邊坡穩(wěn)定及加固的分析與研究
2015-06-24
前言：隨著人口的增長和土地資源的不斷開發(fā)，破壞了人與自然和諧相處的生存環(huán)境，為了不至于造成環(huán)境惡力，加強環(huán)境保護，使工程建設(shè)與環(huán)境配套施工，邊坡問題己變成同雨水沖擊、地震和火山相并列的全球性三大地質(zhì)災(zāi)害(源)之一。近年來，隨著人類工程活動規(guī)模的不斷擴大和場區(qū)工程地質(zhì)條件的限制，因邊坡失穩(wěn)引起的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害給人們的生命和財產(chǎn)帶來了巨大損失，邊坡的穩(wěn)定性問題日益突出。它涉及高層建筑基坑邊坡、公路邊坡、鐵道邊坡、水電工程邊坡、礦山開采工程邊坡。在工程施工過程中，邊坡穩(wěn)定與加固一直是影響工程質(zhì)量與進度的關(guān)鍵因素，我國公路、鐵路等在邊坡穩(wěn)定性分析與評價、滑坡的預(yù)測預(yù)報以及邊坡的工程治理技術(shù)等方面都取得很大的進展，邊坡工程理論研究作為解決工程問題的基礎(chǔ)，我們應(yīng)該給以極大的重視。
1邊坡穩(wěn)定性概述
1.1邊坡穩(wěn)定性
1.1.1邊坡穩(wěn)定性
邊坡穩(wěn)定性是指在各類工程結(jié)構(gòu)實體中，邊坡受到對工程可靠度，安全度以及經(jīng)濟效益能產(chǎn)生的影響因素下，其穩(wěn)定性發(fā)生的相應(yīng)變化。工程結(jié)構(gòu)實體由于表面傾斜，在自身重量及其它外力共同作用下，整個土體結(jié)構(gòu)都有從上向下滑動的趨勢，如果土體結(jié)構(gòu)體內(nèi)部某一表面的滑動力超過結(jié)構(gòu)實體抵抗滑動的能力，就會發(fā)生滑坡。
1.1.2 內(nèi)力變化
邊坡在形成的過程中，其內(nèi)部原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，引起了應(yīng)力集中和應(yīng)力重分布等。為適應(yīng)這種應(yīng)力狀態(tài)的變化，邊坡出現(xiàn)了不同形式和不同規(guī)模的變形與破壞，這是推動邊坡演變的內(nèi)在原因；各種自然條件和人類的工程活動等也使邊坡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，這些條件是推動邊坡演變的外部因素。
1.2影響邊坡穩(wěn)定性的因素
日常生活中，邊坡隨處可見，在道路橋梁工程、礦山建設(shè)工程、 建筑工程、水利工程等眾多工程領(lǐng)域中，均存在大量的邊坡，其穩(wěn)定性將對工程都有重大的影響。在三大自然災(zāi)害中，滑坡災(zāi)害同樣嚴重地危及到國家財產(chǎn)和人們生命的安全，所以對工程實體的邊坡進行穩(wěn)定性分析研究是十分重要的。通過對邊坡穩(wěn)定性進行分析評價，總結(jié)變邊坡穩(wěn)定性的影響因素，合理安排預(yù)防措施，將會大大避免滑坡等自然災(zāi)害造成的損失。下面是對影響因素的簡要總結(jié)：
?。?）地質(zhì)條件：巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)，地質(zhì)構(gòu)造。堅硬巖石邊坡失穩(wěn)以崩塌和結(jié)構(gòu)面控制型失穩(wěn)為主；軟弱巖石邊坡失穩(wěn)以應(yīng)力控制型失穩(wěn)為主。對其它因素給定的邊坡，巖土體的工程地質(zhì)性質(zhì)越優(yōu)良，邊坡的穩(wěn)定性越高。
