边坡稳定性分析与加固综述

摘 要：边坡稳定分析一直是岩土工程中的重要研究内容,边坡按组成物质可分为土质边坡和岩质边坡。其物质构成并无本质的差别，但其在结构上完全不同。两种边坡稳定性分析为边坡预测预报及整治提供依据，边坡加固为边坡稳定提供了保障。目前，边坡稳定性分析采用的主要方法有定量分析方法、定量分析方法。而在加固过程中主要针对岩体边坡的破坏形式及影响因素这两个方面来进行。本文就是针对边坡的稳定性分析和加固方法，以及破坏形式及影响因素等问题进行地综述。

关键词：岩质边坡；稳定分析；土质边坡；边坡加固；定性分析方法；定量分析方法；

边坡的稳定分析是岩土工程中重要的研究内容之一。在我国,随着国民经济的发展,特别是西部大开发政策的实施,水利工程、铁路、公路及城市等基础设施建设方兴未艾,在这些工程中出现了许多边坡工程,如三峡高边坡等。由于实际岩体中含有大量不同构造、产状和特性等不连续结构面(比如层面、节理、裂隙、软弱夹层、岩脉和断层破碎带等) ,给边坡的稳定分析带来了巨大的困难。为了对边坡进行准确的稳定性分析,从而采取适当的开挖和支护措施,国内外学者和工程人员提出了许多理论和方法,大大促进了边坡稳定性分析方法和加固方法的发展。

1 边坡的破坏形式及影响因素

1.1 边坡的破坏形式

边坡的变形破坏类型有多种, 按其变形规模和范围分为坡体变形、边坡变形和坡面变形。

坡体变形:边坡所在山体或斜坡体工程地质条件较差,有不良坡体或岩体结构,有贯通且延伸度长的倾向临空的不利结构面或软弱夹层,地下水发育,影响范围深。边坡高度较高时,会产生规模较大的滑坡、崩塌、错落和坍塌等坡体整体失稳变形,其范围常超出边坡范围。

边坡变形:在边坡范围内工程地质条件较差或含水量高,或有倾向临空的不利结构面,变形破坏可以是一级或数级边坡的变形,但破坏深度一般≤6～7 m ,在边坡范围内发生如坍塌、浅层滑坡、局部楔形体滑动等。

坡面变形:坡体边坡自身是稳定的,但坡面在外界因素作用下,因剥蚀、风化、冲刷等产生坡面变形,如碎落、剥落、落石、溜坍、冲沟等。

1.2 影响边坡稳定的因素

地层岩性:地层岩性及其组合是构成高边坡的物质基础,岩性决定岩石的强度,抗风化能力,岩体结构及所能保持的边坡高度。岩石软弱,风化深度大,构造破碎严重,当切坡高度、陡度达到一定值时会发生失稳现象。

地质构造:地质构造决定岩层的产状,节理裂隙的性质及发育程度,断层破碎带的性质等,受构造的影响,如高边坡体上节理裂隙发育,岩体破碎,将严重影响高边坡的稳定性。

地形地貌:地形地貌也是产生滑坡的重要条件。不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力,并引起坡顶出现张裂缝;在坡脚产生强烈的剪应力,出现剪切破坏带,这些作用极大地降低边坡的稳定性。

水文地质条件:水是造成边坡失稳的重要因素,地下水软化岩(土) 体,降低其强度,增大容重而增大了下滑力,产生静、动水压力,产生边坡的失稳。坡体内具丰富的地下水,岩性软弱,往往导致大规模变形,如坡体滑坡、边坡滑坡的产生。是否具地下水及地下水发育程度是评价边坡稳定的重要因素。

地震:地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力,当水平地震附加力的作用方向不利时,边坡的下滑力增大,滑动面的抗滑力减小。另外,在地震作用下,岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低,也对斜坡的稳定不利。

降雨:大气降水是滑坡致灾的最主要外因。降水对滑坡的作用是一个动态过程,大气降水注入滑体,增加岩土的含水量、增加岩土体容重、软化岩体、降低岩体的抗剪强度。降雨渗入到风化岩土体之下的基岩面或断水层面变成润滑剂,降低了接触面的抗滑稳定性。

