邊坡穩(wěn)定性分析及治理研究進(jìn)展

【摘要】邊坡穩(wěn)定分析是目前國內(nèi)外研究的熱點和難點問題，文中對邊坡失穩(wěn)的影響因素以及邊坡治理措施進(jìn)行了闡述。邊坡穩(wěn)定是綜合考慮多項影響因素對其進(jìn)行定性和定量分析的重要評估手段，對現(xiàn)有的邊坡穩(wěn)定性分析從解析法、數(shù)值模擬、極限平衡法及統(tǒng)計方法進(jìn)行了分析，并對現(xiàn)有方法進(jìn)行評價。結(jié)合目前的發(fā)展趨勢，對未來邊坡穩(wěn)定性方面的研究和治理措施進(jìn)行簡單總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】邊坡；失穩(wěn)因素；穩(wěn)定性分析

【中圖分類號】TU43" " " "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A" " " "【文章編號】1673-6028（2024）03-0139-03

0 引言

邊坡是指山體或巖土體表面與地面的交界處，由于地質(zhì)、地形、水文等多種因素的影響，往往容易發(fā)生滑坡、崩塌等災(zāi)害性事件，給人類的生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅[1]，隨著城市化的快速發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，邊坡穩(wěn)定性問題日益凸顯[2]。因此，對邊坡穩(wěn)定性的分析及治理研究也變得尤為重要。過去幾十年來，國內(nèi)外學(xué)者們對邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了廣泛的研究和探討，取得了許多重要的成果。這些研究成果為我們深入了解邊坡穩(wěn)定性機理、預(yù)測邊坡災(zāi)害風(fēng)險、制定科學(xué)的治理方案提供了有力支撐。

在邊坡穩(wěn)定性分析方面，已經(jīng)涌現(xiàn)出一系列成熟的研究方法和模型。其中應(yīng)力和變形分析法、有限元法、數(shù)值模擬法等方法，通過模擬邊坡體的力學(xué)響應(yīng)和變形規(guī)律，能夠更準(zhǔn)確地評估邊坡的安全性并提供相應(yīng)的保護(hù)措施[3]。在邊坡治理方面，研究者們也做出了重要的探索和實踐。傳統(tǒng)的邊坡治理手段主要包括加固和支護(hù)等方法，如錨索加固、護(hù)坡板、護(hù)坡網(wǎng)等[4]。利用新型材料和工程技術(shù)進(jìn)行邊坡加固，通過地下水位控制和排水處理等手段降低邊坡的水分含量，以及災(zāi)害風(fēng)險評估和管理等方法，這些新的治理措施能夠更有效地實現(xiàn)邊坡的穩(wěn)定性控制和管理。

綜上所述，邊坡穩(wěn)定性是一個復(fù)雜的問題，需要多領(lǐng)域的跨學(xué)科合作和創(chuàng)新思維來解決。文中旨在綜述邊坡穩(wěn)定性分析及治理研究的最新進(jìn)展，探討邊坡失穩(wěn)的影響因素和穩(wěn)定性分析方法，并總結(jié)各類邊坡治理措施的優(yōu)缺點。

1 邊坡失穩(wěn)影響因素

1.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是邊坡失穩(wěn)的主要因素之一。王恭先[5]認(rèn)為在邊坡內(nèi)部容易形成擴散帶的地層屬性和分布部位，是導(dǎo)致邊坡不穩(wěn)定的重要原因。另外，巖土體自身內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力等因素也會在一定程度上影響邊坡的穩(wěn)定性。根據(jù)廖繼彪等[6]的研究，認(rèn)為邊坡上部結(jié)構(gòu)物的破壞，是由于在邊坡上進(jìn)行了過大的開挖，從而造成了邊坡整體不穩(wěn)定破壞。地質(zhì)資料應(yīng)根據(jù)其礦物種類、成巖時代、構(gòu)造、膠結(jié)狀態(tài)等因素進(jìn)行分類，包括地質(zhì)構(gòu)造、巖性、地層傾角、地層斷裂以及地下水位等。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，斜坡是由多種物質(zhì)構(gòu)成的，而材料的好壞直接影響到斜坡的穩(wěn)定性。地質(zhì)構(gòu)造和巖性的變化也會導(dǎo)致不同地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性存在差異。

