關于公路邊坡穩定性的研究

王 軍,李連忠,王東曉

(1.黑龍江省呼蘭養路總段;2.黑龍江省尚志市公路管理站;3.黑龍江省交通科學研究所)

隨著我國經濟的持續穩定發展,城市正在快速的膨脹和擴張,然而地區間經濟的發展極不平衡。為了平衡區域經濟的發展速度,加速西部及邊遠地區產業的升級,實現全國各地的共同富裕,在“要想富先修路”的指導思想下,我國公路建設正在飛速的發展。公路建設雖然提升了各個地區的交通能力,但由于受各地地質條件的限制,加上雨水的沖刷,使得公路由于邊坡穩定性的下降衍生出許多工程災害事故,例如邊坡侵蝕、坡面坍塌等,而這些災害事故的產生不僅會造成重大的經濟損失,對人民群眾的生命安全也是一種潛在的威脅。如何選擇適當的邊坡保護形式以提高邊坡穩定性,已成為我國公路建設急需解決的重要研究課題之一。

1 邊坡穩定性影響因子

當邊坡成型后,多會受到自然環境或人為環境的影響,導致邊坡穩定性減低,造成崩塌破壞。邊坡失穩的原因大致可以分為潛在影響因子和誘發影響因子兩類。

1.1 潛在影響因子

(1)地形因素:現今地形的呈現多是由自然或人為因素所造成,在地形的表現上包括坡高、坡寬、坡度及坡向等。而這些因子將決定邊坡建成后會受到環境的影響程度。坡度對邊坡的影響最直接,坡度過大不利于植物生長且邊坡組成成分如土壤及巖石就容易失去力學平衡,造成邊坡失穩,最后可能引發嚴重土壤侵蝕或山崩等邊坡破壞,因此一般坡度愈大,邊坡穩定度愈低。

(2)地質材料因子:邊坡主要由單一或多種地質材料所組成,材料特性的優劣,將直接影響邊坡的穩定性,地質材料的組成成分包括礦物的種類、組織、膠結狀況、成巖時間等,其外在的表現則為巖性、土壤種類、力學強度及抗風化能力。

(3)地質構造因子:地質構造是影響邊坡穩定性最主要的因子之一。當巖體中存在不連續結構面如層面、節理、劈理、片理、剪裂帶及斷層等,會使巖體成為不連續或破碎的巖石,降低巖體強度或提高受風化的影響,而此不連續結構面的存在也容易發展成破壞滑動面,提高邊坡的不穩定性。一般而言,不同的坡型其穩定性由好到壞為斜交坡、逆向坡與順向坡。因此地質構造的方向性、分布密度、分布大小及性質的不同,將對邊坡穩定產生相當的影響。

1.2 誘發影響因子

1.2.1 環境因子

由于環境因子涵蓋范圍較廣,下面主要針對降雨、地下水、風化與侵蝕作用及地震等對邊坡穩定性造成的影響,逐一加以介紹。

(1)降雨:水是造成邊坡破壞的主要因素之一,由于降雨后易使地表材料軟化降低強度,并增加孔隙水壓,降低邊坡穩定。有學者指出對自然邊坡最不利的環境因素是持續性的暴雨,易造成坡面侵蝕與坍塌。同時雨水通過滲透作用會促使地下水位升高,導致邊坡失穩。

(2)地下水:地下水對邊坡造成的不利影響包括水壓作用于垂直裂縫,產生水平推力,使得巖坡或土坡被推向下方;浮力作用于潛在滑動面之上,使得有效正應力減小,降低該面的摩擦力;對頁狀礦物,尤其是黏土礦物,產生潤滑作用,使得抗滑動的能力降低;改變物理及化學性質,使得巖質、土質變壞,降低強度,使得邊坡失穩。

