高邊坡開挖中土壤穩(wěn)定性分析與加固措施

周振坤

中國鐵建港航局集團有限公司第二工程分公司 浙江 寧波 315100

在工程建設(shè)中，高邊坡開挖是常見的施工過程，然而，由于土壤的特性和外界環(huán)境的影響，邊坡的穩(wěn)定性問題成為了一個不可忽視的挑戰(zhàn)。邊坡失穩(wěn)可能導致嚴重的安全事故和財產(chǎn)損失，因此對于邊坡的土壤穩(wěn)定性進行全面的分析和加固措施的提出至關(guān)重要[1]。

1 土壤穩(wěn)定性分析

1.1 土壤力學基礎(chǔ)知識

土壤穩(wěn)定性是土木工程中一個重要的研究領(lǐng)域，它涉及到土壤的力學性質(zhì)和其在各種載荷下的行為。了解土壤力學基礎(chǔ)知識對于分析土壤穩(wěn)定性至關(guān)重要。首先，我們需要了解土壤的組成和結(jié)構(gòu)。土壤由固體顆粒、水分和空氣組成。固體顆粒可以分為三種類型：砂粒、粉狀顆粒和膠粘顆粒。這些顆粒之間通過各種力進行相互作用，形成土壤的內(nèi)聚力和抗剪強度。其次，土壤具有重要的物理性質(zhì)，如容重、孔隙比和含水率。容重是指單位體積土壤的質(zhì)量，孔隙比是指土壤孔隙的體積與總體積的比值，而含水率則是土壤中水分的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。這些物理性質(zhì)直接影響土壤的穩(wěn)定性。此外，土壤還具有一些力學性質(zhì)，包括彈性模量、剪切模量和壓縮模量。彈性模量表示土壤在受力后恢復原狀的能力，剪切模量表示土壤抵抗剪切應(yīng)力的能力，而壓縮模量則表示土壤在受到一定壓力后的變形性質(zhì)。這些力學性質(zhì)對于土壤的穩(wěn)定性和承載力有著重要影響[2]。

1.2 影響邊坡穩(wěn)定性的因素

邊坡穩(wěn)定性是指邊坡所受各種力作用下的抗滑能力。然而，邊坡穩(wěn)定性受到多種因素的影響，首先，土壤的物理特性是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。土壤的含水率、孔隙比以及粒度分布等物理特性都會直接影響土壤的內(nèi)聚力和抗剪強度，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。其次，地下水位也是一個重要的因素。地下水位的升高會增加土壤的飽和度，進而降低土壤的抗剪強度，從而使邊坡易于發(fā)生滑坡。因此，在邊坡設(shè)計中需要充分考慮地下水位對邊坡穩(wěn)定性的影響。此外，坡度和坡高也會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。一般來說，坡度越陡，邊坡穩(wěn)定性越差。而坡高的增加會導致邊坡所受的重力作用增大，進而增加邊坡的滑動風險。

除了以上因素，土壤的側(cè)向土壓力、坡面覆蓋物的影響、地震力等也是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。這些因素的綜合作用會直接決定邊坡的穩(wěn)定性和安全性。

1.3 評估邊坡穩(wěn)定性的方法

為了評估邊坡的穩(wěn)定性，工程界發(fā)展了多種方法和模型。首先，極限平衡法是一種常見的方法，它基于土壤在邊坡上受力平衡的假設(shè)。通過計算邊坡上各個力的平衡關(guān)系，可以確定邊坡是否穩(wěn)定。其中，強度折減法和切線法是常用的極限平衡法的應(yīng)用形式。這些方法可以考慮不同因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，如地下水位、土壤物理性質(zhì)等。其次，有限元法是一種數(shù)值計算方法，可以模擬邊坡受力情況。該方法將邊坡劃分成無數(shù)個小單元，通過求解每個單元的力學方程來獲得邊坡的應(yīng)力和變形情況。有限元法可以考慮復雜的邊界條件和非線性問題，但需要進行大量的計算和參數(shù)設(shè)置。此外，統(tǒng)計分析方法也被廣泛應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定性評估中。通過收集和分析現(xiàn)有的邊坡數(shù)據(jù)，可以建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ突蚋怕誓Ｐ?，來預測未來邊坡的穩(wěn)定性。這些方法可以考慮到不確定性因素和隨機性，提供了一種更全面的評估方法。最后，物理模型試驗是一種直接觀測和測試邊坡穩(wěn)定性的方法[3]。通過在實驗室或野外建立邊坡的縮尺模型，可以模擬真實的邊坡受力情況，并進行各種加載試驗。通過觀察模型的變形和破壞情況，可以評估邊坡的穩(wěn)定性。物理模型試驗提供了直觀、可視化的結(jié)果，但成本較高且受限于試驗條件。

