宁夏沙坡头景区沙漠扶梯项目的稳定性分析_周岳.pdf

2020年第11期西部探矿工程 * 收稿日期 2019-12-31修回日期 2020-01-06 作者简介 周岳 （1977-） ， 男 （汉族） ， 宁夏中宁人， 工程师， 现从事于岩土工程勘察、 检测以及桩基工程工作。 宁夏沙坡头景区沙漠扶梯项目的稳定性分析 周岳* （宁夏地质工程院， 宁夏 银川 750001） 摘要 宁夏中卫市沙坡头是中外闻名的5A级景区， 滑沙场高差70多米， 景区拟建设沙漠扶梯项 目， 通过代表工程实例， 结合岩土工程勘察报告， 对拟建沙漠扶梯项目的整体稳定性与局部稳定性经 过计算， 进行了分析探讨， 对扶梯项目的稳定性进行了工程评价， 以期为项目施工提供参考。 关键词 滑坡； 稳定性； 沙坡头 中图分类号 P64 文献标识码 A 文章编号 1004-5716202011-0001-04 沙坡头是中外闻名的5A级景区， 黄河与大漠在这 里交汇接壤， 自然风光旖旎， 滑沙场更是无数游客游玩 的好去处。随着滑沙场的扩建工程， 拟建一个埋藏于 沙漠下的自动扶梯， 扶梯总长度200m， 提升高度70m， 埋藏于沙漠下1.30m， 筏板基础距沙漠表面7.0m， 沙坡 的自然坡度约为30。在沙漠地区建设地埋式扶梯项 目以及建设筏板基础存在失稳的风险。 滑坡稳定性评价是滑坡防治的根本依据， 是关系 项目安全与否的依据。本文以项目的岩土工程勘察为 基础， 对本项目的滑坡可能性进行了分析计算， 从沙坡 头滑沙区的整体稳定性和该项目是否存在局部滑坡两 个方面进行分析计算， 为项目的安全性评价提供技术 支撑。 1工程地质条件 1.1地形地貌 场区位于中卫市沙坡头景区滑沙场， 南侧紧邻黄 河， 北侧为腾格里沙漠边缘区， 西北风使得沙丘南移， 止于黄河， 形成了中外闻名的沙坡头自然奇景。拟建 景观扶梯场区位于中卫市沙坡头景区滑沙场西侧， 黄 海高程1241.23～1318.86m， 最大高差77.63m， 地形北 高南低， 自然边坡坡度为30。场区地貌单元属于风积 沙坡。 1.2区域地质构造及区域地震 场区位于卫宁区域构造带内,该构造带是由一系 列走向东西， 彼此平行展布的线性褶皱带与断裂组 成。因卫宁区域东西向构造带相对下降， 在第三纪就 已形成了一个广布的湖盆， 接受大量碎屑沉积物， 成为 白垩系、 第三系为基底的卫宁平原。场区的断裂构造 主要为黄河大断裂， 卫宁平原基底沿黄河走向分布的 次生断裂带， 至今尚未发现活动痕迹， 未造成对建筑物 的直接威胁， 所以该区域工程地质上是稳定的。 据有关地质、 地震研究资料 宁夏川区的地震活动 与宁夏新华夏构造体系隐伏断裂活动有关， 地震活动 频繁， 以5级地震为特征， 属于中强地震活动频繁地 段。在抗震设计时应严格按国家最新颁布的 建筑抗 震设计规范 （GB50011） 执行， 中卫地区地震设防烈度 为Ⅷ度， 设计地震分组为第三组， 设计基本地震加速度 为0.20g， 设计特征周期为0.45s。 1.3气象概况 沙坡头区深居内陆， 远离海洋， 靠近沙漠， 属半干 旱气候， 具有典型的大陆性季风气候和沙漠气候的特 点。春暖迟、 秋凉早、 夏热短、 冬寒长， 风大沙多， 干旱 少雨。年平均气温在 7.3℃～9.5℃之间， 年均无霜期 159～169d， 年均降水量 179.6～367.4mm， 年蒸发量 1829.6～1947.1mm,全年日照时数 2800h。 沙坡头区 年平均气温 8.8℃， 年降水量 179.6mm， 年蒸发量为 1829.6mm， 为降水量的 10.2 倍。降水量主要集中在 6～8月， 占全年降水量的60。全年无霜期平均167d， 全年日照时数2870h。沙坡头区平均气温9.5℃， 年平 均降水 202.1mm， 6～8 月的降水量占全年降水量的 61； 年蒸发量1947.1mm， 为年平均降水量的10.6倍。 1.4地层概况 岩土工程 1 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 场区为腾格里沙漠边界区， 在坡顶部施工一控制 性钻孔， 孔深60m， 其余在半坡上的钻孔孔深20.0m。 