边坡防治设计
2013-12-18
边坡防治设计
一、边坡工程现状与发展
（一）边坡工程进步和发展
在土木工程生产实践活动中，随着铁路、公路、库区或场地等工程的建设和发展，涉及了大量的边坡工程技术课题，工程技术人员积极应用有关工程地质学、岩体力学、岩土工程学和土力学等学科的知识和成果，积累了丰富的边坡工程经验，在理论和实践两方面都取得了长足的进步和发展。
近年来，随着高速公路建设向山区延伸和发展，由于其技术等级较高，且我国山区地形条件困难、地质结构复杂、地质环境背景脆弱，深挖高填十分普遍，边坡工程问题日益突出。同时也遭遇了不少边坡工程失败和损失。
（二）路堑边坡工程设计现状
设计现状有以下特点：具有数量集中、种类较多、性质繁杂、勘查不足等特点，但又存在一定的场区或区段规律；有别于重点复杂的边坡工程设计；缺乏实用的勘察设计工作程序和细则；直接危害公共安全，显著影响工程造价。
（三）技术路线和实施对策
主要从以下几个方面进行考虑：明确边坡工程实用类型，抽象和归纳边坡工程地质模式，分析和研究其相关变形破坏机制，建立边坡稳定性分析计算方法，提出边坡坡形坡率设计原则和方法，建立相应防护加固工程措施或对策，进行动态设计与信息化施工。
（四）动态设计总体思路
设计总体思路如下：高边坡工程档案（预设计文件、地勘资料），高边坡工程地质调查（地形、地质、地下水等），防护加固工程方案（边坡类型、坡形坡率、稳定性分析计算、防护加固工程对策），现场校对和重点核查，施工图设计与审查，动态跟踪与设计调整，竣工稳定性评价。
二、边坡工程实用分类
共分为以下几类：土质边坡，岩质边坡，二元结构边坡，复合结构边坡。
（一）土质边坡
土质边坡可分为：纯土质边坡（均质或似均质）和类土质边坡（非均质）。
（二）岩质边坡
岩质边坡可分为：岩石边坡，破碎岩石边坡，顺层岩石边坡。
（三）二元结构边坡
二元结构边坡可分为：陡倾接触边坡，缓倾接触边坡，破碎接触边坡。
（四）类土质路堑边坡
类土质路堑边坡可分为：坡残积土边坡，风化土边坡，崩滑流堆积边坡，复杂结构边坡。
三、工程地质模式（坡体结构）
（一）坡残积土边坡工程地质模式
1.坡体结构由上覆坡积土层和下伏残积土层所组成，坡体变形和破坏一般体现上覆坡几层沿下伏残积层的坍滑变形和破坏。这种情况一般其接触面倾角25°～30°。
2．边坡坡面揭露地层为坡残积层，其下基座为基岩（边坡刷方线以下），组成坡体的坡残积土层，常常发生沿基岩顶面的变形和破坏。在这种情况下，基岩顶面产状一般顺倾坡面，倾角为20°～25°。
3．边坡主体由坡残积土层及下部风化土层组成，如果设计坡率较陡，或者因为持续暴雨作用，在防护工程不及时的情况下，容易产生局部台阶坍塌变形和破坏，甚至有可能在地下水的长期作用和影响下产生较大规模的滑动变形和破坏。
（二）风化土边坡工程地质模式
1.边坡开挖切削岩层风化壳，一般为全强风化土层，经常发生风化壳土层依附其下伏相对风化轻微岩层表面的滑动变形和破坏。这种情况，在花岗岩地区或凝灰岩地区较为常见；不均匀风化界面容易形成地下水和粘性物质的聚集，在特定的形态组合下产生变形和破坏。
2．边坡主体由坡残积层及强风化土层组成，局部夹强至中风化岩体，由于地质构造作用和影
响，常见一些强烈风化软弱带，如果其产状倾向坡面，在边坡开挖切削坡脚支撑并致使其软弱带临空暴露的情况下，极易产生上覆风化岩土体沿其下伏基岩顶面产生较大规模的滑动变形和破坏。
