巖土工程邊坡的穩(wěn)定性及其設計分析

龍文武

貴州省銅仁公路勘察設計院有限公司 貴州 銅仁 554300

目前我國巖土工程邊坡支擋措施存在著一定的不足，特別是在巖土邊坡穩(wěn)定性控制方法上，需要進一步進行優(yōu)化與改進[1]。巖土邊坡穩(wěn)定性的控制效果達不到設計的預期要求，可能導致巖土工程的整體穩(wěn)定性安全儲備不足，從而導致巖土邊坡工程存在一定的安全隱患[2]?？辈煸O計單位應該強化巖土邊坡勘察作業(yè)，收集真實的一手資料，選用合理的巖土邊坡穩(wěn)定性分析方法，有效掌握巖土邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化特點和規(guī)律，設計合理的邊坡支擋方案，全面保障巖土邊坡的安全性，同時使工程建設的安全性、耐久性得到了保障。

1 巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析

分析和研究巖土邊坡穩(wěn)定性能夠為工程建設提供可靠的地質(zhì)條件參考數(shù)據(jù)，幫助工程設計人員提供合理的勘察設計方法，保障設計與實際情況相符合。目前我國巖土邊坡穩(wěn)定性分析主要使用定性分析法、定量分析法和隨機分析法，不同的分析方法針對的內(nèi)容存在差異，因此需要根據(jù)巖土邊坡的具體特點和實施的設計方案進行詳細分析[3]。本章將對這些方法的具體應用方式進行分析和研究。

1.1 定性分析法

定性分析法明確了分析的對象和內(nèi)容，有著嚴格的分析程序，分析結(jié)構(gòu)可靠性較高。定性分析法主要研究了巖土邊坡的歷史形成因素和條件等，通過特定的分析方法獲得巖土邊坡的各項數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)總結(jié)巖土邊坡的特點和變化規(guī)律。定性分析法主要包括歷史成因分析法、地質(zhì)對比分析法、赤平極射投影法以及專家系統(tǒng)分析法。歷史成因分析法的研究內(nèi)容主要包括兩項，一是研究邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和邊坡構(gòu)造，二是研究邊坡坡形、坡高、坡體變形情況[4]。從研究內(nèi)容來看，歷史成因分析法更適合自然斜坡，由于這類斜坡形成過程很少受到人為干擾，所以能夠通過巖土邊坡的結(jié)構(gòu)特點等掌握巖土邊坡的變化規(guī)律，為工程建設提供可靠的巖土設計參數(shù)；地質(zhì)對比分析法的重點是對各類巖土邊坡結(jié)構(gòu)特點進行對比，通過研究巖土邊坡的相似性掌握各類巖土的特征。例如，兩個工程建設區(qū)域的巖土邊坡在結(jié)構(gòu)方面存在著很強的相似性，說明巖土邊坡的性質(zhì)可能存在相似性，設計時可以提前制定預防措施，避免巖土邊坡出現(xiàn)塌方的問題。這種研究方法的優(yōu)點在于通過總結(jié)巖土的結(jié)構(gòu)和組成特點對具有相似結(jié)構(gòu)和組成的巖土穩(wěn)定性進行研究，從而為工程設計提供更多可靠的參考；赤平極射投影法的主要研究對象是巖土邊坡的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，一些巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在應力作用，在應力作用下巖土內(nèi)部發(fā)生形變，邊坡開挖時巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被打破，巖土內(nèi)部應力釋放，導致巖土邊坡發(fā)生崩塌，從而帶來安全威脅，通過這種方法分析巖土結(jié)構(gòu)的受力特點，將巖土受力結(jié)構(gòu)進行建模，結(jié)合受力特點制定邊坡支擋方案，可以有效防止邊坡出現(xiàn)塌方與滑坡；專家系統(tǒng)分析法是一種基于計算機系統(tǒng)的分析方法，這種方法的優(yōu)勢是通過計算機對巖土邊坡結(jié)構(gòu)和受力特點等進行建模，計算機系統(tǒng)能夠?qū)r土邊坡的三維應力模型展示，巖土工程設計人員結(jié)合三維模型設計施工方法，并在計算機中模擬施工方法，并不斷改變施工方法，做到動態(tài)設計，這種分析方法的優(yōu)勢在于能夠通過計算機發(fā)現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)中存在的不穩(wěn)定性因素，采取措施對巖土邊坡穩(wěn)定性進行控制。