根据钻孔揭露的地层， 主要分为2个主层 ①粉细砂 本层分布于1～18号钻孔， 从表面到最 深20.45m， 均为粉细砂， 黄色， 稍湿湿， 松散密实， 为风积沙， 从坡顶的深孔揭露最大厚度55.0m。按照力 学性质分层， 分为3个亚层， 分别详述如下 ①1粉细砂 （Q4eol） 黄色， 稍湿， 松散稍密， 表层含 植物根系， 矿物成分以石英、 长石、 云母为主。层厚 5.0～6.0m， 平均厚度5.59m， 层位连续。1.50m以上天 然休止角为28， 1.50m以下天然休止角32。 ①2粉细砂 （Q4eol） 黄色， 稍湿， 中密， 矿物成分以石 英、 长石、 云母为主。层厚 1.80～2.80m， 平均厚度 2.19m， 层位连续。天然休止角34。 ①3粉细砂 （Q4eol） 黄色， 湿很湿， 密实， 矿物成分 以石英、 长石、 云母为主。层厚7.45～12.75m， 平均厚 度9.33m， 层位连续。天然休止角34。 ②砂岩 （E） 砖红色、 暗红色间杂灰黄色， 岩芯呈短 柱状、 柱状， 节理很发育， 风化程度为强风化， 属硬质砂 岩。本层仅坡顶的控制性钻孔揭露， 层顶深度55.0m， 终孔深度60.0m， 揭露本层最大厚度5.0m。 2滑坡稳定性的工程分析与评价 本工程拟建的沙漠扶梯分3级， 扶梯整体及基础都 埋置在风积沙中， 拟建扶梯坡度与自然沙坡一致， 均为 30斜坡。 2.1整体稳定性分析 2.1.1自然沙坡的整体稳定性 分析原始沙坡钻孔原位测试结果， 除①1层粉细砂 为松散状态， 其下的粉细砂均为中密密实状态， 在钻 探深度内未见地下水， 土工试验结果显示， 粉细砂含水 量5.8～8.1， 粉细砂含水状态为干稍湿。按无粘 性土坡的稳定分析， 本项目按均质干坡且没有渗透水 流作用的无粘性土坡考虑。 现从坡面上取一小块土体来分析它的稳定条件。 设小土体的重量为W， W沿坡面的滑动力TWsinα。 垂直于坡面的正压力 NWcosα， 正压力产生摩擦阻 力， 阻抗土体下滑， 称抗滑力， 其值为 RNtanφ Wcosαtanφ。定义土体的稳定安全系数Fs为 Fs 抗滑力 滑动力 R T Wcosαtanφ Wsinα tanφ tanα 式中φ土的内摩擦角，（） ； α土坡的坡角，（） 。 显然， 分析的土体无论在坡面上哪一个高度， 都能 得到上式的结果， 因此安全系数Fs代表整个边坡的安 全度。当Fs1时， αφ， α称为天然砂休止角， 其值等于 砂在松散状态时的内摩擦角。如果是经过压密后的砂 土， 内摩擦角增大， 稳定坡角也随之增大。只要坡面上 的土颗粒在重力作用下能够保持稳定， 整个土坡就处 于稳定状态。砂土的天然休止角， 就是砂土所能形成 的最陡的坡角， 也是土坡处于极限平衡状态时的坡 角。按照天然休止角堆沙堆， 无论沙堆多高， 沙堆都处 于极限平衡状态， 小于天然休止角， 自然状态下的沙坡 都是稳定的。 根据项目岩土工程勘察报告， ①1层粉细砂 （松散 状态） 天然休止角为28， 其下的粉细砂天然休止角为 34， 故①1层粉细砂不稳定， 其下粉细砂地层均无滑坡 可能。 2.1.2渗流状态下沙坡的整体稳定性 当无粘性土坡坡面具有顺坡渗流时， 安全系数降 低约一半。根据勘察结果显示， 拟建景观扶梯的地层 无地下水出露， 也无地下水的渗流。沙坡头当地气象 条件， 沙坡头区深居内陆， 远离海洋， 靠近沙漠， 属半干 旱气候， 具有典型的大陆性季风气候和沙漠气候的特 点。年均降水量179.6～367.4mm， 年蒸发量1829.6～ 1947.1mm。考虑极端天气的出现， 才会有少量的表面 渗流现象， 因此， 当出现极端暴雨或大暴雨时， 自然沙 坡表层是不稳定的。自然极端暴雨的出现概率， 因为 缺少这方面的资料， 本次分析评价只能是有这种情况 的可能性下， 自然沙坡是不稳定的， 特别是①1粉细砂 的表层部分 （1.0m以内） 不稳定， 由于扶梯整体及基础 都埋置在风积沙中， 扶梯安装完毕后上覆回填沙层厚 度平均为1.30m， 后续施工的回填上覆沙可人工干预使 之密实处理， 增大内摩擦角。 