边坡稳定及加固的分析与研究
2015-06-24
前言：随着人口的增长和土地资源的不断开发，破坏了人与自然和谐相处的生存环境，为了不至于造成环境恶力，加强环境保护，使工程建设与环境配套施工，边坡问题己变成同雨水冲击、地震和火山相并列的全球性三大地质灾害(源)之一。近年来，随着人类工程活动规模的不断扩大和场区工程地质条件的限制，因边坡失稳引起的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害给人们的生命和财产带来了巨大损失，边坡的稳定性问题日益突出。它涉及高层建筑基坑边坡、公路边坡、铁道边坡、水电工程边坡、矿山开采工程边坡。在工程施工过程中，边坡稳定与加固一直是影响工程质量与进度的关键因素，我国公路、铁路等在边坡稳定性分析与评价、滑坡的预测预报以及边坡的工程治理技术等方面都取得很大的进展，边坡工程理论研究作为解决工程问题的基础，我们应该给以极大的重视。
1边坡稳定性概述
1.1边坡稳定性
1.1.1边坡稳定性
边坡稳定性是指在各类工程结构实体中，边坡受到对工程可靠度，安全度以及经济效益能产生的影响因素下，其稳定性发生的相应变化。工程结构实体由于表面倾斜，在自身重量及其它外力共同作用下，整个土体结构都有从上向下滑动的趋势，如果土体结构体内部某一表面的滑动力超过结构实体抵抗滑动的能力，就会发生滑坡。
1.1.2 内力变化
边坡在形成的过程中，其内部原有的应力状态发生了变化，引起了应力集中和应力重分布等。为适应这种应力状态的变化，边坡出现了不同形式和不同规模的变形与破坏，这是推动边坡演变的内在原因；各种自然条件和人类的工程活动等也使边坡的内部结构出现了相应的变化，这些条件是推动边坡演变的外部因素。
1.2影响边坡稳定性的因素
日常生活中，边坡随处可见，在道路桥梁工程、矿山建设工程、 建筑工程、水利工程等众多工程领域中，均存在大量的边坡，其稳定性将对工程都有重大的影响。在三大自然灾害中，滑坡灾害同样严重地危及到国家财产和人们生命的安全，所以对工程实体的边坡进行稳定性分析研究是十分重要的。通过对边坡稳定性进行分析评价，总结变边坡稳定性的影响因素，合理安排预防措施，将会大大避免滑坡等自然灾害造成的损失。下面是对影响因素的简要总结：
（1）地质条件：岩土体的工程地质性质，地质构造。坚硬岩石边坡失稳以崩塌和结构面控制型失稳为主；软弱岩石边坡失稳以应力控制型失稳为主。对其它因素给定的边坡，岩土体的工程地质性质越优良，边坡的稳定性越高。
（2）水文地质条件；水文地质条件包括地下水的赋存、补给、径流和排泄条件。地下水的富集程度与气候条件、水文地质条件有关。由于岩土体的力学性质受水的影响很大，地下水富集程度的提高一方面增大坡体下滑力，另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪程度，引起孔隙水压力上升，降低滑动面上的有效正应力，导致滑动面的抗滑力减小。因此，地下水富集程度的改变相应地引起边坡稳定性发生改变。
（3）地貌因素；边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定性的影响是显而易见的，不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起张裂缝；在坡脚产生的强烈的剪应力，会形成剪切破坏带，这些作用极大地降低了边坡的稳定性。边坡面与地质结构面的不利组合还会导致边坡结构面控制型失稳。
（4）气候因素；大气降雨是地下水的主要补给源。气候类型不同，大气降雨量也不同。由于不同地区的大气降雨量不同，即使其他条件相同，边坡的稳定性也不同。暴雨或长期降雨以及融雪过后，会出现边坡失稳（尤其是可塑性因素大的土质）增多的现象，这说明大气降雨等对边坡的稳定性有很大的影响。边坡稳定性会随着温差变化、 降雨雪及冻融等因素的强度的变化而变化。季节变化导致的强降雨雪、冰冻将会影起水位的上升，将会产生边坡不稳定的趋势大气降雨、融雪的增加提高了地下水的补给量，一方面降低岩体的强度，增大孔隙水的压力，使边坡滑动面的抗滑能力降低；另一方面增大边坡的下滑力，两者结合起来极大地降低了边坡的稳弱，从而导致裂隙增加，扩大，影响边定性。