1.2 定量分析法

定量分析法更適合對巖土邊坡的具體條件進行研究，進一步分析和獲得巖土的性質(zhì)。這種方法的特點通過各類計算方法對巖土條件數(shù)據(jù)進行計算，分析計算結(jié)果后總結(jié)巖土的性質(zhì)。定量分析法主要包括極限分析法、平衡分析法、數(shù)值分析法。極限分析法研究的重點內(nèi)容是巖土在極限狀態(tài)下的剛塑性特點，例如在外界應力不斷提升的條件下巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達到極限平衡，在降水天氣下受到水流影響后巖土能夠承受的最大應力等。研究時經(jīng)常將巖土放置于極限狀態(tài)下，收集不同條件下巖土的穩(wěn)定性參數(shù)。極限分析包括下限和上限，這是確定巖土穩(wěn)定性范圍的重要指標，掌握巖土邊坡承受荷載達到極限后，巖土工程設計人員可以對巖土邊坡形態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，使巖土邊坡能夠保持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，避免其發(fā)生形變并帶來安全問題；極限平衡分析法的研究重點是巖土在各類工況環(huán)境下的穩(wěn)定性，如強降雨天氣、高寒氣候或大風天氣等，這些研究是長期性的，需要收集的數(shù)據(jù)也很多，研究時常用的方法有瑞典條分法、簡布法、簡化畢曉普法和斯賓塞法等，這些分析方法適用的條件不同，研究的對象也不同。但是總體來看，這些分析方法對于工程建設人員掌握巖土的具體性質(zhì)發(fā)揮了關鍵的作用；數(shù)值分析法是一種傳統(tǒng)的分析方法，但是在現(xiàn)代技術支撐下得到了優(yōu)化。計算機技術發(fā)展推動了數(shù)值計算理論的發(fā)展，數(shù)值分析法的重點是通過研究巖土各項數(shù)據(jù)指標總結(jié)巖土邊坡穩(wěn)定性，這種分析方法的優(yōu)勢是分析結(jié)果準確性高、分析效果好，能夠避免人為計算錯誤。商散元法、拉格朗日法、有限單元法和不連續(xù)變形分析法是分析數(shù)值過程中常用的方法，這些方法的組合應用可以獲得良好的分析結(jié)果，通過這些分析結(jié)果調(diào)整巖土邊坡的設計方案，從而更好為工程施工服務。

