邊坡穩(wěn)定性分析與加固方法綜述

1、邊坡穩(wěn)定性分析與加固方法綜述內(nèi)容摘要邊坡穩(wěn)定性分析與加固一直是巖土工程中十分重要的研究?jī)?nèi)容。邊坡失穩(wěn)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來巨大威脅，而進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析有助于預(yù)測(cè)發(fā)生邊坡失穩(wěn)的時(shí)間，規(guī)模以及產(chǎn)生邊坡災(zāi)害的程度，同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)果可以及時(shí)對(duì)邊坡采取相應(yīng)的防治措施，降低邊坡地質(zhì)災(zāi)害。本文對(duì)影響邊坡穩(wěn)定性的因素和常用的邊坡加固方法進(jìn)行綜述。關(guān)鍵詞：邊坡；穩(wěn)定性分析；加固目 錄內(nèi)容摘要I引言11 邊坡穩(wěn)定性21.1 邊坡穩(wěn)定性的定義21.2 引起邊坡失穩(wěn)的因素21.3 邊坡穩(wěn)定性分析32 邊坡加固42.1 抗滑擋墻42.2 抗滑樁52.3 阻滑鍵52.4 錨固支護(hù)53 結(jié)語6參考文獻(xiàn)6引

2、言目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)正處在飛速發(fā)展時(shí)期，大量工程正在建設(shè)，公路、鐵路和水利等工程中存在邊坡問題，如果邊坡失穩(wěn)，會(huì)引起交通中斷，建筑物倒塌，江河堵塞，水庫(kù)淤填，給人民生命財(cái)產(chǎn)的安全帶來威脅，并由此產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。造成邊坡失穩(wěn)的原因很多，地震和降雨是其中的外在因素；而人類日趨頻繁的工程活動(dòng)也是造成邊坡災(zāi)害的重要原因，包括邊坡的開挖及土石方的填筑。正是由于邊坡安全問題與人民生命財(cái)產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)息息相關(guān)，各個(gè)國(guó)家對(duì)于這個(gè)學(xué)科進(jìn)行了大量研究，這些研究主要集中在邊坡失穩(wěn)的機(jī)理、進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析的理論方法、邊坡失穩(wěn)治理以及對(duì)邊坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)等方面。1 邊坡穩(wěn)定性1.1 邊坡穩(wěn)定性的定義邊坡穩(wěn)定性是指邊坡

3、的巖體，土體在一定的坡高和坡角條件下的穩(wěn)定程度。根據(jù)成因，可以把邊坡分為天然邊坡和人工邊坡；根據(jù)邊坡的穩(wěn)定程度，又可以把邊坡分為穩(wěn)定邊坡、不穩(wěn)定邊坡以及極限平衡狀態(tài)邊坡。在巖土體自身重力，水壓力，地震和人類外界活動(dòng)等的作用下，如果巖土體內(nèi)部某一滑面上的滑動(dòng)力超過抗滑力時(shí)，就會(huì)發(fā)生邊坡失穩(wěn)災(zāi)害，即滑坡。而邊坡巖體的基本破壞形式有：滑動(dòng)、崩塌、松馳張裂。1.2 引起邊坡失穩(wěn)的因素邊坡巖體的基本破壞形式有：滑動(dòng)、崩塌、松馳張裂、傾倒、蠕動(dòng)、剝落等。邊坡的變形和破壞是邊坡失穩(wěn)過程中的兩個(gè)必然現(xiàn)象，變形是指邊坡體內(nèi)還未出現(xiàn)貫通性滑裂面，而破壞是指除了出現(xiàn)貫通性滑裂面外，滑裂面上部巖體還具備了一定的速度和

4、位移。影響邊坡穩(wěn)定性的因素眾多，并且十分復(fù)雜，主要有以下一些因素：1.2.1 地層和巖石強(qiáng)度 地層和巖性存在差異性是影響邊坡失穩(wěn)的重要因素。有些地層存在易于形成滑帶的礦物成分和風(fēng)化物，滑坡發(fā)育特別成熟，如泥巖地層、二疊系煤系地層和裂隙粘土等。巖石強(qiáng)度對(duì)邊坡的變形也有重要影響，堅(jiān)硬完整的巖石可以形成數(shù)百米高的邊坡，如長(zhǎng)江三峽的石灰?guī)r峽谷。而在淤泥質(zhì)軟土地段，邊坡難以開挖。地層和巖石強(qiáng)度對(duì)邊坡的穩(wěn)定起控制作用，邊坡的破壞型式呈一定的區(qū)域性，即不同的地層和巖石強(qiáng)度其邊坡的破壞形式不同，如在黃土地區(qū)，邊坡主要以滑坡破壞為主；而在花崗巖地區(qū)，邊坡主要以崩塌為主。1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)造是指地殼中的