1.4 土體失穩(wěn)模式討論

土體在邊坡上的失穩(wěn)行為取決于多個因素，包括土壤性質(zhì)、邊坡幾何形狀和外力作用等。首先，滑移是一種常見的土體失穩(wěn)模式。當邊坡上的剪切應(yīng)力超過土壤的抗剪強度時，土體會發(fā)生滑動。滑移可以沿著邊坡表面或較大的土層面發(fā)生，導致整個邊坡的運動。其次，傾斜是另一種常見的失穩(wěn)模式。當邊坡上存在較弱的土層或土體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定時，土體可能會發(fā)生傾斜。這通常發(fā)生在邊坡頂部或邊坡中間的局部區(qū)域，導致該區(qū)域的土體崩塌或滑動。此外，潰決是一種嚴重的土體失穩(wěn)模式。當邊坡上存在較大的水體壓力或水流沖刷時，土體的穩(wěn)定性會受到嚴重影響。水的作用會削弱土壤的內(nèi)聚力和抗剪強度，導致邊坡發(fā)生潰決現(xiàn)象。潰決通常以大規(guī)模的土體崩塌和沖刷為特征，對周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)造成嚴重破壞。另外，局部滑動和旋轉(zhuǎn)也是土體失穩(wěn)的一種模式。當邊坡上存在較強的地下水位或土體含有可塑性較高的膠粘顆粒時，土體可能會發(fā)生局部滑動或旋轉(zhuǎn)。這種模式通常表現(xiàn)為邊坡上某個區(qū)域的土體松動和變形，但整體邊坡結(jié)構(gòu)仍然保持相對穩(wěn)定。

除了上述模式，還存在其他一些特殊情況下的土體失穩(wěn)模式，如邊坡凍融破壞、地震引起的液化等。這些特殊情況下，土體的物理性質(zhì)會發(fā)生明顯變化，導致邊坡的失穩(wěn)行為。

2 加固措施

2.1 常見的邊坡加固措施

在面對邊坡穩(wěn)定性問題時，需要采取適當?shù)募庸檀胧﹣硖岣哌吰碌姆€(wěn)定性。下面將介紹一些常見的邊坡加固措施。首先，土釘加固是一種常用的方法。該方法通過在邊坡中安裝鋼筋土釘，將鋼筋與土體相互作用，增加土體的內(nèi)聚力和抗剪強度，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。土釘可以根據(jù)具體情況進行不同的布置方式，如水平、垂直或傾斜布置。其次，擋墻是另一種常見的邊坡加固措施。擋墻通常由混凝土或鋼筋混凝土構(gòu)成，安裝在邊坡底部或中部，用于抵抗土體的滑動和傾斜。擋墻可以采用重力式結(jié)構(gòu)或加筋型結(jié)構(gòu)，具有較高的抗荷能力和穩(wěn)定性。此外，植被加固也是一種自然且經(jīng)濟的邊坡加固措施。通過在邊坡上種植適合的草本植物或樹木，可以增加邊坡土壤的抗剪強度和抗侵蝕能力。植被的根系可以錨固土體，并吸收部分雨水，減少地表徑流，從而保持邊坡的穩(wěn)定性。另外，還有其他一些常見的邊坡加固措施，如鋼筋網(wǎng)片加固、噴射混凝土加固、土工合成材料加固等。這些措施都具有不同的原理和適用范圍，可以根據(jù)具體情況選擇合適的加固方法[4]。

