土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與加固方法研究

劉甲元

摘要 邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是影響工程施工建設(shè)的重要因素，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固對(duì)工程建設(shè)具有重要意義?；诖?，文章對(duì)土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與加固方法進(jìn)行研究。土質(zhì)高邊坡的地層結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要包括倒U形、M形和雙M形邊坡。受結(jié)構(gòu)面層組數(shù)和間距影響，土質(zhì)高邊坡的巖土層類(lèi)型分為整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)和碎狀結(jié)構(gòu)。研究表明，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括自然因素和人為因素。土質(zhì)高邊坡加固可以采用預(yù)應(yīng)力錨桿加固、抗滑樁支護(hù)加固和樁板墻加固方式。

關(guān)鍵詞 高邊坡；結(jié)構(gòu)類(lèi)型；穩(wěn)定性；加固方式

中圖分類(lèi)號(hào) U418.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）12-0117-03

0 引言

近年來(lái)，隨著山區(qū)工程的大規(guī)模建設(shè)，自然山體會(huì)面臨改造和重修，由此引發(fā)的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。在工程施工過(guò)程中，邊坡處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。劉志明提出由于山坡的改造，會(huì)使得土質(zhì)的應(yīng)力性發(fā)生改變，處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致山體滑坡發(fā)生[1]。邊坡是工程中較為常見(jiàn)的一種地質(zhì)環(huán)境，進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，由于人為活動(dòng)會(huì)影響到邊坡的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到工程的施工[2]。我國(guó)山區(qū)面積較大，大部分工程施工都會(huì)面臨邊坡穩(wěn)定性處理的問(wèn)題。相關(guān)研究結(jié)果表明，對(duì)于土質(zhì)較軟和風(fēng)化較為嚴(yán)重的巖石層山體而言，邊坡穩(wěn)定性較低，加固難度相對(duì)較大[3]。對(duì)邊坡進(jìn)行有效加固，保證邊坡的穩(wěn)定性是進(jìn)行邊坡處理的重要內(nèi)容。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)土質(zhì)的邊坡穩(wěn)定性研究較多，但是對(duì)于土質(zhì)的高邊坡穩(wěn)定性研究相對(duì)較少[4]。邊坡高度的大小是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[5]。因此，該文針對(duì)土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性及加固方法進(jìn)行研究，旨在為土質(zhì)高邊坡工程施工和土質(zhì)開(kāi)挖設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 高邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 地層結(jié)構(gòu)

土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與地層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，土層主要是由不同材質(zhì)的堆積物逐年積累堆積而成的，也被稱(chēng)為沉積巖。土質(zhì)高邊坡的巖體層結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，其形式的不同也會(huì)在很大程度上影響到邊坡的穩(wěn)定性及其加固處理。根據(jù)土體邊坡堆積物和巖體特征，土質(zhì)高邊坡的巖體層結(jié)構(gòu)主要分為倒U形、M形狀和雙M形3種類(lèi)型，如圖1所示。

倒U形邊坡結(jié)構(gòu)坡體中沒(méi)有堆積物的土質(zhì)層，主體結(jié)構(gòu)主要為基巖，土體兩側(cè)易形成滑動(dòng)面。M形的巖體之間有堆積面層，中間也存在一處坡體滑動(dòng)。對(duì)于雙M形邊坡，在巖體之間會(huì)存在兩處堆積物形成的土體結(jié)構(gòu)，此種類(lèi)型產(chǎn)生的坡體滑動(dòng)面中間會(huì)存在兩處。雙M形邊坡是土質(zhì)高邊坡形式中相對(duì)較為復(fù)雜的一種邊坡形式，該類(lèi)型的坡體中存在不同填料的土質(zhì)界面層，坡體滑動(dòng)方向并不單一。

沉積的巖石層形成的過(guò)程主要是由于地殼運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期風(fēng)化形成的，該巖石層分布較為廣泛，具有一定的特殊性，存在巖體結(jié)構(gòu)和軟弱結(jié)構(gòu)面而形成的結(jié)構(gòu)面層。不同的結(jié)構(gòu)面形成不同的沉積巖邊坡結(jié)構(gòu)，如表1所示。整體層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)面特征是其結(jié)構(gòu)面不大于2組，并且結(jié)構(gòu)的間距大于1.6 m，沉積巖層整體性較好，其邊坡穩(wěn)定性較高。結(jié)構(gòu)面的數(shù)量在2～3組范圍內(nèi)的被稱(chēng)為塊狀結(jié)構(gòu)層的沉積巖，此時(shí)沉積巖結(jié)構(gòu)面的距離區(qū)間為0.5～