人为因素: 边坡的不合理设计、爆破、开挖或加载,大量生产生活用水的渗入等都能造成边坡变形破坏,甚至整体失稳。

2 边坡稳定性分析的方法

边坡稳定性分析方法很多,大致可以分为两大类:定性分析方法和定量分析方法,其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。

2.1 定性分析方法

定性分析方法主要是通过工程地质勘察,对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析,对已变形地质体的成因及其演化史进行分析,从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性的说明和解释。

定性分析方法主要包括:自然(成因) 历史分析法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等。自然(成因) 历史分析法主要用于天然斜坡的稳定性评价。图解法可以分为诺模图法和投影图法。诺模图法主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。投影图法就是用赤平极射投影的原理来评价边坡的稳定性,并为力学计算提供信息,主要用于岩质邊坡岩体的稳定性分析。

2.2 定量分析方法

定量分析方法分为确定性分析方法和不确定性分析方法,其中确定性分析方法主要包括极限平衡分析法和数值分析方法;不确定性分析方法主要包括灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等。

2.2.1 确定性分析方法

极限平衡分析法。极限平衡理论的主要思想是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体,通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程来分析边坡的稳定性。极限平衡分析方法很多,主要包括: Fellenius 法、Bishop 法、J anbu 法、Morgenstern——Price 法、Spen2cer 法、滑楔法、不平衡推力法、Sarma 法等。由于极限平衡法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点,因此得到广泛的应用。

数值分析方法。随着计算机硬件技术的发展,很多数值分析方法开始应用于边坡稳定分析,主要有:有限元法、有限元强度折减法、DDA 法、FLAC 法、流形元法、边界元法、离散元法、界面应力元法等。

有限元法是一种十分成熟的数值方法。它的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小与分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制,分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。

强度折减法的要点是利用公式 和 调整坡体的强度指标 ，然后通过不断地增加折减系数 ,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为稳定安全系数 。有限元强度折减法除了具有有限元的一切优点外,求解安全系数时,不需要假定滑裂面的形状和位置,而是由程序自动求出滑裂面;能够考虑开挖过程对边坡稳定性的影响;能够模拟坡体和支护的共同作用。

DDA 法假定岩体由许多节理裂隙切割形成的各种形状的块体组成的不连续系统,该不连续系统的平衡方程是按照最小势能原理,对势能泛函取最小值得到的,因此其理论体系是严格的。特别适用于对块状岩体结构的稳定状态和变形破坏模式的定性评估。

2.2.2 不确定性分析法

灰色系统评价法。灰色系统评价法把系统中的一切信息量看作灰色量,采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理,确定边坡稳定性各影响因素的影响程度,进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。

可靠度分析方法。边坡工程可靠度分析是把边坡岩体性质,荷载,地下水,破坏模式,计算模型等作为不确定量,借鉴结构工程可靠性理论方法,结合边坡工程的具体情况,用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。

模糊综合评价法。模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则,综合考虑被评事物或其属性的相关因素,进而进行等级或类别评价。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标,据此判断出边坡的稳定性情况;缺点是在实际操作过程中,评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性,并且并没有考虑到各个影响要素。

2.3 边坡稳定性分析方法的发展趋势

边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步,它只能算是一种半定量的分析方法。

随着数值分析方法的不断发展,不同数值方法的相互耦合,如有限元、边界元、离散元与块体元等的相互耦合,数值解和解析解的结合,这些方法的耦合能充分发挥各自的优点,解决更复杂的边坡工程问题。

边坡(滑坡) 系统是一个开放的系统,它不断与周围环境进行着物质和能量的交换。边坡系统的失稳是一个不可逆的热力学过程,这种过程可以用熵来度量。滑坡失稳前,其总熵不变,一旦总熵发生变化,势能和应力分布随之发生变化,当两者出现差异时,滑坡就失稳而产生滑动。因此,从热力学角度研究边坡系统失稳应具有十分重要意义。