2.2 合適的加固措施及其原理和適用性

在選擇合適的加固措施時，需要綜合考慮邊坡的特點、土壤的性質(zhì)以及工程的實際需求。下面將介紹一些常見的加固措施及其原理和適用性。首先，對于土壤較軟且邊坡高度較大的情況，土釘加固是一種有效的方法。通過在邊坡中安裝鋼筋土釘，可以增加土壤的內(nèi)聚力和抗剪強度，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。這種加固方法適用于各種土壤類型和邊坡形狀。其次，對于邊坡土體較弱且存在傾斜的情況，擋墻是一種常見的選擇。擋墻可以通過抵抗土體的滑動和傾斜來提高邊坡的穩(wěn)定性。重力式擋墻適用于邊坡底部需要有足夠的承載能力的情況，而加筋型擋墻則適用于邊坡中部或頂部需要較大抗荷能力的情況。此外，如果邊坡需要長期保持穩(wěn)定性并具有美化功能，植被加固是一種可行的解決方案。通過合理選擇適應(yīng)環(huán)境的草本植物或樹木，并在邊坡上進行種植，可以增加土壤的抗剪強度和抗侵蝕能力。植被的根系可以有效錨固土壤，并吸收部分雨水，減少地表徑流對邊坡的沖刷作用。植被加固適用于邊坡生態(tài)環(huán)境要求較高的項目，如公園、景觀綠化等。此外，鋼筋網(wǎng)片加固是一種常用的邊坡加固措施。通過在邊坡表面安裝鋼筋網(wǎng)片，并與土體相互作用，可以增加土壤的整體強度和穩(wěn)定性。這種加固方法適用于邊坡容易發(fā)生局部滑動或崩塌的情況，可以有效防止土體的松散和變形。最后，噴射混凝土加固是一種快速且可靠的加固方法。通過將混凝土噴射到邊坡表面，形成一層堅固的覆蓋層，可以增加邊坡的抗剪強度和穩(wěn)定性。噴射混凝土加固適用于邊坡存在較大裂縫或需要立即修復的緊急情況。在選擇合適的加固措施時，需要綜合考慮邊坡的特點、土壤的性質(zhì)以及工程的實際需求。同時，還需要進行全面的工程設(shè)計和力學分析，確保加固措施能夠滿足邊坡的穩(wěn)定性要求[5]。

2.3 加固措施的施工過程和注意事項

在進行邊坡加固的施工過程中，需要遵循一系列的步驟和注意事項，以確保加固效果和施工安全。首先，施工前需要進行詳細的現(xiàn)場勘察和工程測量，了解邊坡的具體情況，并制定合理的施工方案。同時，還需要根據(jù)設(shè)計要求和技術(shù)規(guī)范選擇合適的施工設(shè)備和材料。其次，施工過程中需要注意施工現(xiàn)場的安全，包括人員和設(shè)備的安全。必須建立完善的安全管理制度，合理設(shè)置警示標志和防護措施，確保施工人員的個人安全，并防止設(shè)備的傾覆或失控。

在進行土釘加固時，需要按照設(shè)計要求進行鋼筋土釘?shù)牟贾煤皖A埋深度的確定。安裝過程中應(yīng)注意鋼筋土釘?shù)拇怪倍群退蕉?，確保鋼筋與土體之間的良好連接。

對于擋墻的施工，需要按照設(shè)計要求進行混凝土的澆筑和養(yǎng)護。在澆筑過程中，要控制混凝土的坍落度和澆筑速度，并采取適當?shù)恼駬v措施，以確?；炷恋木鶆蛐院蛷姸?。

植被加固的施工過程中，需要選擇適合的植物品種，并進行合理的植栽布局。同時，還需要進行適當?shù)墓喔群宛B(yǎng)護，以促進植物的生長和根系的發(fā)育。

其他邊坡加固措施的施工過程也需要注意一些關(guān)鍵要點。鋼筋網(wǎng)片加固的施工中，需要確保鋼筋網(wǎng)片的正確安裝和固定，以及與土體的緊密結(jié)合。噴射混凝土加固的施工中，應(yīng)控制噴射混凝土的均勻性和厚度，并注意施工速度和噴射壓力的調(diào)節(jié)。在施工過程中，還需要注意施工質(zhì)量的監(jiān)控和檢測。對于土釘加固和擋墻加固等結(jié)構(gòu)，需要進行質(zhì)量驗收和驗收測試，包括土釘?shù)目估瓘姸葴y試、擋墻的荷載試驗等，以確保加固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力。此外，施工完成后還需要進行相關(guān)的養(yǎng)護工作[6]。根據(jù)不同的加固措施，可能需要進行植物的定期修剪和澆水，或者進行噴涂防腐涂料等防護措施，以延長加固結(jié)構(gòu)的使用壽命和穩(wěn)定性。