3．边坡主体由坡残积土层及砂土状强风化层组成，由于其原岩结构面发育，常见一组或多组陡倾角和缓倾角裂面长大贯通，并存在倾向临空的缓倾角结构面，在各不利结构面的组合作用下，经常发生陡缓裂面切割块体沿其下伏缓倾角裂面的变形和破坏。
（三）崩滑流堆积边坡工程地质模式
1．边坡主体由崩坡积体组成，根据崩塌地质现象的特点与规律，崩坡积体的自然稳定坡角一般为35°～38°，在路堑边坡的开挖过程中，常见其沿稳定坡角面的变形和破坏；或者，依附其堆积界面产生更大规模的滑动变形和破坏。
2．边坡主体由滑坡堆积体组成，结合滑坡地质现象的特点与规律，在路堑边坡的开挖过程中，常因路堑开挖滑坡中下部，致使滑坡坡脚失去支撑，破坏坡体力学平衡，从而导致滑坡中前部的复活变形和破坏，如不及时采取有效的治理工程措施，甚至引起更大规模的滑动变形和破坏。
3．边坡主体由泥石流堆积体组成，基于泥石流地质现象的特点，在路堑边坡的开挖过程中，由于泥石流堆积体一般含水量普遍较高，地下水丰富，岩土强度较低，较易产生堑坡变形和破坏，如不及时采取有效的治理工程措施，甚至引起大规模的滑动变形和破坏，即滑坡地质灾害。
第二节 边坡破坏形式
一、变形破坏机制
主要从以下方面分析：力学基础，圆弧或似圆弧破坏，平面型破坏，折线型破坏，复合型破坏，其它形式破坏。
（一）力学基础
主要有：岩土性质－重度、摩擦角、粘聚力，极限坡高和极限坡角，不连续面，有效应力定律，非饱和土力学理论。
（二）圆弧或似圆弧破坏
主要有：均质土坡，坡残积土坡，砂土状强风化，碎块状强风化（碎裂），不良地质堆积体。对于类土质路堑边坡，我们经常发现，如不考虑地质不连续面的存在和影响，其坡体变形破裂面一般呈圆弧或似圆弧的形状。边坡呈圆弧或似圆弧破坏一般发生在均质土坡、坡残积土坡、砂土状强风化层、碎块状强风化层（碎裂结构）、以及不良堆积体内部的变形和破坏。
（三）平面型破坏
有两种情况：地质不连续面平行坡面，倾向临空；两个或两个以上不连续面组合，交线倾向临空（楔体破坏）。由于地质不连续面走向大体平行于坡面走向并倾向线路，其倾角小于边坡坡率，且大于其岩土抗剪强度所能维持的稳定坡度，这种情况一般发生平面型破坏。对于具有两个或两个以上的地质不连续面组合的情况，一般是以一组不连续面为主控滑移面，其余为空间控制面，这种情况也可归纳为平面型破坏（在岩质边坡中，常称之为楔体破坏）。
（四）折线型破坏
一般指不利结构面的组合和崩滑流堆积等不良地质介面。在类土质路堑边坡坡体结构中，存在两个或两个以上的地质不连续面，其走向大体平行于坡面且倾向线路，由多个地质不连续面组成折线型破裂面，其上岩土以此为依附面产生滑移变形和破坏，这种情况下的边坡破坏为折线型破坏。
（五）复合型破坏
分为：平面型和圆弧型的复合，折线型和圆弧型的复合，崩滑流堆积等不良地质介面。由于边坡物质组成和坡体结构的特殊性和复杂性，单一破坏形式的发生往往较少，或者其规模相对较小，一般的边坡变形和破坏是上述几种基本破坏类型的复合，故称之为复合型破坏。复合型破坏可以简单地归纳为平面型和圆弧型的复合和折线状复合形式，崩滑流等不良地质堆积体的变形和破坏，属于复合型破坏。
（六）其它形式破坏
主要表现为风化剥落、流石、流泥和崩塌落石。
二、 土质路堑边坡的变形破坏类型
土质路堑边坡一般高度不大，多为数米到二三十米，但也有个别的边坡高达数十米（如天兰线高阳—云图间的黄土高边坡）。边坡在动静荷载、地下水、雨水、重力和各种风化营力的作用下，可能发生变形和破坏。根据人们的观察和分析，变形破坏现象可分为两大类：一类是小型的坡面局部破坏，一类是较大规模的边坡整体性破坏。