5、巖層在地殼運(yùn)動(dòng)的作用下發(fā)生變形和變位而遺留下來的形態(tài)。邊坡地段的褶皺形態(tài)、斷層和節(jié)理裂隙的發(fā)育程度對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響十分重要。在褶皺強(qiáng)烈，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜的地段，邊坡穩(wěn)定性較差。例如，在中國(guó)西南部橫斷山脈地區(qū)，邊坡的崩塌和滑動(dòng)發(fā)育成熟，經(jīng)常出現(xiàn)一些大型滑坡。由于地質(zhì)構(gòu)造是影響邊坡穩(wěn)定的重要因素，所在在對(duì)邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，應(yīng)首先對(duì)所在邊坡地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景進(jìn)行研究。1.2.3 巖土結(jié)構(gòu) 邊坡巖體中的結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡失穩(wěn)起控制作用。影響邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)因素包括以下方面：結(jié)構(gòu)面傾向傾角，走向，結(jié)構(gòu)面的組數(shù)和數(shù)量，結(jié)構(gòu)面的連續(xù)性，結(jié)構(gòu)面的起伏和光滑程度。1.2.4 水的作用 水對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有顯著的作用。

6、水對(duì)邊坡的作用主要包括：邊坡的水下部分受到水的浮托力作用，邊坡內(nèi)部水的滲透流動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，水對(duì)邊坡巖土的軟化作用，水流對(duì)邊坡的沖刷作用等。邊坡災(zāi)害的發(fā)生與降雨有密切關(guān)系，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，雨季是發(fā)生邊坡災(zāi)害的高峰期。如1981年夏季四川盆地西北部突降暴雨，發(fā)生滑坡、崩塌，毀壞房屋7.4萬間，使6萬人無家可歸，損失達(dá)3億元；1985年5月桂林發(fā)生特大暴雨使全州、興安、灌陽(yáng)3縣出現(xiàn)崩塌、滑坡5000多處；1989年7月東陽(yáng)受到臺(tái)風(fēng)暴雨襲擊，發(fā)生53處泥石流，沖毀房屋公路，損失達(dá)億元。1.2.5 地震作用地震發(fā)生時(shí)可引起邊坡內(nèi)部應(yīng)力的瞬時(shí)改變，從而對(duì)邊坡的穩(wěn)定性造成影響。地震橫波對(duì)邊坡穩(wěn)定影響較大，

7、在地震的作用下，首先使邊坡內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)新的結(jié)構(gòu)面，或使原有結(jié)構(gòu)面張裂、松馳；然后隨著地震力的反復(fù)震蕩，邊坡結(jié)構(gòu)面上部巖體沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生位移直至破壞。例如：1960年的智力大地震造成大量滑坡和崩塌，其中在瑞尼赫湖區(qū)發(fā)生三次較大滑坡，滑坡體堆積湖中使湖水上漲，最終淹沒了湖西的瓦爾迪維亞城；2008年5月12日的汶川大地震引發(fā)大量邊坡災(zāi)害，造成巨大損失。有研究表明，特別是在山岳地區(qū)，地震誘發(fā)的邊坡災(zāi)害比地震直接造成的危害還大。1.2.6 邊坡形態(tài)邊坡形態(tài)對(duì)邊坡的穩(wěn)定性的影響是直觀可見的。邊坡的形態(tài)主要包括：邊坡的長(zhǎng)度，高度，邊坡的臨空條件，以及剖面形態(tài)和平面形態(tài)等等。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)邊坡坡度越陡