3 實際案例研究

3.1 高邊坡開挖工程案例

本研究將以一項高邊坡開挖工程為案例，分析其土壤穩(wěn)定性問題及相應(yīng)的加固措施。該工程位于城市建設(shè)項目中，涉及大規(guī)模地下停車場的開挖工作。由于邊坡的高度和土壤的特性，存在較大的土壤穩(wěn)定性風險。在開展工程前期調(diào)研時，對邊坡進行了詳細的現(xiàn)場勘察。根據(jù)測量數(shù)據(jù)和土壤采樣分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)邊坡土壤主要由黏土和松散砂土組成，且存在一定的含水量。邊坡的高度約為30米，呈陡峭傾斜，存在滑動和塌方的潛在風險。

3.2 進行土壤穩(wěn)定性分析

為了評估邊坡的土壤穩(wěn)定性，進行了詳細的土壤力學參數(shù)測試和數(shù)值模擬分析。通過室內(nèi)試驗確定了邊坡土壤的抗剪強度、內(nèi)摩擦角和凝聚力等參數(shù)。同時，利用計算機軟件進行有限元分析，模擬了邊坡開挖過程中的應(yīng)力和變形情況。分析結(jié)果顯示，邊坡的土壤具有較低的抗剪強度和內(nèi)摩擦角，且存在較大的滑動面。在開挖過程中，由于土體受到較大的水平推力和重力荷載的作用，邊坡易發(fā)生滑動和變形，造成嚴重的安全隱患。

3.3 相應(yīng)的加固措施選擇

基于土壤穩(wěn)定性分析的結(jié)果，確定了一套相應(yīng)的加固措施方案。首先，采用了土釘加固技術(shù)。通過在邊坡中預埋鋼筋土釘，并與土體相互作用，增加土體的抗剪強度和內(nèi)聚力，從而提高邊坡的整體穩(wěn)定性。其次，結(jié)合土釘加固，還采用了噴射混凝土加固技術(shù)。通過在邊坡表面噴射混凝土，形成一層堅固的覆蓋層，增加邊坡的抗剪強度和穩(wěn)定性。這種組合加固方式可以互補各自的優(yōu)勢，提供更好的加固效果。另外，對于邊坡頂部的部分，選擇了擋墻加固措施。通過在邊坡頂部設(shè)置混凝土擋墻，抵抗土體的滑動和傾斜，增加邊坡的整體穩(wěn)定性。擋墻的設(shè)計采用了加筋型結(jié)構(gòu)，以提高其抗荷能力和穩(wěn)定性。

3.4 實施加固措施的效果和成本效益分析

在實施加固措施后，進行了工程驗收和效果評估。通過現(xiàn)場監(jiān)測和測量，發(fā)現(xiàn)邊坡的變形和位移明顯減小，土壤的抗剪強度和內(nèi)摩擦角得到了明顯提高。有限元分析結(jié)果也證實了加固措施的有效性，同時，還進行了成本效益分析。計算了加固措施的實施成本，包括土釘、噴射混凝土和擋墻的材料費用、人工費用以及施工設(shè)備的租賃費用等。與此同時，考慮到加固措施所能提供的邊坡穩(wěn)定性改善能力，對可能發(fā)生的邊坡滑坡事故所帶來的潛在損失進行了估算。經(jīng)過綜合分析，結(jié)果顯示，實施加固措施所需的總成本相對較高，但可以有效降低邊坡滑坡事故的風險和潛在損失。通過對比分析，可以得出加固措施的成本效益比較高的結(jié)論。此外，還需要考慮加固措施的可持續(xù)性和長期效果。加固措施所使用的材料和技術(shù)應(yīng)具有耐久性和抗腐蝕性，以確保加固結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。同時，定期檢測和養(yǎng)護工作的實施也是保持加固效果的關(guān)鍵。

4 結(jié)束語

綜上所述，對于高邊坡開挖中的土壤穩(wěn)定性分析與加固措施，我們需要通過實地勘察和實驗室測試獲取土體參數(shù)，并建立適當?shù)牧W模型進行穩(wěn)定性計算。根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的加固措施，如表面排水、地下支撐、植被加固和擋墻等。在實施加固措施前，需要評估其效果、進行成本效益分析、風險分析和環(huán)境影響評估。這些工作可以有效提高邊坡的穩(wěn)定性，保障工程安全和經(jīng)濟性。