1.2 坡面幾何參數(shù)

建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范中從幾個角度對邊坡進(jìn)行分類，在基本規(guī)定中對不同類型的巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡，按邊坡高度和破壞后果進(jìn)行了安全分級[7]，如表1所示。邊坡的高度、坡度、坡面形狀和幾何形狀等參數(shù)也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。邊坡的高度和坡度越大，抗滑能力就越差。坡面形狀的不規(guī)則性會增加邊坡的應(yīng)力集中程度，加劇邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險。

1.3 土體力學(xué)參數(shù)

土體的物理性質(zhì)和力學(xué)參數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性影響巨大。申培武[8]以邊坡巖石為研究對象，從巖石的力學(xué)特征和破壞機制出發(fā)，系統(tǒng)地研究了邊坡巖石在蠕變、剪切和破壞三個階段的破壞特征。劉靜德等[9]通過室內(nèi)試驗，研究了膨脹土邊坡在不同條件下的力學(xué)特性，得出了不同條件下，不同類型的土體在不同條件下的不同應(yīng)力狀態(tài)下。土體的粒度分布、密實度、孔隙比以及抗剪強度等參數(shù)都是重要因素。土體的粒徑較大、密實度較低、孔隙比較大，以及抗剪強度較低，都會增加邊坡的滑動和崩塌風(fēng)險。

1.4 外界力作用

外界力作用是邊坡失穩(wěn)的另一個重要因素。主要包括降雨、地震、凍融循環(huán)以及人為工程活動等。降雨會增加邊坡的水分含量，導(dǎo)致土體飽和度增加，進(jìn)而減小土體的抗剪強度。地震能產(chǎn)生動力荷載，引起邊坡的震動和應(yīng)力變化，加劇其失穩(wěn)風(fēng)險。凍融循環(huán)會使土體發(fā)生體積膨脹和收縮，破壞土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。人為工程活動如開采、爆破、挖掘等，會改變邊坡的力學(xué)性質(zhì)和地下水位，增加失穩(wěn)的可能性。王榮華等[10]采用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件進(jìn)行了水位監(jiān)測，得出了地下水位對邊坡穩(wěn)定性的影響很大的結(jié)論。在地下水上浮作用下，邊坡層間滑動強度減小，同時沿臨空面方向的位移增加，對坡體的穩(wěn)定性造成了不利的影響。

2 邊坡穩(wěn)定性分析方法

2.1 極限平衡法

極限平衡法是一種常用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，基于土體達(dá)到臨界平衡狀態(tài)來判斷邊坡的穩(wěn)定性。該方法利用力學(xué)平衡條件，假設(shè)土體滑動或傾覆時的切線和法線力量，分析滑動面和力的平衡關(guān)系。常見的極限平衡法有古典切線法、扣張法和數(shù)值極限平衡法等[11]。目前，三維極限平衡方法的研究主要集中在三維普通條分法、三維簡化畢肖普法和三維斯賓塞方法等，均是建立在二維極限平衡方法的基礎(chǔ)上。但已有的三維有限元分析方法仍有許多不足，如完全忽視條件力或僅考慮局部受力，假設(shè)柱底滑移力與主滑移面平行等。為了解決上述問題，國內(nèi)外學(xué)者相繼提出了一系列解決方案，并在最近幾年得到了較為廣泛地應(yīng)用。

2.2 解析法

解析法通過解析方法求解邊坡的穩(wěn)定性方程，得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并根據(jù)系數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。其中，比較常用的解析法有切片平衡法、承載力平衡法和有限元法等。切片平衡法假設(shè)土體的應(yīng)力沿邊坡高度線是均勻分布的，通過切片平衡關(guān)系求解邊坡穩(wěn)定性 ；承載力平衡法通過考慮土體的抗剪強度、附加應(yīng)力和外力作用，通過平衡條件的計算確定穩(wěn)定性；有限元法則利用網(wǎng)格劃分、應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和位移邊界條件，模擬土體的力學(xué)行為并評估穩(wěn)定性。劉輝等[12]通過對黏性土中邊坡滑移失穩(wěn)模式之間的相關(guān)性分析，將其等價為一個隨機變量，基于一階可靠性理論，對不排水空間變異性的黏性土結(jié)構(gòu)可靠性進(jìn)行了研究。它的特點是分析簡單，應(yīng)用范圍廣，可以通過軟件進(jìn)行分析。郭海強等[13]利用瑞典條分法，推導(dǎo)出了一種適用于鐵路路基邊坡極限承載力的計算公式，以便能較好地解決實際工程中出現(xiàn)的某些問題。