（一）坡面局部破坏
坡面局部破坏包括剥落，冲刷和表层滑塌等类型。表层土的松动和剥落是这类形破坏的常见现象。它是由于水的浸润与蒸发、冻结与融化、日光照射等风化应力对表层土产生复杂的物理化学作用所导致。边坡冲刷是当雨水在边坡面上形成的径流，因动力作用带走边坡上较松散的颗粒，形成条带状的冲沟。表层滑塌是由于边坡上有地下水出露，形成点状或带状湿地，产生的坡面滑塌现象，这类由雨水浸湿，冲刷也能产生。上述这些变形破坏往往是边坡更大规模的变形破坏的前奏。因此，应对轻微的变形破坏及时进行整治，以免进一步发展。对于因径流引起之冲刷，应作好地面排水，使边坡水流量减少至最少程度。对已形成之冲沟，应在维修中予以嵌补，以防继续向深处发展。对因地下水引起的表层滑塌，应作好截断地下水或疏导地下水工程，疏干边坡，以制止边坡变形的发展。
（二）边坡整体性破坏
边坡整体崩塌和滑坡均属于这类变形破坏。土质边坡在坡顶或上部出现连续的拉张裂缝并下沉，或边坡中、下部出现鼓胀现象，都是边坡整体性破坏和滑动的征兆。一般地区这类破坏多发生在雨季中或雨季后。对于有软弱基底的情况，边坡破坏常与基底的连同在一起。对于这类破坏，在征兆期应加强预报，以防措手不及；一旦发生事故，在处理前必须查明产生破坏的原因，切忌随意清挖，以免进一步坍塌，造成破坏范围扩大。当边坡上层为土，下层为基岩，且层间接触面的倾向与边坡方向一致时，有时由于水的下渗使接触面润滑，造成上部土质边坡沿接触面滑走的破坏。因此，在勘测、设计过程中必须要对水体在路基中可能引起的不良影响予以充分重视。
由上述可知，第一类边坡变形破坏，只要在养护维修过程中，采用一定措施就可以制止或减缓
它的发展，其危害程度也不如第二类边坡破坏严重。第二类变形破坏，危及行车安全，有时造成线路中断，处理起来也较费事。因此，在勘测设计阶段和施工阶段，应分析边坡可能发生的变形和破坏，防患于未然。对于高边坡更应给予重视。
三、岩质边坡变形破坏的基本形式
我国是一个多山的国家，地质条件十分复杂。在山区，道路、房屋多傍河而建或穿越分水岭，因而会遇到大量的岩质边坡稳定问题。边坡的变形和破坏，会影响工程建筑物的稳定和安全。
岩质边坡的变形是指边坡岩体只发生局部位移或破裂，没有发生显著的滑移或滚动，不至于引起边坡整体失稳的现象。而岩质边坡的破坏是指边坡岩体以一定速度发生了较大位移的现象，例如，边坡岩体的整体滑动、滚动和倾倒。变形和破坏在边坡岩体变化过程中是密切联系的，变形可能是破坏的前兆，而破坏则是变形进一步发展的结果。边坡岩体变形破坏的基本形式可概括为松动、松弛张裂、蠕动、剥落、滑动、崩塌落石等。
（一）--------松动
边坡形成初始阶段，坡体表部往往出现一系列与坡向近于平行的陡倾角张开裂隙，被这种裂隙切割的岩体便向临空方向松开、移动。这种过程和现象称为松动。它是一种斜坡卸荷回弹的过程和现象。
存在与坡体的这种松动裂隙，可以是应力重分布中新生的，但大多是由沿原有的陡倾角裂隙发育而成。它仅有张开而无明显的相对滑动，张开程度及分布密度由坡面向深处逐渐变小。当保证坡体应力不再增加和结构强度不再降低的条件下，斜坡变形不会剧烈发展，坡体稳定不致破坏。
边坡常有各种松动裂隙，实践中把发育有松动裂隙的坡体部位，称为边坡卸荷带；在此，可称为边坡松动带，其深度通常用坡面线与松动带内侧界线之间水平间距来度量。