综合以上分析， 该项目实施中， 自然沙坡的整体稳 定性基本可以满足设计要求， 按照勘察报告建议， 基础 采用人工挖孔桩， 桩径1000mm， 桩长10.0m， 桩基础与 拟建扶梯形成整体， 桩基深入稳定砂层中， 桩基础的作 用相当于抗滑桩， 更加地保障了该项目的整体稳定性。 2.2局部稳定性分析 2.2.1地基局部稳定计算 （1） 单桩作用范围水平投影长度为8.40m， 长度取 为L8.4cos309.70 （m） ， 宽度方向为一半扶梯宽度。 （2） 桩顶恒载计算 ①覆砂重量 板顶覆砂重量考虑宽度按增加2.0m 范围计算。 2 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 板顶覆砂重量 1.33.19.716626 （kN） ； 增加2.0m范围沙 2.07.09.7162173 （kN） 。 ②筏板重量 0.59.74.125497 （kN） 。 ③筏板垫层重量 0.159.74.22414 （kN） 。 ④钢筋混凝土顶板 0.259.73.125188 （kN） 。 ⑤钢筋混凝土梁 0.50.73.22528 （kN） 。 ⑥钢筋混凝土墙 0.39.75.525400 （kN） 。 则桩顶恒载626217349714718828400 4059 （kN） 。 （3） 桩顶活载计算 ①筏板顶活载为3.5kN/m2； 顶板顶活载为2.5kN/m2。 ②则桩顶活载为9.73.1 （3.52.5） 180 （kN） 。 （4） 桩顶设计荷载计算 ①永久荷载控制组合 1.3540591.40.7180 5656 （kN） 。 ②活荷载控制组合 1.240591.4180 5123 （kN） 。 则本工程桩顶设计荷载F5656kN。 （5） 桩顶推力计算。对桩顶设计荷载F分解得 ①平行坡顶FXFsin3056560.52828 （kN） 。 ②垂直坡顶FYFcos3056560.866 4898 （kN） 。 ③按最不利情况考虑， 取桩顶细砂摩擦系数μ 0.50， 则 桩 顶 受 到 平 行 于 坡 顶 水 平 推 力 为 T Fsin30-μFcos302828-0.54898379 （kN） 。 ④ 桩 顶 受 到 水 平 推 力 为 HKT cos30 379 0.866328 （kN） 。 （6） 桩基水平承载力特征值计算 ①基本资料 桩的类型为桩身配筋率小于0.65的 灌注桩， 桩顶铰接， 截面类型为圆截面， 桩身直径为d 1000mm， 桩长h10.0m； 使用C30标号混凝土， 钢筋型 号为HRB400， 钢筋保护层厚度c50.0mm， 桩身纵筋 AS2818mm2， 桩侧土水平抗力系数的比例系数 m 50.0MN/m4， 桩顶竖向力N4189.0kN。 ②根据 建筑桩基技术规范 计算Rh， 具体计算过 程略过， 经计算得Rh431。 HK328kN＜Rh431。 边 坡 安 全 系 数 Fs 431.8213281.32， 则本工程地基局部稳定满足要 求。本工程计算如图1所示。 2.2.2开挖地基时局部稳定分析 本工程最大开挖深度7.0m， 在开挖施工时， 周边开 阔， 放坡采用砂土的自然休止角放坡， 另外辅助表面洒 水、 开挖弃土及时运离现场， 不得在开挖周边堆载等措 施， 可以完全保证人工边坡的局部稳定性。 3结语 综上所述， 项目区滑沙场的稳定性进行了计算， 通 过整体稳定性和局部稳定性的对比分析， 计算得到的 安全系数均大于1.0， 沙漠扶梯项目建设场地整体稳定 性和局部稳定性良好。另外根据2013年已经建成投入 使用的沙漠扶梯运营现状， 运营至今， 没有发生滑移错 位等现象， 该项目的稳定性是良好的。该项目采取人 工挖孔桩有效地增加了抗滑移措施， 发生滑坡的可能 性得到有效控制， 抗滑效果明显， 保障了建筑物的安全 使用。 参考文献 [1]GB 50021-2001岩土工程勘察规范[S].