?。?）水文地質(zhì)條件；水文地質(zhì)條件包括地下水的賦存、補給、徑流和排泄條件。地下水的富集程度與氣候條件、水文地質(zhì)條件有關(guān)。由于巖土體的力學(xué)性質(zhì)受水的影響很大，地下水富集程度的提高一方面增大坡體下滑力，另一方面降低軟弱夾層和結(jié)構(gòu)面的抗剪程度，引起孔隙水壓力上升，降低滑動面上的有效正應(yīng)力，導(dǎo)致滑動面的抗滑力減小。因此，地下水富集程度的改變相應(yīng)地引起邊坡穩(wěn)定性發(fā)生改變。
?。?）地貌因素；邊坡的形態(tài)和規(guī)模等地貌因素對邊坡穩(wěn)定性的影響是顯而易見的，不利形態(tài)和規(guī)模的邊坡往往在坡頂產(chǎn)生張應(yīng)力，并引起張裂縫；在坡腳產(chǎn)生的強烈的剪應(yīng)力，會形成剪切破壞帶，這些作用極大地降低了邊坡的穩(wěn)定性。邊坡面與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面的不利組合還會導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)面控制型失穩(wěn)。
?。?）氣候因素；大氣降雨是地下水的主要補給源。氣候類型不同，大氣降雨量也不同。由于不同地區(qū)的大氣降雨量不同，即使其他條件相同，邊坡的穩(wěn)定性也不同。暴雨或長期降雨以及融雪過后，會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)（尤其是可塑性因素大的土質(zhì)）增多的現(xiàn)象，這說明大氣降雨等對邊坡的穩(wěn)定性有很大的影響。邊坡穩(wěn)定性會隨著溫差變化、 降雨雪及凍融等因素的強度的變化而變化。季節(jié)變化導(dǎo)致的強降雨雪、冰凍將會影起水位的上升，將會產(chǎn)生邊坡不穩(wěn)定的趨勢大氣降雨、融雪的增加提高了地下水的補給量，一方面降低巖體的強度，增大孔隙水的壓力，使邊坡滑動面的抗滑能力降低；另一方面增大邊坡的下滑力，兩者結(jié)合起來極大地降低了邊坡的穩(wěn)弱，從而導(dǎo)致裂隙增加，擴大，影響邊定性。
?。?）風(fēng)化作用；風(fēng)化作用使巖土的抗剪強度減弱，裂隙增加、擴大，影響邊坡的形狀和坡度，透水性增加，使地面水易于侵入，改變地下水的動態(tài)；沿裂隙風(fēng)化時，可使巖土體脫落或沿斜坡崩塌、堆積、滑移等。
（6）人類的工程活動因素：削坡，不當(dāng)?shù)南髌峦蛊履_結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的覆蓋層變薄或切穿，減小坡體滑動面抗滑力，而邊坡下滑力卻沒有相應(yīng)減小，這樣使邊坡的穩(wěn)定性降低。當(dāng)結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的覆蓋層被切穿時，結(jié)構(gòu)面與邊坡面構(gòu)成不利組合，導(dǎo)致邊坡產(chǎn)生結(jié)構(gòu)面控制型失穩(wěn)。坡頂加載對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的不利影響表現(xiàn)在兩方面：一是在增加坡體下滑力的同時，沒有成比例地增加滑動面的抗滑力；二是荷載相對集中加大了坡頂張應(yīng)力和坡腳剪應(yīng)力的集中程度，使邊坡巖土體破壞，強度降低，因而引起邊坡穩(wěn)定性降低。當(dāng)坡頂加載物為松散物時，情況就更為嚴重，因為松散加載物能減少大氣降雨的地表徑流，增加大氣降雨的入滲量，也會降低邊坡的穩(wěn)定性。地下開挖，地下開挖引起的地表移動和邊坡失穩(wěn)具有先沉陷、后開裂、再滑動的活動規(guī)律。地下開挖首先引起邊坡地表運動，當(dāng)?shù)乇硪苿拥揭欢ǔ潭葧r，在邊坡坡頂附近拉裂，并出現(xiàn)拉裂縫，坡腳附近出現(xiàn)剪切破壞帶。當(dāng)邊坡巖土體破壞較嚴重時，拉裂縫與剪切破壞帶貫通或近乎貫通，邊坡滑動面的抗滑力急劇下降，邊坡的穩(wěn)定性顯著降低，甚至失穩(wěn)。