能量方法在边坡稳定分析中的应用。干扰能量法严格遵守计算力学基本原理,从能量角度出发给出系统或局部的稳定安全系数(增稳内能与失稳外能的比值) ,由于能量是一个标量,避免了不同投影方法所导致的抗滑稳定安全系数计算公式的不统一。利用干扰能量是标量的性质,可以更为合理地进行局部和整体的稳定性的分析。

3 边坡防护与加固措施

边坡的处治可以分为防护与加固两种。防护是在边坡稳定的基础上进行的,如果边坡不稳定,首先要进行加固。常用的防护与加固的特点以及适用范围如下：

3.1 各类加固的特点及适用范围

挡土墙。在工程中，为了防止土坡发生滑坡和坍塌，需用各种类型的挡土结构加以支挡。挡土墙时最常用的支挡结构物。挡土墙按照结构类型分为：重力式、半重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、锚定板式和加筋土挡土墙。在实际工程中挡土墙的选择需要考虑挡土墙的用途、高度与重要性；建筑场地的地形与地质条件；尽量就地取材，因地制宜；安全而经济等因素。

抗滑桩。抗滑桩是一种用于处理滑坡或防止边坡下滑的钢筋水泥混凝土结构,是一种较理想的抗滑设施,但投资较大。锚索抗滑桩具有抗滑桩的特点但比抗滑桩能承受更大的土体压力或滑坡推力;桩顶加了锚索后可使埋入土体的桩长大大简短;适用于边坡开挖后土体压力或滑坡推力很大的情况。

预应力锚索。用预应力锚索处理单斜构造岩石边坡,对保证该类边坡的稳定有较好的效果,但难以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。锚索的锚固段应设置在稳定的岩体中,一般用于岩石路段。

压浆锚柱(固结)压浆锚柱(固结) 简单地说就是往地层注入水泥浆(掺加一定量的外加剂) ,以改变土(岩) 体物理力学性质(必要时,加一钢筋笼或钢筋束,即锚柱) 从而稳定边坡的一种方法。其施工设备简单,占地面积小,工期短,见效快,加固地层的深度可深可浅,但难以检测注入范围和判断固结状态。

排水固结。排水固结主要用于表层地下水较多处的边坡加固。有树枝状盲沟,塑料排水管等方式。工艺简单,耗用材料少,但遇到有滑层的地方,需配设支档构造物才能达到满意的效果。

3.2 各类防护的特点和适用范围

圬工防护

片(块) 石护坡和护面墙:片(块) 石护坡分为浆砌和干砌两种。护面墙比护坡厚,有一定的抗推力作用。其优点是能就地取材,工艺简单,但自重大,不宜在高边坡上使用。

菱形网格护坡:菱形网格护坡,可预制安装也可用水泥混凝土现浇和石砌。工艺简单,网格内可植草。但只适用于填方边坡和土质挖方边坡。

六角空心砖护坡:六角空心砖是用水泥混凝土预制安装的一种边坡防护形式,似蜂巢状。施工工艺简单,空洞内可填土绿化,有一定观赏价值。但自重大,费用高,且还会阻碍边坡水的排出,对边坡稳定不利,要慎重选用。

窗孔肋式护坡:窗孔肋式护坡一般用浆砌片石或片石混凝土做肋,用水泥预制混凝土做成拱形窗台,坡面水从肋上排出,窗内可植草,目前是一种较为理想的防护形式。

喷射混凝土护坡:对一些较高的风化岩石边坡,采用喷射混凝土作护坡可阻止风化,且重量轻,施工所需设备简单,但费用较高,厚度难以控制。

生物防护

生物防护除植树(主要用于小边坡) ,除传统防护形式外,植草或铺草皮是近年来才在高速公路上兴起的一种绿色防护形式。其优点是能在短期内恢复公路沿线的绿色景观和防止边坡冲刷,但养护费用高,要随时保持绿色有一定的困难。防护所选用的植物应尽量采用当地适宜生长的植物,避免破坏别处的生态来防护本地的边坡。现在公路上植草护坡较新的技术有如下三种：液压喷播植草护坡；三维植被网护坡；客土喷播。