1.6 m，相對(duì)整體巖層塊狀巖層的邊坡穩(wěn)定性較低。當(dāng)結(jié)構(gòu)面層大于3組時(shí)，其結(jié)構(gòu)面間距值較小，基本區(qū)間為0.2～0.5 m，此類(lèi)沉積巖是碎狀沉積巖結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較低。

1.2 穩(wěn)定性分析方法

瑞典法是對(duì)土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析的常見(jiàn)方法。瑞典法主要是對(duì)邊坡的滑裂面的形狀進(jìn)行定義，一般定義為圓弧形。進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性的安全系數(shù)計(jì)算時(shí)，將土體所受重力簡(jiǎn)單地沿滑面法向分解以求得法向力。此類(lèi)方法需要進(jìn)行假設(shè)，假設(shè)土質(zhì)側(cè)面的合力與土質(zhì)的底面處于平行狀態(tài)，然后建立法線方向的靜力平衡方程，從而得到土質(zhì)高邊坡的安全系數(shù)。

畢肖普簡(jiǎn)化法是通過(guò)力矩平衡方式進(jìn)行安全系數(shù)的計(jì)算，首先假設(shè)滑裂面為圓弧形狀，此種計(jì)算方法是將土條底部法向力作為安全系數(shù)的函數(shù)，應(yīng)用此方法進(jìn)行計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，需要通過(guò)迭代求解的方式進(jìn)行，若采用畢肖普方法計(jì)算的安全系數(shù)小于瑞典法計(jì)算的結(jié)果，說(shuō)明采用該種方法的計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此，對(duì)土質(zhì)表坡穩(wěn)定性分析，進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算的時(shí)候，采用畢肖普法和瑞典法兩種方式同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，所得到的安全系數(shù)計(jì)算值選擇更為精確的計(jì)算值，是較好的選擇。

數(shù)值分析法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用更加廣泛。通過(guò)有限元法計(jì)算，可以不受到邊坡形狀和材質(zhì)不均勻性影響。但是此種方法也存在一定的局限性，在確定邊坡穩(wěn)定性時(shí)不能準(zhǔn)確地確定初始應(yīng)力狀態(tài)和彈塑性本構(gòu)關(guān)系，對(duì)邊線較大的邊坡和不連續(xù)的位移等求解較為困難，因此在利用此種方法進(jìn)行計(jì)算時(shí)要綜合考慮這些因素。

1.3 穩(wěn)定性影響因素

土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性影響因素有很多方面，主要是包括邊坡巖體結(jié)構(gòu)層改變以及力學(xué)性質(zhì)變化。力學(xué)性質(zhì)變化形成的原因是受到風(fēng)化作用，另外還受到周?chē)刭|(zhì)條件影響，水作用力和地震作用也會(huì)影響到邊坡的穩(wěn)定性，以上因素的作用統(tǒng)稱(chēng)為自然因素。

自然因素影響邊坡穩(wěn)定性主要包括降雨、巖石層風(fēng)化、河流沖擊和地震作用的影響。降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，雨水會(huì)沖刷到邊坡的土體，使得土質(zhì)軟化，形成滑坡現(xiàn)象。巖石層的風(fēng)化主要是受到風(fēng)力作用的影響，在風(fēng)力作用下，加之巖石層受到溫度、水和濕度等物理因素作用，也會(huì)引起化學(xué)變化使得巖石內(nèi)部發(fā)生質(zhì)變，出現(xiàn)裂縫和碎石，尤其是在風(fēng)力較大的地區(qū)，被風(fēng)化的巖石較多，高邊坡的巖石層更易產(chǎn)生風(fēng)化現(xiàn)象，造成邊坡失穩(wěn)。

位于河流邊緣的巖石長(zhǎng)期受到水流沖擊，邊坡產(chǎn)生崩塌的概率會(huì)大大增加。邊坡底部的土質(zhì)和巖體受到河水沖刷的作用，會(huì)降低其黏聚力和堅(jiān)實(shí)度，在河流長(zhǎng)期作用下使得邊坡穩(wěn)定性降低。地震作用對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響非常大，這與巖體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、邊坡的類(lèi)型及土質(zhì)有密切關(guān)系。地震主要會(huì)從內(nèi)部破壞巖體結(jié)構(gòu)，同時(shí)受到地震作用，巖體的力學(xué)參數(shù)也會(huì)發(fā)生很大變化，地質(zhì)應(yīng)力作用會(huì)大幅增強(qiáng)，導(dǎo)致倒U形邊坡更易發(fā)生坍塌。