1.3邊坡穩(wěn)定性分析常用方法
1.3.1 邊坡的穩(wěn)定性分析目的
?。?）驗算所擬定的邊坡是否安全、合理、經(jīng)濟，邊坡過陡可能發(fā)生坍塌，過緩則使土方工程量加大，不經(jīng)濟。（2）根據(jù)給定的邊坡高度、土的性質(zhì)等已知條件設(shè)計出合理的邊坡斷面。（3）對自然邊坡進行穩(wěn)定性分析和安全評價。
1.3.2 邊坡穩(wěn)定性的分析方法
大致可以分為兩類：定性分析方法和定量分析方法。
?。?）定性分析方法：定性分析方法是一種定性的分析方法。通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)機制進行分析，評價出所檢測邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀及其可能的發(fā)展趨勢等。自然歷史分析法是通過對所檢測區(qū)域的自然歷史狀況結(jié)合現(xiàn)在的破壞跡象做出綜合評價和預(yù)測，從而得出邊坡穩(wěn)定性的總和評價。工程類比法是通過結(jié)合自身工程結(jié)構(gòu)實體的現(xiàn)狀以及地質(zhì)環(huán)境等 ，和與此具有同等或相似的地質(zhì)環(huán)境的結(jié)構(gòu)實體進行對比歸類，而得出的邊坡穩(wěn)定性綜合評價。由此方法得到的穩(wěn)定性分析結(jié)果具有較大的工程可實踐性，是現(xiàn)在利用的比較廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析方法。
?。?）定量分析法：極限平衡法是根據(jù)邊坡上的滑體或滑體分塊的力學(xué)平衡原理( 即靜力平衡原理) 分析邊坡各種破壞模式下的受力狀態(tài)，以及邊坡上的抗滑力和下滑力之間的關(guān)系來評價邊坡的穩(wěn)定性。其原理是：設(shè)邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)為F，則當(dāng)邊坡土體的抗剪參數(shù)( 摩擦因素tan和粘結(jié)力 C ) 降低 F倍后，邊坡內(nèi)某一最危險滑面上的滑體將瀕于失穩(wěn)的極限平衡狀態(tài)。在極限平衡分析中需要假定滑裂面，如果滑裂面為任意形狀，則為了確定沿滑裂面的應(yīng)力分布， 需要將滑動土體分成若干垂直土條，通過分析作用于土條上的力來建立平衡方程，此及條分法。數(shù)值分析法是利用計算方法求出邊坡的應(yīng)力分布和變形情況研究巖體中應(yīng)力和應(yīng)變的變化過程，求得各點上的局部穩(wěn)定系數(shù)，由此判斷邊坡穩(wěn)定性。