3.3 防护与加固的综合应用

上述介绍的防护与加固方法和适用范围是对国内外工程应用的总结，下面就对各种边坡破坏的防护与加固做一些分析。

对于坡体变形,结合坡形、坡度设计,必须采取工程支挡措施,最常用的方法是设置锚索、预应力锚索、预应力锚索框架、抗滑桩、预应力抗滑桩、抗滑挡土墙等,用以固脚强腰。其中,预应力锚索框架加固防护是把锚索锚固在地层深部稳固的岩体上,通过施加预应力,使锚固范围内的坡体挤压紧密,提高岩土的稳固力和层间正压力及摩阻力,阻止散岩体位移,从而达到加固边坡的目的。通过锚索孔的高压灌浆,浆液能充填坡体裂隙和空隙,提高了坡体内破碎岩体的整体性和粘结强度,增强了坡体的整体稳定性。而预应力抗滑桩技术,充分利用预应力混凝土抗拉性能较好的优点,以新提出的预应力桩体替代抗滑桩受拉一侧的钢筋,用于滑动面附近的重点加固,具有较强的加固功能。针对特殊的坡体变形,应灵活使用与之相适应的方法进行加固,例如在岩土混合土质边坡中采用预应力结合非预应力锚杆。预应力锚杆可以使被锚固地层产生压应力区,非预应力锚杆对通过的岩体起加筋作用,两者结合使用既能充分调用了岩体的自身作用,又能节约工程材料,取得显著的经济效益,还能確保岩石边坡的稳定;对于破碎岩石高边坡病害地质,应以有效控制坡体松弛和减小局部应力集中,加固不利结构面组合变形和破坏为主,可采用局部适量刷坡放缓边坡和全面预应力锚索格子梁加固;若边坡岩土体中含有大量的膨胀性物质,须杜绝膨胀性物质产生膨胀力对加固结构的破坏,如果采用预应力锚杆,在边坡岩土体膨胀能量释放过程中,有可能导致锚杆和挡土结构失效的严重后果,因此应该采用自预应力锚杆技术,即锚杆加工和安装完全按照预应力锚杆的要求进行施工,但不主动施加预应力,在边坡岩土体吸水产生膨胀应力后,引发锚杆自动产生预应力,这样就在一定程度上释放了部分膨胀能量,同时对坡体施加了一定的约束荷载。

对于边坡变形,采用改变坡形、坡度或作一些如锚杆框架、加设排水孔等一般加固及排水措施,即可防止病害的发生及变形规模的进一步扩大。

对于坡面变形,只需采取防护措施,即可防止坡面的变形。趋于环境保护和安全防护的双重考虑,出现了很多利用植被及其它材料联合作用来作为边坡的防护措施。例如利用植被结合土工合成材料技术加固边坡以防风化和水土流失,不仅改善边坡生态环境,而且工艺简单,操作方便,施工速度快,投资也比一般的混凝土防护结构节约50 %以上;用高分子水溶性固化剂配合植被加固边坡,高分子水溶性固化剂的固化性能在于化学物质充满了土体孔隙后,能加强土颗粒间的相互作用,有助于其从游离态向结合态转化,从而将土体颗粒粘结成一体,使土体加固成为具有一定结构和强度的固化体。高分子水溶性固化剂除了土体固化作用,还具有保水增肥的作用。根据不同的边坡性质和防护要求选择不同的植被。普通的植被系统如草皮或根系浅的植物只适于地表面层水土保持以及浅层土体的防护,对于需要较深层加固的,就选用根系发达的植被,如香根草等。

结语

在选择边坡防治措施前,要详细调查地形、地质和水文条件,认真研究和确定滑坡的类型及其发展的阶段,分析形成滑坡的主、次因素及彼此的联系,结合工程的重要程度、施工条件、工程防治的难易、投资多少等情况综合考虑。对边坡的稳定性进行综合的分析与判断。

边坡防护措施的选择还要兼顾改善生态环境、保持水土等。

大型滑坡在支护的基础上,采取排水、减重等综合措施,可提高边坡的整体和局部的稳定性。

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作者简介：高俊明(1981- )，男，河北石家庄人，辽宁工程技术大学硕士，学习防灾减灾及防护工程专业。

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