（5）风化作用；风化作用使岩土的抗剪强度减弱，裂隙增加、扩大，影响边坡的形状和坡度，透水性增加，使地面水易于侵入，改变地下水的动态；沿裂隙风化时，可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。
（6）人类的工程活动因素：削坡，不当的削坡往往使坡脚结构面或软弱夹层的覆盖层变薄或切穿，减小坡体滑动面抗滑力，而边坡下滑力却没有相应减小，这样使边坡的稳定性降低。当结构面或软弱夹层的覆盖层被切穿时，结构面与边坡面构成不利组合，导致边坡产生结构面控制型失稳。坡顶加载对边坡稳定性产生的不利影响表现在两方面：一是在增加坡体下滑力的同时，没有成比例地增加滑动面的抗滑力；二是荷载相对集中加大了坡顶张应力和坡脚剪应力的集中程度，使边坡岩土体破坏，强度降低，因而引起边坡稳定性降低。当坡顶加载物为松散物时，情况就更为严重，因为松散加载物能减少大气降雨的地表径流，增加大气降雨的入渗量，也会降低边坡的稳定性。地下开挖，地下开挖引起的地表移动和边坡失稳具有先沉陷、后开裂、再滑动的活动规律。地下开挖首先引起边坡地表运动，当地表移动到一定程度时，在边坡坡顶附近拉裂，并出现拉裂缝，坡脚附近出现剪切破坏带。当边坡岩土体破坏较严重时，拉裂缝与剪切破坏带贯通或近乎贯通，边坡滑动面的抗滑力急剧下降，边坡的稳定性显著降低，甚至失稳。
1.3边坡稳定性分析常用方法
1.3.1 边坡的稳定性分析目的
（1）验算所拟定的边坡是否安全、合理、经济，边坡过陡可能发生坍塌，过缓则使土方工程量加大，不经济。（2）根据给定的边坡高度、土的性质等已知条件设计出合理的边坡断面。（3）对自然边坡进行稳定性分析和安全评价。
1.3.2 边坡稳定性的分析方法
大致可以分为两类：定性分析方法和定量分析方法。
（1）定性分析方法：定性分析方法是一种定性的分析方法。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机制进行分析，评价出所检测边坡稳定性现状及其可能的发展趋势等。自然历史分析法是通过对所检测区域的自然历史状况结合现在的破坏迹象做出综合评价和预测，从而得出边坡稳定性的总和评价。工程类比法是通过结合自身工程结构实体的现状以及地质环境等 ，和与此具有同等或相似的地质环境的结构实体进行对比归类，而得出的边坡稳定性综合评价。由此方法得到的稳定性分析结果具有较大的工程可实践性，是现在利用的比较广泛的边坡稳定性分析方法。
（2）定量分析法：极限平衡法是根据边坡上的滑体或滑体分块的力学平衡原理( 即静力平衡原理) 分析边坡各种破坏模式下的受力状态，以及边坡上的抗滑力和下滑力之间的关系来评价边坡的稳定性。其原理是：设边坡的稳定安全系数为F，则当边坡土体的抗剪参数( 摩擦因素tan和粘结力 C ) 降低 F倍后，边坡内某一最危险滑面上的滑体将濒于失稳的极限平衡状态。在极限平衡分析中需要假定滑裂面，如果滑裂面为任意形状，则为了确定沿滑裂面的应力分布， 需要将滑动土体分成若干垂直土条，通过分析作用于土条上的力来建立平衡方程，此及条分法。数值分析法是利用计算方法求出边坡的应力分布和变形情况研究岩体中应力和应变的变化过程，求得各点上的局部稳定系数，由此判断边坡稳定性。
（3）有限单元法：有限单元法是目前应用最广泛的数值分析方法。该方法最早应用在边坡岩石土体的稳定性分析中。也是目前最广泛使用的一种数值分析方法。有限单元法的基本思想是将一个连续体离散化，变换成有限数量的有限大的单元集合，这些单元之间只通过结点来连接和制约，用变换后的结构系统代替实际的系统采用标准的结构分析来进行处理。有限单元法( F E M) 的缺点是不能很好地求解大变形和位移不连续等问题，对于无限域、应力集中问题等的求解不甚理想。