1.3 隨機分析法

隨機分析法是研究巖土邊坡的不確定性質(zhì)的一種方法，這種方法需要借助于計算機設備進行操作，在計算機分析模型中輸入相關數(shù)值，系統(tǒng)能夠模擬巖土邊坡可能出現(xiàn)的隨機性的問題，從而為工程設計提供穩(wěn)定的巖土性質(zhì)參數(shù)。隨機分析法主要包括可靠性分析法、模糊分析法、建模分析法和灰色預測分析法。可靠性分析法是對巖土結(jié)構(gòu)可靠性進行研究的一種方法，這種方法的核心是隨機取樣，持續(xù)研究巖土的穩(wěn)定性，分析和預測巖土結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的問題。該方法可以預測巖土邊坡形變規(guī)律，將巖土形變帶來的影響降低，進一步確保巖土工程的安全性。巖土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)研究是可靠性分析的關鍵，通過對大量的巖土數(shù)據(jù)進行解析，能夠發(fā)現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)可能存在的安全隱患問題，結(jié)合相關問題形成原因制定解決措施，這樣能夠有效地預防巖土安全事故發(fā)生。模糊分析法也是一種用于預測巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法，上世紀80年代模糊分析法出現(xiàn)西方國家，研究人員將這種方法應用在巖土性質(zhì)研究方面，該方法的優(yōu)勢在于計算機能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行數(shù)理，通過對比數(shù)據(jù)找出同類巖土結(jié)構(gòu)變化的差異，進而掌握巖土的主要變化規(guī)律。模糊分析法主要通過概率假設、雙狀態(tài)假設和猜想的方法預測巖土變化規(guī)律，這種方法是基于大量巖土變化規(guī)律數(shù)據(jù)的分析方法，通過比對大量數(shù)據(jù)分析這些數(shù)據(jù)的差異性，然后進行建模分析，獲得可靠的猜想數(shù)據(jù)；建模分析法也是一種智能化的分析方法，這種方法主要用于巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化分析，例如巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空洞分析，計算機能夠?qū)r土性質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為巖土結(jié)構(gòu)模型，并將巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過三維的模型展示，人們通過觀察巖土三維結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)r土產(chǎn)生進一步的了解，如果發(fā)現(xiàn)巖土存在空洞，可以采取預防措施，避免巖土出現(xiàn)塌方，這種方法的優(yōu)勢是工程設計人員能夠在立體的模型中對巖土的特點和變化規(guī)律進行分析，設計合理的實施方案，將巖土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定帶來的影響降低；灰色預測分析法是一種通過灰色預測系統(tǒng)進行分析的方法，這種方法能夠經(jīng)巖土結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)系找出，通過巖土結(jié)構(gòu)關聯(lián)性獲得巖土變化的具體情況，然后將各個影響因素放在一起進行綜合考慮，總結(jié)巖土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，并對各項影響因素可能帶來的后果進行預測，幫助巖土設計人員更好地對巖土邊坡設計方案進行優(yōu)化。

2 巖土工程邊坡穩(wěn)定性設計

巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析、計算關系到工程實施的安全和質(zhì)量，因此必須合理地對巖土邊坡進行控制。目前巖土工程中主要采取加固和防護兩種方法對巖土邊坡結(jié)構(gòu)進行控制，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。防護方法主要應用于穩(wěn)定邊坡中，這類邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應力分布均勻，很少發(fā)生形變。而加固方法則用于邊坡缺乏穩(wěn)定性的巖土中，加固的方法不同，加固的效果也不同。除了這些防護措施之外，目前研究人員也在研究生物控制方法，旨在通過更為有效的方法對巖土邊坡進行設計，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。本章將對加固和防護這兩種控制方法的應用進行分析和研究。

2.1 加固設計方法

加固方法在一些巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性的環(huán)境下應用，這類巖土一般非自然形成或自然形成過程中受到外界因素影響較多，內(nèi)部無法形成牢固的整體，或巖土顆粒自身不具有穩(wěn)定性，因此需要采取加固的處理方式進行處理。加固處理主要包括抗滑樁設計、預應力錨索設計、加固錨設計等?？够瑯对O計方法主要針對容易發(fā)生滑坡的松散巖土，將抗滑樁放置在穩(wěn)定的巖土內(nèi)部，能夠防止邊坡下滑，起到良好的加固效果?？够瑯吨饕射摻詈突炷两M成，使用不同數(shù)量的鋼筋和不同等級的混凝土能夠起到不同的抗滑作用，在不同坡度和面積的巖土邊坡使用的抗滑樁尺寸也不同?？够瑯对O計方法的優(yōu)勢是能夠起到良好的抗滑作用，但是造價高投資較大。在邊坡滑坡治理工程中，錨索抗滑樁應用相對較為廣泛，這種方法是通過錨索和抗滑樁組合的方式進行加固，可以防止巖土發(fā)生大規(guī)模的塌方，比抗滑樁承載能力更強，缺點也是需要投入大量的資金。除了以上的設計方法外，還可以使用抗滑樁和貼板組合，這種方法可以起到良好的抗滑效果，而且能夠阻擋小型的碎石等滑落。預應力錨索設計方法是一種處理單斜構(gòu)造巖石邊坡的加固設計方法，可以對巖石邊坡起到良好的防護效果，提升巖石邊坡的穩(wěn)定性，降低巖石滑落帶來的威脅。預應力錨索設計方法的缺點是無法計算出落石下落后對錨固體張拉力的大小，如果落石產(chǎn)生的應力作用過大，可能導致錨索結(jié)果受到損壞，因此設計前需要對巖土邊坡進行勘察，掌握巖土的主要特點，設計時按照最大應力條件進行設計。錨索錨固段一般都是與巖體連接，在穩(wěn)定的巖體中進行加固，利用錨索和巖體之間的應力作用實現(xiàn)加固。施工時需要在巖體中進行鉆孔，然后將錨索插入孔位中，使用水泥砂漿進行注漿加固處理，使錨固體和地層能夠形成良好的連接。這種方法利用了巖體的自然優(yōu)勢，如果巖土發(fā)生大規(guī)模的塌方，錨索也能減緩塌方速度，從而降低塌方帶來的損失。錨索加固方式有多種，其中一種是通過錨桿和鋼索進行加固的方法，這種方法主要應用于一些存在落石的巖土中，在巖土邊坡的下方安裝加固錨網(wǎng)，錨桿使用高強度的剛性材料，鋼索使用韌性較強的材料，將鋼索安裝在錨桿上，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)落石錨網(wǎng)能夠?qū)⒙涫钄r或減緩落石的速度，防止落石帶來安全事故。