中国建筑工业出版 社， 2009. [2]GB 50007-2011建筑地基基础设计规范[S].中国建筑工业出 版社. （下转第7页） 图1单桩受力分析图 3 ChaoXing 2020年第11期西部探矿工程 桩。通常情况下， 桩身混凝土采用商品砼公司提供的 商品混凝土、 泵送浇灌入桩孔内， 能够保证桩身混凝土 浇灌质量。 （3） 桩孔终孔后， 应及时对桩孔和钢筋笼检查验收 和安放并浇灌桩身混凝土， 避免因桩孔终孔停留时间 过长， 造成桩底沉渣厚度超过规范要求， 导致桩身质量 缺陷或影响桩的承载力。 5施工注意事项 5.1注浆加固施工注意事项 （1） 因该建筑场地内岩溶发育且具有不均匀性， 基 岩面起伏变化大， 可利用桩基勘察中遇溶洞、 溶槽或溶 沟及土洞的钻孔作为注浆孔， 既能减少注浆孔机械成 孔时间， 又能提高注浆孔遇溶洞、 溶沟或溶槽及土洞的 概率， 同时能提高岩溶注浆效果和提高工效。 （2） 为节约材料、 降低工程成本， 对于洞高大于 1.0m的岩洞、 土洞， 应采用灌注 （1 ∶ 1） ～ （1 ∶ 3） 的水泥砂 浆。而对于非空洞孔段注浆， 应及时更换为原来水玻 璃水泥浆液注浆， 同时应控制两者之间的搭接长度， 一般搭接长度控制在0.5m范围内。 （3） 因本岩溶地面塌陷区注浆是在完成桩基勘察 施工后进行注浆加固， 且勘察孔遇溶洞、 溶沟或溶槽及 土洞的几率较大， 在注浆孔注浆时， 其附近遇溶洞、 溶 沟或溶槽及土洞的勘察孔会出现 “冒浆” 现象。为提高 注浆加固效果， 可采取 “增加水玻璃溶液量， 以缩短水 玻璃水泥混合液胶凝时间” 的方法控制浆液无效扩 散半径， 必要时还可采取 “间歇注浆法” 进行注浆； 同时 为减少机械成孔数量与进尺， 可采取 “预埋注浆管” 方 法进行二次注浆， 即在某一注浆孔注浆过程中， 如发现 其附近勘察孔出现 “冒浆” 时， 先暂停注浆加固， 用钻机 将事先准备好带花管并用封口胶密封的注浆管埋入 “冒浆勘察孔” 内， 预埋深度应与勘察孔深度相近， 以确 保注浆加固效果， 待该注浆孔完成注浆后次日对其进 行注浆。 5.2旋挖钻孔灌注桩施工注意事项 （1） 桩端持力层的确认 为确保桩端持力层嵌入设 计岩层深度并保证桩端持力层为设计持力层， 应在桩 孔接近设计持力层深度时采取岩样， 同时及时通知勘 察单位鉴别岩性并确认； 如采取岩样发现存在不完整 或泥时， 应及时向监理、 勘察单位汇报。 （2） 因桩身混凝土浇灌采用商品砼、 配合混凝土泵 送进行水下浇灌， 桩孔终孔后， 应及时对桩孔和笼验 收； 验收合格后， 应及时浇灌桩身混凝土， 避免因停待 时间过长而造成桩底沉渣超过规范允许厚度， 导致桩 底与基岩胶结差和影响桩的承载力。 6结束语 （1） 采用注浆加固方法处理溶洞、 溶沟或溶槽、 土 洞等复杂地质条件， 能够有效地预防浅层岩溶地面塌 陷， 避免因岩溶地面塌陷给建成、 使用中商住楼造成不 良影响。 （2） 采用 “注浆加固方法处理场地内软弱地基土、 旋挖钻孔灌注桩的桩筏基础承担高层建筑物荷载” ， 能 够有效地克服裙楼和高层建筑物对地基土不同变形量 的要求， 能减少不均匀沉降。 （3） 本场地虽岩溶发育、 基岩面起伏大等复杂地质 条件， 但经注浆加固后， 溶洞、 溶沟或溶槽基本注满水 泥浆或水泥砂浆， 旋挖钻孔成孔相对简单， 减少如卡 钻、 钻具折断等孔内事故发生。 参考文献 [1]韦兴标,等.强夯法、 注浆法和桩基础在大面积回填地基加固 处理中的应用[J].地基处理， 2018 （6） . （上接第3页） [3]GB 50330-2013建筑边坡工程技术规范[S].中国建筑工业出 版社. [4]周岳.中卫市沙坡头景区沙漠扶梯建设及滑沙场扩建工程 岩土工程勘察报告[R].宁夏地质工程勘察院， 2016. [5]陈仲颐， 周景星， 王洪瑾.土力学[M].北京 清华大学出版社， 1994. [6]张倬元.滑坡工程的现状与发展展望[J].地质灾害与环境保 护， 2000 （11） . [7]徐卫亚.边坡及滑坡环境岩石力学与工程研究[M].北京 中 国环境科学出版社， 2000. 7 ChaoXing