8、，坡高越大時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性越差；而平面上呈凹形的邊坡比凸形邊坡穩(wěn)定性好，在實(shí)際工程中，可以采取分段凹形開挖的施工工藝，以保證邊坡開挖的穩(wěn)定性。1.2.7 邊坡地應(yīng)力邊坡初始地應(yīng)力對(duì)邊坡工程應(yīng)力，位移分布及其破壞形式有重要影響，是一個(gè)重要的地質(zhì)參數(shù)。邊坡的地應(yīng)力是影響邊坡內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育以及邊坡變形破壞的重要因素。在研究邊坡穩(wěn)定性時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)實(shí)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力資料測(cè)量。1.2.8 人類的工程活動(dòng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的工程活動(dòng)主要包括：邊坡開挖，削坡，坡頂加載，爆破。邊坡開挖對(duì)邊坡巖體內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生擾動(dòng)，使邊坡原有的力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生改變，邊坡發(fā)生變形或破壞，與此同時(shí)，邊坡開挖會(huì)對(duì)邊坡表面的植被

9、造成破壞最終加速雨水的滲人。施工過程中不合理的削坡方式會(huì)對(duì)邊坡坡腳結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層的覆蓋層變薄，使邊坡巖體沿滑動(dòng)面的抗滑力減小，而沿結(jié)構(gòu)面的下滑力卻沒有成比例減小，造成邊坡整體穩(wěn)定性的降低。而不適當(dāng)?shù)钠马敿虞d將增加邊坡巖體的下滑力，加大坡頂張應(yīng)力和坡腳應(yīng)力集中。爆破開挖不僅改變邊坡的覆蓋層，而且它的振動(dòng)作用對(duì)邊坡的穩(wěn)定性也產(chǎn)生不利影響。1.2.9 其他因素氣候條件，風(fēng)化作用，植被生長(zhǎng)等因素與邊坡的穩(wěn)定性有一定關(guān)系。各地區(qū)氣候不同，其降雨量也不同，而暴雨過后，邊坡災(zāi)害隨之增多，這表明大氣降雨對(duì)邊坡的穩(wěn)定性有很大影響。風(fēng)化作用使坡體強(qiáng)度減小，裂隙增加和擴(kuò)大，加劇了邊坡的變形或破壞，風(fēng)化程度越深，邊

10、坡的穩(wěn)定性越差。邊坡表面的植被可以遮擋陽(yáng)光以延緩巖土體的風(fēng)化，并能減少由于降水而產(chǎn)生的地面沖刷作用；植物的根能提高邊坡淺層巖土體的抗剪強(qiáng)度，使邊坡在徹底失穩(wěn)前，產(chǎn)生的位移更大，經(jīng)歷的時(shí)間更長(zhǎng)，有利于提高邊坡的穩(wěn)定性。1.3 邊坡穩(wěn)定性分析1.3.1 邊坡穩(wěn)定性分析的目的 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的目的在于預(yù)測(cè)發(fā)生邊坡失穩(wěn)的時(shí)間，規(guī)模以及邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)破壞所達(dá)到程度，根據(jù)分析結(jié)果可以對(duì)邊坡采取相應(yīng)的防治措施，減輕邊坡地質(zhì)災(zāi)害，也可以使人工邊坡的設(shè)計(jì)安全、合理、經(jīng)濟(jì)。1.3.2 邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法 進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的方法大致分為兩類：定性分析方法和定量分析方法。定性分析法無需進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算并綜合考慮了

11、多種因素，能夠快速對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，是后續(xù)定量評(píng)價(jià)和邊坡綜合治理的基礎(chǔ)。定性分析方法包括歷史分析法和工程地質(zhì)類比法。定量分析方法包括剛體極限平衡法和數(shù)值分析法。（1） 歷史分析方法：該方法是對(duì)邊坡的發(fā)育歷史進(jìn)行研究，分析邊坡演變的全過程，并定性地推測(cè)邊坡穩(wěn)定性未來的發(fā)展趨勢(shì)。歷史分析方法主要用于天然邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。（2） 工程地質(zhì)類比法：根據(jù)已有的自然邊坡或人工邊坡的設(shè)計(jì)研究經(jīng)驗(yàn)用于條件相似的新邊坡中去，這需要建立在廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，并對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的諸多因素進(jìn)行分析。（3） 剛體極限平衡法：該法是實(shí)際工程中邊坡穩(wěn)定分析最常用的方法，首先假定邊坡巖體為剛體，不考慮變形