人為因素對(duì)高邊坡穩(wěn)定性影響也較大。主要是土石方開(kāi)挖會(huì)引起邊坡的土體產(chǎn)生松弛，坡體荷載產(chǎn)生變化，開(kāi)挖周邊土體產(chǎn)生松動(dòng)。此外，工程施工產(chǎn)生的爆破震動(dòng)會(huì)更大程度地破壞坡體結(jié)構(gòu)。人為對(duì)坡體進(jìn)行灌溉，造成土質(zhì)含水率增加，土質(zhì)松動(dòng)，也會(huì)造成邊坡的穩(wěn)定性下降。因此，人為因素是影響邊坡穩(wěn)定性最主要的因素。

1.4 邊坡失穩(wěn)破壞模式及機(jī)理

崩塌是邊坡破壞的常見(jiàn)形式，主要表現(xiàn)為處于坡體邊緣的巖石受到風(fēng)化作用，發(fā)生變化，從整體結(jié)構(gòu)變成碎狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而發(fā)生滑坡。崩塌是由于巖體受到內(nèi)部力作用和外部環(huán)境因素的雙重作用而脫離邊坡的一種自然現(xiàn)象。內(nèi)部作用力主要源于地震和植物根系產(chǎn)生的膨脹力和水壓力。外部環(huán)境作用主要源于自然因素和人為因素引發(fā)的邊坡破壞?；乱彩沁吰缕茐男问降囊环N，其主要表現(xiàn)為平面滑動(dòng)、弧形滑動(dòng)和楔體滑動(dòng)。邊坡的破壞機(jī)理分為整體滑移、拉裂滑移和彎曲滑移3種類(lèi)型。整體滑移是順層面滑動(dòng)，是由于巖石層整體結(jié)構(gòu)面受到外界因素影響，強(qiáng)度逐漸降低，外層巖體重量大于滑面抗滑能力時(shí)，巖體會(huì)向坡體的坡腳處整體滑動(dòng)，滑動(dòng)方向?yàn)樽杂擅娣较颉＠鸦剖腔泼撀涞膸r體滑動(dòng)時(shí)在巖體尾部拉裂的一種破壞形式，表現(xiàn)為軟弱的結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生裂隙，新的臨空面也會(huì)在坡腳產(chǎn)生。彎曲滑移與拉裂滑移的不同之處是前者會(huì)發(fā)生彎曲，巖體堆積物在坡腳處堆積，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生坡腳的應(yīng)力集中，下部表層巖體受到壓力會(huì)產(chǎn)生彎曲，這是輕微彎曲階段。隨著時(shí)間的推移，表面彎曲的巖體會(huì)促使深部的巖體發(fā)生彎曲，這是劇烈彎曲階段，滑移彎曲破壞的最后一個(gè)階段是貫通剪出階段，通過(guò)這三個(gè)階段對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。

2 高邊坡加固方法

2.1 錨桿加固

近年來(lái)，錨桿技術(shù)被普遍應(yīng)用于邊坡加固工程中，這是一種通過(guò)錨固手段主要用于邊坡加固的施工方式，其主要由錨桿和擋土板組成。此種方式是通過(guò)錨桿與土體之間產(chǎn)生的摩擦力來(lái)固定要產(chǎn)生滑移的邊坡，錨桿可以承擔(dān)滑動(dòng)的巖石層和土質(zhì)層的重力，其中擋土板可以承擔(dān)一定壓力，用于固定錨桿，通過(guò)錨桿作用有效提高巖體和土質(zhì)的穩(wěn)定性。

錨桿角度和壓實(shí)系數(shù)都會(huì)對(duì)錨桿產(chǎn)生的拉拔阻力產(chǎn)生影響。錨桿的拉拔阻力是錨桿對(duì)于邊坡加固的重要影響因素。壓實(shí)系數(shù)是土質(zhì)與錨桿之間的摩擦力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出不同錨桿在錨桿壓實(shí)系數(shù)為0.9、錨桿角度為30°和45°時(shí)的拉拔阻力值。從圖2可以看出，在錨桿角度為45°時(shí)，拉拔阻力最大值達(dá)到4.64 kN，在錨桿角度為45°時(shí)，拉拔阻力最大值達(dá)到4.24 kN，相對(duì)降低了8.62%。由此可知，錨桿受到的拉拔阻力與錨桿角度成正相關(guān)。