（4）边界单元法：边界单元法(BEM) 是 7 0年代发展起来的一种数值方法，其只需对研究区的边界进行离散化，具有输入数据少的特点。计算精度较高， 在处理无限域方面有明显的优势。边界单元法(BEM) 的缺点是处理材料的非线性、不均匀性、模拟分步开挖等方面较弱，不能求解大变形问题。
2边坡加固研究
2.1边坡加固方法
边坡加固的方法多种多样，下面总结了几种常用方法及其内容：
2.1.1 混凝土抗滑结构加固
混凝土抗滑桩 抗滑桩是穿过滑坡体深入稳定土层或岩层的柱形构件，用以支挡滑体的滑动力，一般设置于滑坡的前缘附近，起稳定边坡的作用，用于正在活动的浅层和中层滑坡效果较好。①通过地质调查，掌握滑坡的原因、性质、范围及厚度，分析其所处状态及发展趋势。②计算滑坡推力及在桩身的分布形式。③根据地形、地质情况及施工条件等确定桩的位置及布置范围。④根据滑坡推力的大小、地形及地层性质，拟定桩长、锚固深度、桩截面尺寸及桩间距。为了能使抗滑桩更有效的防止滑坡，在设置时应将桩身全长的1／3～1／4埋置于滑坡面以下的完整基岩或稳定土层中，并灌浆使桩和周围岩土体构成整体，并设置于滑体前缘部分．使其能承受相当大的压力。（2）混凝土沉井 沉井是一种混凝土框架结构，施工中一般可分成数节进行，其结构设计是根据沉井的场地布置、受力状态及基坑的施工条件等因素决定。在高边坡工程中，沉井具有抗滑桩的作用和挡土墙的作用。 （3）混凝土挡墙 混凝土挡墙是借助自身的重量以支挡滑体的下滑力的一种有效防止滑坡的常用方法，并可与排水等措施联合使用。它能有效地从局部改变滑坡体的受力平衡，阻止滑坡体变形的延展，具有结构简单，能快速起到稳定滑坡作用等优点。在设计混凝土挡墙时。应根据最低滑动面的形状和位置来设计挡墙基础的砌置深度，并在墙后设置泄水孔，使其不仅能削弱作用于挡墙上的静水压力，还能防止墙后积水浸泡基础而造成的挡墙滑移。
2.1.2 锚杆加固
锚固技术是将一种受拉杆件的一端固定在边坡或地基的岩层或土层中，这种受拉杆件的固定端称为锚固端(或锚固段)，另一端与工程建筑物联结，可以承受由于土压力、水压力或风力所施加于建筑物的推力，利用地层的锚固力以维持建筑物的稳定。
锚固按结构形式可分为抗滑桩、锚洞、喷锚支护及预应力锚固(锚索)4类：（1）锚固洞 锚固洞加固，是治理边坡稳定的一种有效措施。在锚固洞加固的过程中应遵循由内向外、自上而下、循序渐进、逐层加固等原则，同一搞成结构面的锚固洞应跳洞开挖施工，避免不利结构面上已有抗滑力的削弱，从而影响边坡的稳定。（2）喷混凝土护坡 喷混凝土护坡是一种生产效率高，施工速度快，不用模板，并把混凝土运输、浇筑、捣固结合在一起，实现机械化连续施工的新型混凝土施工工艺。因其是依靠一定的冲击速度喷射而成的，因而其作为临时支撑比木结构强度高，比钢结构经济。作为永久支护时，比现浇混凝土衬砌的早期强度高。配合使用锚杆。可以减少洞室开挖量，减薄衬砌厚度，节约水泥用量。特别是喷混凝土施工时，可以不用模板，不立拱架，加大了洞内的有效空间，施工时能紧跟开挖面进行喷射，减少岩石暴露风化的时间，及时控制围岩的变形。
（3）预应力锚固
预应力锚索加固是通过锚固在坡体深部稳定岩体上的锚索将力传给混凝土框架，由框架对不稳定坡体施加一个预应力，将不稳定松散岩体挤压，是岩体间的正压力和摩阻力大大提高，增大抗滑力，限制不稳定液体的发育，从而起到加固边坡、稳定坡体的作用。采用预应力锚索进行边坡加固，其优点有：在高边坡或隧洞洞口明挖中采用，可增加边坡稳定。从而减少开挖量，也为提前进洞创造条件；可在水库正常运行条件下用于混凝土坝体或坝基加固；用于修补混凝土裂缝或缺陷，可将集中荷载分散到较大范围内；加固洞室。改善洞室的受力条件等。这些优点使其在高边坡加固中得到广泛应用。
2.1.3 减少荷载、利用排水等措施