12、及變形協(xié)調(diào)問題，并且認(rèn)為邊坡破壞服從摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，當(dāng)邊坡安全系數(shù)K=1時(shí)，邊坡滑體處于極限平衡狀態(tài)；K>1時(shí)，邊坡安全；K<1時(shí)，邊坡破壞。該法計(jì)算簡(jiǎn)單，其參數(shù)選取有較多工程經(jīng)驗(yàn)作為依據(jù)。但該法不能計(jì)算邊坡巖體的變形，且只能用于邊坡滑動(dòng)破壞的分析。（4） 數(shù)值分析法：進(jìn)入20世紀(jì)80年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多種數(shù)值計(jì)算方法引入到邊坡的穩(wěn)定性分析中。按理論體系可以分為等效連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法和不連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法。前者包括有限單元法、邊界單元法和差分法等，后者包括離散單元法、塊體單元法、剛體-彈簧元法等。數(shù)值分析方法分析邊坡穩(wěn)定可以考慮復(fù)雜的邊界條件、介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)際施

13、工運(yùn)行過程，也可以考慮邊坡巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的影響，并對(duì)邊坡進(jìn)行加固優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前采用數(shù)值分析方法的主要缺點(diǎn)在于：前處理復(fù)雜且工作量大；軟件不規(guī)范，計(jì)算結(jié)果因人而異，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2 邊坡加固前述各種邊坡穩(wěn)定性分析方法，為邊坡治理提供了依據(jù)。當(dāng)邊坡穩(wěn)定性達(dá)不到要求時(shí)，就需要人工采取一些措施來提高邊坡的穩(wěn)定性，如開挖清除、排水、削坡減載和壓腳，這些都是普遍采用的方法。而當(dāng)沒有條件采用這些措施或采用了上述這些措施后，邊坡的穩(wěn)定性仍不能滿足要求時(shí)就需要使用結(jié)構(gòu)性的工程措施對(duì)邊坡進(jìn)行加固。1990年，ORourke和Jones提出將土體的加固體系分為外部加固和內(nèi)部加固。在上世紀(jì)60年代以前，邊坡的加固

14、主要依靠外部加固，如抗滑擋墻，而抗滑擋墻根據(jù)其受力條件、材料和結(jié)構(gòu)的不同，又可以分為重力擋墻、扶壁擋墻和各類加筋土擋墻等。60年代以后，隨著邊坡加固研究的不斷深入和施工技術(shù)的提高，多種內(nèi)部加固措施被引用到邊坡加固中來。內(nèi)部加固主要包括抗滑樁、阻滑鍵和一些錨固支護(hù)。具體加固方法介紹如下：2.1 抗滑擋墻抗滑擋墻是目前應(yīng)用在中小型邊坡中治理邊坡災(zāi)害最為廣泛和有效的措施。它適用因?yàn)橥谌ミ吰缕履_失去支撐而引起滑動(dòng)的牽引式滑坡，特別是當(dāng)滑動(dòng)面較陡、含水量較小、整體性強(qiáng)和滑動(dòng)較為急劇的滑坡體，修建擋土墻后即能起到抑制滑動(dòng)的作用。修建抗滑擋墻對(duì)防治邊坡災(zāi)害效果顯著，對(duì)山體的破壞少且能有效防止坡腳處局部坍塌。

15、但抗滑擋墻的局限性同樣顯著，由于所建擋墻受到其高度和所需工程量的限制，尤其是在大型邊坡工程中，對(duì)提高邊坡穩(wěn)定性的作用有限。一般在這種情況下，它與排水、減重等措施進(jìn)行綜合應(yīng)用。擋土墻設(shè)計(jì)需滿足以下幾個(gè)條件：不產(chǎn)生滑動(dòng)、不傾覆、不產(chǎn)生較大沉降變形和具有足夠的強(qiáng)度等要求。作用于抗滑擋墻上的壓力主要是滑坡推力，它的大小、方向、分布和作用點(diǎn)位置主要由邊坡推力決定。2.2 抗滑樁抗滑樁是穿過滑坡體深入滑床的樁柱，它憑借樁與周圍巖土體的共同作用，把滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層，用以平衡滑體的滑動(dòng)力，起到穩(wěn)定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層，且具有明顯滑面、滑床基巖較完整的邊坡，但對(duì)正在活動(dòng)的滑坡進(jìn)行打樁需慎重，以免