為研究壓實(shí)系數(shù)對(duì)錨桿承受拉拔阻力的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得錨桿角度為40°時(shí)在壓實(shí)系數(shù)為0.7、0.8和0.9不同條件下的拉拔阻力值。從圖3可以看出在不同壓實(shí)系數(shù)下，錨桿受到的拉拔阻力具有很大變化。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為0.7和0.8時(shí)，最大拉拔阻力值分別為3.39 kN和3.93 kN，極限拉拔阻力值增加了15.92 kN。壓實(shí)系數(shù)0.9時(shí)，拉拔阻力為4.71 kN。在不同壓實(shí)系數(shù)下，拉拔阻力值變化趨勢(shì)基本相同，逐漸增加到最大值，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。拉拔阻力值隨著壓實(shí)系數(shù)的增大而增加?？梢?jiàn)錨桿受到的拉拔阻力值與壓實(shí)系數(shù)成正相關(guān)。

2.2 抗滑樁支護(hù)

在山體起伏較大的山區(qū)，多采用抗滑樁方式進(jìn)行高邊坡加固，主要應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建筑工程中，還有一些高邊坡地帶。當(dāng)邊坡的下方覆蓋較厚的土層時(shí)，一般需要設(shè)置樁基托梁，或者采用樁板墻進(jìn)行增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性?？够茦峨S著土質(zhì)邊坡推力的增加，會(huì)產(chǎn)生位移變化，當(dāng)推力大于45 kPa，主要體現(xiàn)在位移急速增大，采用這種方式，受到較大推力時(shí)抗滑樁會(huì)發(fā)生彎曲，由此彎矩也會(huì)發(fā)生變化，在巖土交界面呈現(xiàn)倒梯形分布趨勢(shì)。采用抗滑樁方式可以有效地對(duì)土質(zhì)高邊坡進(jìn)行加固，控制邊坡下部結(jié)構(gòu)變形。

2.3 樁板墻加固模式

樁板墻是高邊坡加固較為常見(jiàn)的一種加固方式，相對(duì)于抗滑移樁，其對(duì)高邊坡的加固更加穩(wěn)定。樁板墻的受力方式更加均勻，在承受較大的邊坡土體壓力時(shí)，可以分布受力點(diǎn)，受力變形特性和加固性能相對(duì)較為復(fù)雜，能有效加固一些比較陡峭的高邊坡地帶，降低土體變形率。樁板墻的擋土板在進(jìn)行邊坡加固時(shí)會(huì)受到一定的壓力，壓力會(huì)沿著板深度方向呈現(xiàn)先減小后增大的分布形式，其主樁的壓力值和內(nèi)力值相對(duì)較大，是主要承載壓力的結(jié)構(gòu)，而副樁承受的壓力值相對(duì)較小。

3 結(jié)論

近年來(lái)，隨著山區(qū)工程的大規(guī)模建設(shè)，自然山體面臨改造和重修，由此引發(fā)的邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題成了工程關(guān)注的重點(diǎn)。邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題是影響工程施工建設(shè)的重要因素，對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析和加固對(duì)工程建設(shè)具有重要意義。該文對(duì)土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與加固方法進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）土質(zhì)邊坡的巖體結(jié)構(gòu)受到結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)面間距的影響，整體結(jié)構(gòu)面不大于2組，間距大于1.6 m，此種巖體邊坡穩(wěn)定性最高。結(jié)構(gòu)面的數(shù)量在2～3組，間距為在0.5～1.6 m為塊狀結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性相對(duì)較差。碎狀結(jié)構(gòu)大于3組，間距0.2～0.5 m，穩(wěn)定性相對(duì)最差。

（2）影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括自然因素和人為因素，人為因素是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。對(duì)土質(zhì)高邊坡進(jìn)行加固的方法主要包括錨桿加固、抗滑移樁加固和樁板墻加固方式。錨桿加固的拉拔阻力受到壓實(shí)系數(shù)和錨桿角度的影響，拉拔阻力與二者成正相關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉志明. 延平西站土質(zhì)深路塹邊坡穩(wěn)定性分析與加固措施研究[J]. 資源環(huán)境與工程， 2021（2）： 224-227.

[2]李輝. 黃土質(zhì)深路塹邊坡雨水入滲穩(wěn)定性影響及錨固整治研究[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督， 2018（5）： 3-6.

[3]王利軍. 朔黃鐵路高路塹護(hù)坡溜塌病害及加固措施研究[J]. 山西建筑， 2020（23）： 3-5.

[4]劉海明， 劉亞明. 基于正交法的土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定影響因素計(jì)算分析[J]. 山西建筑， 2018（10）： 2-6.

[5]李元松， 陳文峰， 李新平， 等. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013（1）： 113-118.