（1）减载反压 减载反压在边坡加固治理中应用广泛。减载的目的在于降低坡体的下滑力，其主要方法是将滑坡体后缘的岩土削去一部分，但单单减载有时并不能起到阻滑的作用。最好是与反压措施结合起来，即将减载削下的土石堆于边坡或滑坡前缘阻滑部位，使之既能起到降低下滑力，又增加抗滑力的良好效果。此措施应用于上陡下缓的滑坡效果更好。 （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，即是要拦截流入边坡变形破坏区的地表水流，包括泉和雨水。如，可在滑坡体外修建拦水沟、排水沟的方法排水；在滑坡体内的地表水，可利用地形和自然沟谷，布置树枝状排水系统。排除了地表水，可减小滑动力，降低了附近岩土体的含水量或孔隙水压力，达到了增强抗滑力和提高边坡稳定性的作用。 ② 排除地下水，可根据地下水的埋深分为浅层地下水和深层地下水排水工程两种。浅层地下水排水工程可采用截水沟、盲沟和水平钻孔等方法；深层地下水排水工程可采用截水盲沟、集水井、平孔排水和排水廊道等方法。排除了地下水，将尽可能降低边坡岩体地下水位，减小渗水压力，改善边坡稳定条件，提高边坡稳定性。
2.2 边坡加固实例分析
三峡永久船闸位于长江右岸，坛子岭以北约200m，距长江水边约1638m，原地形高程在220-250m之间，开挖后形成南北两大高边坡，北坡最大高度达170m，开挖坡角自上而下为：全强风化带45°，弱风化带及其以下梯级坡段63°-73°，下部闸室高为40-68m，边坡为直立坡。
基岩主要为前震旦系闪云斜长花岗岩，岩石抗压强度（湿）90-100MPa，抗拉强度2.65MPa，容重27kn－m³，变形模量35-45GPa，一般硬性结构面的摩擦系数为0.7，凝聚力为0.2MPa。
岩体风化自上而下分为全风化、强风化、弱风化和微风化四个风化带。全风化带的厚度一般为15-35m，平均15-25m，最厚46m；弱风化带上部变化极大，平均厚度5m，但最厚可达59m。
边坡的加固处理措施：
（1）边坡排水
边坡排水包括水源补给的截、防、排以及边坡体内地下水的疏排两方面：
消除水源补给的措施：包括阻止大气降水和其他地表水的入渗，隔断山体来水，防止水库渗水，以及消除闸室渗漏等，即在闸室两侧泄水区内设置排水沟，将地表水引离边坡，在边坡表面及马道面全面铺盖，防止降水入渗，设置防渗帷幕及幕后排水，截排上游库水。控制闸室混凝土的防渗质量，防止闸室内的水向边坡渗透。山体排水：船闸区岩体的水文地质结构具有不均匀性，浅部的地下水补给强度与渗流速度远高于深部。故在山体内设置了七层排水洞，每层排水洞内向上打两排排水孔以疏于地下水，另外在直立坡上设置水平排水孔，将地下水排到闸室衬砌墙后面的排水管网内。
（2）系统支护
为了保持边坡的长期稳定，对边坡采取了系统的支护措施。对全强风化带边坡（1:1） ，采取挂网喷混凝土支护，并设置排水管；对弱风化带边坡（1：0.5） ，采取系统锚杆支护和挂网喷混凝土支护，并设置排水孔；对直立墙以上微新岩体（1:0.3），采用系统铺杆和素混凝土喷锚支护。对于开挖时发现的松动区，裂隙张开或爆破裂隙发育，在马道以下(3-5m)内，普遍采取系统锚固。对直立坡也采用系统锚杆加固。
（3）随机支护
对于施工中发现的地质缺陷，如结构面发育区、岩体破碎区、断层带、节理密集带或局部不稳定块体等，需分别情况进行支护。
2.3 边坡加固的重要意义
保证边坡的安全，才能保证建筑工程的安全，所以，边坡加固意义重大。据报道，我国的滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害，正随着资源的开发而加剧，我国每年由此造成的损失达300亿元，对国民经济造成了不可估量的损失。近十年来，全国400多个市、县受到严重侵害，有近万人死亡，一半以上的地质灾害是人为因素造成的。随着我国社会主义经济建设的大规模发展，边坡研究、治理的作用与地位日益显得重要。在水电站工程、铁道工程、公路工程筹建设中，经常需要开挖边坡。边坡的稳定性分析与边坡治理常常是工程成败的关键技术，也是确保工程安全和降低建设费用的重要环节。
结束语
边坡稳定性的影响因素很多，边坡加固的方法也多种多样，不同的工程我们应以不同的方法应对。如今，我国正面临前所未有的发展态势，由此也带来了环境的破坏，自然灾害增多，所以，关于边坡稳定性及其加固的研究也将越来越重要，我们也能够当投入更多的经历，应对可能发生的边坡灾害。