?。?）有限單元法：有限單元法是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)值分析方法。該方法最早應(yīng)用在邊坡巖石土體的穩(wěn)定性分析中。也是目前最廣泛使用的一種數(shù)值分析方法。有限單元法的基本思想是將一個連續(xù)體離散化，變換成有限數(shù)量的有限大的單元集合，這些單元之間只通過結(jié)點來連接和制約，用變換后的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)代替實際的系統(tǒng)采用標準的結(jié)構(gòu)分析來進行處理。有限單元法( F E M) 的缺點是不能很好地求解大變形和位移不連續(xù)等問題，對于無限域、應(yīng)力集中問題等的求解不甚理想。
（4）邊界單元法：邊界單元法(BEM) 是 7 0年代發(fā)展起來的一種數(shù)值方法，其只需對研究區(qū)的邊界進行離散化，具有輸入數(shù)據(jù)少的特點。計算精度較高， 在處理無限域方面有明顯的優(yōu)勢。邊界單元法(BEM) 的缺點是處理材料的非線性、不均勻性、模擬分步開挖等方面較弱，不能求解大變形問題。
2邊坡加固研究
2.1邊坡加固方法
邊坡加固的方法多種多樣，下面總結(jié)了幾種常用方法及其內(nèi)容：
2.1.1 混凝土抗滑結(jié)構(gòu)加固
混凝土抗滑樁 抗滑樁是穿過滑坡體深入穩(wěn)定土層或巖層的柱形構(gòu)件，用以支擋滑體的滑動力，一般設(shè)置于滑坡的前緣附近，起穩(wěn)定邊坡的作用，用于正在活動的淺層和中層滑坡效果較好。①通過地質(zhì)調(diào)查，掌握滑坡的原因、性質(zhì)、范圍及厚度，分析其所處狀態(tài)及發(fā)展趨勢。②計算滑坡推力及在樁身的分布形式。③根據(jù)地形、地質(zhì)情況及施工條件等確定樁的位置及布置范圍。④根據(jù)滑坡推力的大小、地形及地層性質(zhì)，擬定樁長、錨固深度、樁截面尺寸及樁間距。為了能使抗滑樁更有效的防止滑坡，在設(shè)置時應(yīng)將樁身全長的1／3～1／4埋置于滑坡面以下的完整基巖或穩(wěn)定土層中，并灌漿使樁和周圍巖土體構(gòu)成整體，并設(shè)置于滑體前緣部分．使其能承受相當(dāng)大的壓力。（2）混凝土沉井 沉井是一種混凝土框架結(jié)構(gòu)，施工中一般可分成數(shù)節(jié)進行，其結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)沉井的場地布置、受力狀態(tài)及基坑的施工條件等因素決定。在高邊坡工程中，沉井具有抗滑樁的作用和擋土墻的作用。 （3）混凝土擋墻 混凝土擋墻是借助自身的重量以支擋滑體的下滑力的一種有效防止滑坡的常用方法，并可與排水等措施聯(lián)合使用。它能有效地從局部改變滑坡體的受力平衡，阻止滑坡體變形的延展，具有結(jié)構(gòu)簡單，能快速起到穩(wěn)定滑坡作用等優(yōu)點。在設(shè)計混凝土擋墻時。應(yīng)根據(jù)最低滑動面的形狀和位置來設(shè)計擋墻基礎(chǔ)的砌置深度，并在墻后設(shè)置泄水孔，使其不僅能削弱作用于擋墻上的靜水壓力，還能防止墻后積水浸泡基礎(chǔ)而造成的擋墻滑移。
2.1.2 錨桿加固
錨固技術(shù)是將一種受拉桿件的一端固定在邊坡或地基的巖層或土層中，這種受拉桿件的固定端稱為錨固端(或錨固段)，另一端與工程建筑物聯(lián)結(jié)，可以承受由于土壓力、水壓力或風(fēng)力所施加于建筑物的推力，利用地層的錨固力以維持建筑物的穩(wěn)定。