2.2 防護設計方法

防護設計方法的作用是防止巖土邊坡出現(xiàn)塌陷，在一些巖土性質(zhì)穩(wěn)定的環(huán)境下應用廣泛。防護需要借助于各類高強度的防護材料，這些防護結(jié)果通常被用在巖土的表面或下部區(qū)域，不同設計方法起到的防護效果也不同。網(wǎng)格護坡防護、混凝土護坡防護和生物防護方法非常常見，選擇具體的防護方法時應該根據(jù)巖土邊坡的特點進行設計。網(wǎng)格護坡是在巖土邊坡上設置網(wǎng)格防護裝置，網(wǎng)格材料有繩索、鋼索等，繩索等主要在一些土質(zhì)環(huán)境下應用廣泛，能夠防止巖土表面的土層掉落，鋼索防護裝置主要用于一些存在巖石較多的邊坡中。此外，也可以在巖土邊坡中安裝網(wǎng)格體，將巖土邊坡分割成多個分布，在其中種植一些綠色植物，通過植物的方法進行防護，也能起到很好的綠化防護效果；混凝土護坡設計方法在風化嚴重的巖土邊坡防護中應用廣泛，一些護坡長期受到風蝕、水浸和日曬，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受到外力作用后發(fā)生塌陷，針對這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般使用混凝土噴射方法處理，將攪拌好的混凝土噴射到巖土邊坡表面，凝固后形成堅硬的外殼，能夠避免巖土邊坡繼續(xù)受到風化，從而形成良好的防護。這種處理方法適合巖石結(jié)構(gòu)比重較大的護坡，不適合用于一些土質(zhì)的巖土邊坡，處理時應該格外地注意這一事項。生物防護法方法應用廣泛，這種處理方法的核心是利用植物加固巖土邊坡，在巖土邊坡周邊種植一些環(huán)境適應力強的植物，從而形成防護。防護植物一般以根系發(fā)達的植物為主，這些植物的根系能夠深入到巖土內(nèi)部，在巖土邊坡內(nèi)部形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。此外，有時也會使用一些灌木植株，這些植物的特點是低矮，但是分布較為密集，能夠?qū)r土邊坡的表面覆蓋，出現(xiàn)降水天氣后能夠?qū)⑺宙i住，避免巖土邊坡在雨水的沖刷下發(fā)生滑坡問題，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

總而言之，巖土工程對于我國工程建設行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，研究巖土邊坡的結(jié)構(gòu)和變化特征能夠為工程建設領域提供可靠的巖土邊坡數(shù)據(jù)，從而結(jié)合巖土邊坡的特點制定防護或加固措施，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性和安全性，保障工程建設質(zhì)量。對巖土穩(wěn)定性進行分析需要掌握巖土的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并通過各種分析模型進行分析，預測出巖土可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)問題，結(jié)合相關問題制定解決方案。因此巖土工程技術人員應不斷強化對巖土邊坡特點和運動規(guī)律的研究，通過研究其特點和運動規(guī)律為工程建設提供可靠的巖土數(shù)據(jù)。