2.3 數(shù)值模擬法

數(shù)值模擬法通過建立邊坡的數(shù)值模型，利用數(shù)值分析方法求解土體的力學(xué)行為，從而評估邊坡的穩(wěn)定性。數(shù)值模擬方法常用的有有限元法、邊界元法和離散元法等。通過設(shè)定邊界條件和材料參數(shù)，模擬邊坡受力情況，并進(jìn)行穩(wěn)定性計算和分析。數(shù)值模擬法可以考慮土體非線性、非均質(zhì)性以及復(fù)雜邊界條件，具有較高的準(zhǔn)確性。楊忠平等[14]通過構(gòu)造不同構(gòu)造面的邊坡模型，開展反復(fù)微震誘發(fā)邊坡失穩(wěn)特征研究，并與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，揭示反復(fù)微震激勵下，不同構(gòu)造面邊坡的失效模式存在一定差別。許建聰[15]從半空間角度出發(fā)，建立了一種基于場量的強度折減法，其結(jié)果表明：以巖土體的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等為場量，并以時變的場量，通過對時間的控制，使強度參量的總和折減，這樣不需要人為調(diào)整折減系數(shù)，就可以直接得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，極大地提高了計算效率。

3 邊坡治理措施

邊坡治理是為了提高邊坡的穩(wěn)定性，減少邊坡失穩(wěn)風(fēng)險而采取的一系列措施。具體的邊坡治理措施取決于邊坡的具體情況、失穩(wěn)機制以及工程要求。以下是一些常見的邊坡治理措施：

（1）排水措施：合理的排水系統(tǒng)是邊坡治理的關(guān)鍵措施之一。通過設(shè)置排水溝、排水管道等設(shè)施，可以降低邊坡的飽和度，減少土體的吸力和孔隙水壓力，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。

（2）加固措施：修建抗滑樁如圖1所示：加固措施是通過改變坡體的力學(xué)特性，增加邊坡的抗剪強度和抗滑能力，提高邊坡的穩(wěn)定性。常見的加固措施包括鋼筋混凝土護(hù)坡、噴射混凝土、灌漿加固、邊坡纖維增強技術(shù)和地下錨固等。

（3）減載措施：減載措施通過減輕邊坡頂部荷載，減少邊坡的受力，降低失穩(wěn)風(fēng)險。常見的減載措施包括移除頂部土層、減少邊坡上的建筑物負(fù)荷等。

（4）防護(hù)措施：防護(hù)措施是為了防止邊坡失穩(wěn)導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生。常見的防護(hù)措施包括設(shè)置擋土墻、防護(hù)網(wǎng)、擋石、護(hù)坡板等，用于限制邊坡的滑動和崩塌，如圖2所示。邊坡治理是一個復(fù)雜的工程過程，需要綜合考慮邊坡的地質(zhì)環(huán)境、土體性質(zhì)以及工程技術(shù)要求，選擇合適的治理措施并進(jìn)行有效實施。

4 結(jié)語

文中綜述了國內(nèi)外滑坡穩(wěn)定性研究的研究進(jìn)展，并歸納了研究方法。在此基礎(chǔ)上，針對已有研究方法，提出了治理措施。得出的主要結(jié)論：極限平衡法是一種簡便、直觀、能定量評估邊坡穩(wěn)定性的方法，其不足之處在于沒有考慮巖土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，僅關(guān)注土體在失穩(wěn)時的變形機理，而不能準(zhǔn)確地分析邊坡失穩(wěn)的發(fā)生與發(fā)展。數(shù)值分析方法通過計算機處理獲得巖土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，可以處理非均質(zhì)、非線性、復(fù)雜邊界邊坡，而且能模擬邊坡的開挖、支護(hù)及地下水滲流等。根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在保證安全性、可持續(xù)性的前提下，合理地進(jìn)行滑坡防治，以減少不必要的損失。

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[作者簡介]李飛（1993—）男，貴州銅仁人，大專，研究方向：巖土工程。