16、因人為震動(dòng)而引起邊坡的滑動(dòng)。使用抗滑樁治理邊坡災(zāi)害，它有以下優(yōu)點(diǎn)：充分發(fā)揮材料強(qiáng)度，抗滑能力強(qiáng)，空間布置靈活，施工擾動(dòng)破壞小，工程量小投資省，施工簡(jiǎn)便及能夠直接校核，補(bǔ)充地質(zhì)勘測(cè)資料，便于優(yōu)化設(shè)計(jì)等?？够瑯栋床牧戏诸悾心緲?、鋼樁和鋼筋混凝土樁；按截面形狀分，有圓形樁、管形樁和矩形樁；按施工方法分類，有打入樁、鉆孔灌注樁和挖孔樁；按樁與巖體的相對(duì)剛度分，有剛性樁和彈性樁；按結(jié)構(gòu)型式分，有排式單樁、承臺(tái)樁、排架樁和預(yù)應(yīng)力拉錨樁等?？够瑯缎铦M足：設(shè)計(jì)施加抗滑樁之后，整個(gè)邊坡的安全系數(shù)應(yīng)提高到設(shè)計(jì)要求值，并保證滑體不冒頂，不從樁間擠出；樁身應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，斷面和配筋量滿足樁的內(nèi)力要求；抗滑樁的斷面設(shè)

17、計(jì)尺寸、間距、埋深均較合適，施工方便且工程量小?？够瑯兜臉段贿x擇：抗滑樁的平面位置及間距主要根據(jù)滑坡的地層性質(zhì)、推力大小、滑動(dòng)面坡度、滑體厚度和施工條件等因素來綜合進(jìn)行考慮。抗滑樁一般布置在坡體中后部厚度較小，且應(yīng)該選擇滑面下部巖段地基強(qiáng)度較高的地段。這樣可以降低抗滑樁的彎矩，應(yīng)力條件得到改善，同時(shí)可以縮小樁身的截面尺寸。樁位選在坡體的中厚段，樁前巖體能夠?qū)渡硖岣咦銐虻目沽χ危瑴p小樁身彎矩。但也應(yīng)該注意到，所設(shè)樁位處坡體厚度不能過小，否則可能造成坡體從樁頂剪出，越樁而過，最終導(dǎo)致邊坡加固的失敗。2.3 阻滑鍵在天然邊坡基巖中，如果滑面上下巖體較完整，且滑面單一，抗剪能力較差時(shí)，可選擇沿滑面

18、滑動(dòng)方向在滑面上開挖幾條平洞或勘探洞，并用混凝土回填密實(shí)，形成阻滑鍵?？梢钥紤]將阻滑鍵同其他一些結(jié)構(gòu)性工程措施配合運(yùn)用，如錨索，抗滑樁等。而阻滑鍵的布置、數(shù)量、斷面尺寸則應(yīng)該通過計(jì)算來確定。2.4 錨固支護(hù)錨固支護(hù)也是一種邊坡治理工程中常采用的工程措施。巖土錨固支護(hù)是通過埋設(shè)在地層中的錨桿(索) ,將結(jié)構(gòu)物與地層緊緊地聯(lián)鎖在一起,依賴錨桿與周圍地層的抗剪強(qiáng)度傳遞結(jié)構(gòu)物的拉力或使地層自身得到加固,從而增強(qiáng)被加固巖土體的強(qiáng)度,改善巖土體的應(yīng)力狀態(tài),以保持結(jié)構(gòu)物和巖土體的穩(wěn)定性,以達(dá)到預(yù)防和治理邊坡地質(zhì)災(zāi)害的目的。我國(guó)于20世紀(jì)50年代開始使用錨桿支護(hù)技術(shù),至70年代前期還處于探索階段,直至1978年才開始重點(diǎn)推廣,至80年代向英國(guó)學(xué)習(xí)錨桿支護(hù)技術(shù)后推廣到煤巷支護(hù),90年代又向澳大利亞學(xué)習(xí)和引進(jìn)成套先進(jìn)的錨桿支護(hù)技術(shù),目前已得到廣泛的推廣和應(yīng)用。根據(jù)錨桿材料、施工工藝、是否施加預(yù)應(yīng)力等的不同可以將錨固支護(hù)分為多種不同類型，較為常用的有：普通砂漿錨桿，預(yù)應(yīng)力錨桿，預(yù)應(yīng)力錨索等。錨桿和錨索在本質(zhì)上是一樣的，只是張拉介質(zhì)不同。錨桿是高強(qiáng)度精軋螺紋鋼筋為主，一般不施加預(yù)應(yīng)力，只有當(dāng)被