錨固按結(jié)構(gòu)形式可分為抗滑樁、錨洞、噴錨支護及預(yù)應(yīng)力錨固(錨索)4類：（1）錨固洞 錨固洞加固，是治理邊坡穩(wěn)定的一種有效措施。在錨固洞加固的過程中應(yīng)遵循由內(nèi)向外、自上而下、循序漸進、逐層加固等原則，同一搞成結(jié)構(gòu)面的錨固洞應(yīng)跳洞開挖施工，避免不利結(jié)構(gòu)面上已有抗滑力的削弱，從而影響邊坡的穩(wěn)定。（2）噴混凝土護坡 噴混凝土護坡是一種生產(chǎn)效率高，施工速度快，不用模板，并把混凝土運輸、澆筑、搗固結(jié)合在一起，實現(xiàn)機械化連續(xù)施工的新型混凝土施工工藝。因其是依靠一定的沖擊速度噴射而成的，因而其作為臨時支撐比木結(jié)構(gòu)強度高，比鋼結(jié)構(gòu)經(jīng)濟。作為永久支護時，比現(xiàn)澆混凝土襯砌的早期強度高。配合使用錨桿。可以減少洞室開挖量，減薄襯砌厚度，節(jié)約水泥用量。特別是噴混凝土施工時，可以不用模板，不立拱架，加大了洞內(nèi)的有效空間，施工時能緊跟開挖面進行噴射，減少巖石暴露風(fēng)化的時間，及時控制圍巖的變形。
（3）預(yù)應(yīng)力錨固
預(yù)應(yīng)力錨索加固是通過錨固在坡體深部穩(wěn)定巖體上的錨索將力傳給混凝土框架，由框架對不穩(wěn)定坡體施加一個預(yù)應(yīng)力，將不穩(wěn)定松散巖體擠壓，是巖體間的正壓力和摩阻力大大提高，增大抗滑力，限制不穩(wěn)定液體的發(fā)育，從而起到加固邊坡、穩(wěn)定坡體的作用。采用預(yù)應(yīng)力錨索進行邊坡加固，其優(yōu)點有：在高邊坡或隧洞洞口明挖中采用，可增加邊坡穩(wěn)定。從而減少開挖量，也為提前進洞創(chuàng)造條件；可在水庫正常運行條件下用于混凝土壩體或壩基加固；用于修補混凝土裂縫或缺陷，可將集中荷載分散到較大范圍內(nèi)；加固洞室。改善洞室的受力條件等。這些優(yōu)點使其在高邊坡加固中得到廣泛應(yīng)用。
2.1.3 減少荷載、利用排水等措施
（1）減載反壓 減載反壓在邊坡加固治理中應(yīng)用廣泛。減載的目的在于降低坡體的下滑力，其主要方法是將滑坡體后緣的巖土削去一部分，但單單減載有時并不能起到阻滑的作用。最好是與反壓措施結(jié)合起來，即將減載削下的土石堆于邊坡或滑坡前緣阻滑部位，使之既能起到降低下滑力，又增加抗滑力的良好效果。此措施應(yīng)用于上陡下緩的滑坡效果更好。 （2）表里排水——表里排水包括排除地表水和地下水。 ① 排除地表水，即是要攔截流入邊坡變形破壞區(qū)的地表水流，包括泉和雨水。如，可在滑坡體外修建攔水溝、排水溝的方法排水；在滑坡體內(nèi)的地表水，可利用地形和自然溝谷，布置樹枝狀排水系統(tǒng)。排除了地表水，可減小滑動力，降低了附近巖土體的含水量或孔隙水壓力，達到了增強抗滑力和提高邊坡穩(wěn)定性的作用。 ② 排除地下水，可根據(jù)地下水的埋深分為淺層地下水和深層地下水排水工程兩種。淺層地下水排水工程可采用截水溝、盲溝和水平鉆孔等方法；深層地下水排水工程可采用截水盲溝、集水井、平孔排水和排水廊道等方法。排除了地下水，將盡可能降低邊坡巖體地下水位，減小滲水壓力，改善邊坡穩(wěn)定條件，提高邊坡穩(wěn)定性。
2.2 邊坡加固實例分析
三峽永久船閘位于長江右岸，壇子嶺以北約200m，距長江水邊約1638m，原地形高程在220-250m之間，開挖后形成南北兩大高邊坡，北坡最大高度達170m，開挖坡角自上而下為：全強風(fēng)化帶45°，弱風(fēng)化帶及其以下梯級坡段63°-73°，下部閘室高為40-68m，邊坡為直立坡。
基巖主要為前震旦系閃云斜長花崗巖，巖石抗壓強度（濕）90-100MPa，抗拉強度2.65MPa，容重27kn－m³，變形模量35-45GPa，一般硬性結(jié)構(gòu)面的摩擦系數(shù)為0.7，凝聚力為0.2MPa。
巖體風(fēng)化自上而下分為全風(fēng)化、強風(fēng)化、弱風(fēng)化和微風(fēng)化四個風(fēng)化帶。全風(fēng)化帶的厚度一般為15-35m，平均15-25m，最厚46m；弱風(fēng)化帶上部變化極大，平均厚度5m，但最厚可達59m。
