方案造价高且施工工艺复杂。建筑物位于坡脚时，边坡与下部结构完全独立还是协同受力，需充分考虑结构抗侧移刚度及承载能力，并评估需要完成的实际功能及相应成本。协同受力情况主要使用场景如人防地下室侧壁周边要全覆土、地下室周边作为通道或室外场地使用时，地下室侧壁承受回填土压力和上部不稳定的岩土压力，若结构侧向承载力较大，可考虑地下室侧壁和永久支挡共同受力，这种处理方式计算比较复杂，需要岩土和结构工程师共同设计考虑，但是可以有效节省成本，解决实际使用功能；也可以侧壁仅考虑回填土压力，上部边坡单独处理，这种处理成本相对较高，受力相对清晰。当无重要使用功能则不必在地下室周边覆土过高，或结构侧向刚度较小时，可考虑边坡和下部结构完全分离，受力分析简单，满足边坡设计要求即可。

⑵本场地内超高挡墙方案选型对比了扶壁式挡墙和架空桥梁做法，分析成本及工期因素，扶壁式挡墙方案综合成本更优。由于此挡墙上部兼具前期施工通道和后期规划路的功能，又与下部地下室开挖工况紧密相关，计算按最不利工况，取临时支护和永久支挡的包络设计。

⑶既有挡墙加高处理对比在现状挡墙外重新施工灌注桩和对原墙体加强两种方案。前者施工时会对原墙脚造成破坏，存在施工风险；占据红线外位置，会造成产权纠纷；工程造价高。后者维系原有的支挡体系，对现状破坏小，施工方便，工期短，成本低；最好对现状的挡墙进行重新检测，为加固设计提供可靠的依据。

⑷边坡挡墙设计应进行详尽的地质勘察，地质灾害危险性评估，必要的超前钻。做好场地内有组织排水设计。关键部位设置监测点进行长期的变形监测。