边坡松动使坡体强度降低，又使各种应力因素更易深入坡体。加大坡体内各种应力因素的活跃程度，是边坡变形与破坏的初始表现。所以，划分松动带，确定松动带范围，研究松动带内岩体特征，对论证边坡稳定性，特别是对确定开挖深度或灌浆范围，都具有重要的意义。
边坡松动带的深度，除与坡体本身的结构特征有关外，主要受坡体与坡形原始应力状态控制。显然，坡度愈高、愈陡、地应力愈强，边坡松动裂隙便愈发育，松动带深度也愈大。
（二）--------松弛张裂
松弛张裂是指边坡岩体由卸荷回弹而出现的张开裂隙现象。它与上述边坡松动现象并无十分严格的区别。这是在边坡应力调整过程中的变形。例如，由于河谷的不断下切，在陡峻的河谷岸坡上形成的卸荷裂隙；路堑边坡的开挖可使岩体中原有的卸荷裂隙得到进一步发展，或者由于开挖形成了新的卸荷裂隙。这种裂隙通常与河谷坡面、路堑边坡面相平行。而在坡顶或堑顶，则由于卸荷引起的拉应力作用形成张裂带。边坡愈高愈陡，张裂带也愈宽。如通过大渡河谷的成昆铁路，有的路堑边坡顶紧接着高陡的自然山坡，分布其上的张裂带宽度可达一二百米，自地表向下的深度也可以达百米以上。一般说来，路堑边坡的松弛张裂变形多表现为顺层边坡层间结合的松弛、边坡岩体中原有节理裂隙的进一步扩展以及岩块的松动等现象。
（三）--------蠕动
蠕动是指边坡岩体在重力作用下长期缓慢的变形。这类变形多发生于软弱岩体或软硬互层岩体，常形成挠曲型变形。如反坡向的塑性薄层岩层，向临空面一侧发生弯曲，形成“点头弯要”，很少折断。边坡蠕动大致可分为表层蠕动和深层蠕动两种基本类型。
（1）表层蠕动
边坡浅部岩土体在重力的长期作用下，向临空方向缓慢变形构成一剪变带，其位移由坡面向坡体内部逐渐降低直至消失，这便是表层蠕动。
破碎的岩质边坡及疏松的土质边坡，表层蠕动甚为常见。当坡体剪应力还不能形成连续滑动面时，会形成一剪变带，出现缓慢的塑性变形。
岩质边坡的表层蠕动，常称岩层末端 “挠曲现象”，系岩层或层状结构面较发育的岩体在重力长期作用下，沿结构面滑动和局部破裂而成的挠曲现象。
表层蠕动的岩层末端挠曲，广泛分布于页岩、薄层砂岩或石灰岩、片岩、石英岩，以及破碎的花岗岩体所构成的边坡上。软弱结构面愈密集，倾角愈陡，走向愈近于坡面走向时，其发
育尤甚。表层蠕动使松动裂隙进一步张开，并向纵深发展，影响深度有时年个竟达数十米。
（2）深层蠕动
深层蠕动主要发育在边坡下部或坡体内部，按其形成机制特点，深层蠕动有软弱基座蠕动和坡体蠕动两类。
坡体基座产状较缓且有一定厚度的相对软弱岩层，在上覆层重力作用下，致使基座部分向临空方向蠕动，并引起上覆层的变形与解体，是“软弱基座蠕动”的特征。软弱基座塑性较大，坡脚主要表现为向临空方向蠕动、挤出；而软弱基座中存在脆性夹层，它可能沿张性裂隙发生错位。软弱基座蠕动只引起上覆岩体变形与解体。上覆岩体中软弱层会出现“揉曲”，脆性层又会出现张性裂隙；当上覆岩体整体呈脆性时，则产生不均匀断陷，使上覆岩体破裂解体。上覆岩体中裂隙由上向下发展，且其下端因软弱岩层向坡外牵动而显著张开。此外，当软弱基座略向坡外倾斜时，蠕动更进一步发展，使被解体的上覆岩体缓慢地向下滑移，且被解体成的岩块之间可完全丧失联接，如同漂浮在下伏软弱基座上。
坡体沿缓倾结构面向临空方向缓慢移动变形，称为坡体蠕动。它在卸荷裂隙较发育并有缓倾结构面的坡体中比较普遍；有缓倾结构面的岩体又发育有其他陡倾裂隙时，构成坡体蠕动的基本条件。若缓倾结构面夹泥，抗滑力很低，便会在坡体重力的作用下产生缓慢的移动变形。