邊坡的加固處理措施：
（1）邊坡排水
邊坡排水包括水源補給的截、防、排以及邊坡體內(nèi)地下水的疏排兩方面：
消除水源補給的措施：包括阻止大氣降水和其他地表水的入滲，隔斷山體來水，防止水庫滲水，以及消除閘室滲漏等，即在閘室兩側(cè)泄水區(qū)內(nèi)設(shè)置排水溝，將地表水引離邊坡，在邊坡表面及馬道面全面鋪蓋，防止降水入滲，設(shè)置防滲帷幕及幕后排水，截排上游庫水?？刂崎l室混凝土的防滲質(zhì)量，防止閘室內(nèi)的水向邊坡滲透。山體排水：船閘區(qū)巖體的水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有不均勻性，淺部的地下水補給強度與滲流速度遠高于深部。故在山體內(nèi)設(shè)置了七層排水洞，每層排水洞內(nèi)向上打兩排排水孔以疏于地下水，另外在直立坡上設(shè)置水平排水孔，將地下水排到閘室襯砌墻后面的排水管網(wǎng)內(nèi)。
?。?）系統(tǒng)支護
為了保持邊坡的長期穩(wěn)定，對邊坡采取了系統(tǒng)的支護措施。對全強風(fēng)化帶邊坡（1:1） ，采取掛網(wǎng)噴混凝土支護，并設(shè)置排水管；對弱風(fēng)化帶邊坡（1：0.5） ，采取系統(tǒng)錨桿支護和掛網(wǎng)噴混凝土支護，并設(shè)置排水孔；對直立墻以上微新巖體（1:0.3），采用系統(tǒng)鋪桿和素混凝土噴錨支護。對于開挖時發(fā)現(xiàn)的松動區(qū)，裂隙張開或爆破裂隙發(fā)育，在馬道以下(3-5m)內(nèi)，普遍采取系統(tǒng)錨固。對直立坡也采用系統(tǒng)錨桿加固。
（3）隨機支護
對于施工中發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)缺陷，如結(jié)構(gòu)面發(fā)育區(qū)、巖體破碎區(qū)、斷層帶、節(jié)理密集帶或局部不穩(wěn)定塊體等，需分別情況進行支護。
2.3 邊坡加固的重要意義
保證邊坡的安全，才能保證建筑工程的安全，所以，邊坡加固意義重大。據(jù)報道，我國的滑坡、崩塌和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，正隨著資源的開發(fā)而加劇，我國每年由此造成的損失達300億元，對國民經(jīng)濟造成了不可估量的損失。近十年來，全國400多個市、縣受到嚴重侵害，有近萬人死亡，一半以上的地質(zhì)災(zāi)害是人為因素造成的。隨著我國社會主義經(jīng)濟建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，邊坡研究、治理的作用與地位日益顯得重要。在水電站工程、鐵道工程、公路工程籌建設(shè)中，經(jīng)常需要開挖邊坡。邊坡的穩(wěn)定性分析與邊坡治理常常是工程成敗的關(guān)鍵技術(shù)，也是確保工程安全和降低建設(shè)費用的重要環(huán)節(jié)。
結(jié)束語
邊坡穩(wěn)定性的影響因素很多，邊坡加固的方法也多種多樣，不同的工程我們應(yīng)以不同的方法應(yīng)對。如今，我國正面臨前所未有的發(fā)展態(tài)勢，由此也帶來了環(huán)境的破壞，自然災(zāi)害增多，所以，關(guān)于邊坡穩(wěn)定性及其加固的研究也將越來越重要，我們也能夠當(dāng)投入更多的經(jīng)歷，應(yīng)對可能發(fā)生的邊坡災(zāi)害。