(3)風化及侵蝕作用:邊坡巖石風化后,強度大幅降低,易使護坡作用降低,導致侵蝕量增加,然后新鮮的巖層再次暴露,進一步被風化與侵蝕。

(4)地震:地震產生的地表加速度會使邊坡下滑力增加,抵抗力減小,同時地震釋放的水平震波易使缺乏抵抗橫向剪力作用的邊坡發生破壞。

1.2.2 人為因子

因人為活動造成邊坡失穩的影響因素稱為人為因子,如道路開挖、山坡地開發、爆破、采礦及開墾等。

(1)山坡地不當開發:目前山坡地不當使用會造成地形和自然植被的改變,邊坡坡度因挖、填而變陡,加上自然植被亂砍亂伐,導致邊坡失去水土保持的功能,加速邊坡崩塌事故的發生。

(2)不當加載:當邊坡在坡階或坡頂上有不當加載時,將導致下滑力增加,當超過自身及保護設施所能提供的抵抗力時,將容易形成邊坡破壞。

(3)大量挖填方:在坡地開發中,常將邊溝回填以利開發,而此填方區若未滾壓密實,土體內部會較松散,因此易產生不均勻沉陷或變形。當填方區上方有建筑物時,將造成龜裂、位移、歪斜或傾倒等災害。

(4)坡腳不當開挖:坡腳開挖可能使巖體的抗剪強度降低,當受到其他因素觸發,則有立即發生破壞的可能。

(5)邊坡防護不當:一般坡地開發均需符合水土保持規范,按規定進行邊坡生態防護,或增設排水系統和擋土設施等。當這些邊坡防護施設不當或維護不良時,將會直接影響邊坡的穩定性。

2 邊坡穩定性評估方法

(1)經驗評估法。目前,已有多位學者利用地形學和地質學等經驗方法,對邊坡穩定性影響因子分別加以評估分類,以建立邊坡崩塌破壞模式及環境敏感度分級。

(2)極限平衡法。極限平衡理論是最精典的確定性分析方法,具體方法是將有滑動趨勢范圍內的邊坡巖體按某種規則劃分為一個個小塊體,通過塊體的平衡條件建立整個邊坡平衡方程,以此為基礎進行邊坡分析。由于該方法具有模型簡單、計算公式簡捷、可以解決各種復雜剖面形狀、能考慮各種加載形式的優點,因此得到廣泛的應用。

(3)有限元評估法。有限元評估法最大的優點是可分析任何形狀的幾何體,不但能進行線性分析還可進行非線性分析。有限元評估法是邊坡穩定分析中用得較多的一種數值方法。有限單元法用于邊坡中應力和位移的分析已經比較完善,并得到許多學者的成功應用,但將該方法得到的結果用于邊坡穩定性評價卻正在引起學者們的重視。

(4)其他評估方法。除了上述幾種評估方法以外,現在用于邊坡穩定性評估的方法還有可靠性方法、模糊數學方法、統計分析方法、灰色系統理論、神經網絡方法等。這些方法是將調查所得資料借助現有的統計分析軟件和編程軟件,如 SAS軟件、SPSS軟件、MATLAB軟件等,加以計算得出分類評估的標準,從而對邊坡穩定性進行評估。

3 邊坡失穩防治措施

邊坡失穩的防治應遵循標本兼治的原則。以治本為主,即通過采取地表排水、地下排水、坡體防護、坡頂清方、坡腳加載、固化等工程措施。目的是增強邊坡的自身穩定性,控制土體物理力學性質的惡化,即嚴格控制影響邊坡失穩的各類因素的不利組合,達到穩定邊坡的目的。邊坡土體的性質及結構特性是引起邊坡失穩的內因,而水尤其是大氣強降水和連續降水是邊坡失穩的誘發因素即外因。所以采取工程防治措施時,應以截、排地表和地下水以及坡體防護為主,必要時采取適當的支擋防護工程。

(1)截排水工程。截排水工程包括地面排水工程和地下排水工程。地面排水工程主要是攔截邊坡以外的地面水及排除邊坡范圍內的地表水,地面排水溝均應采用砂漿砌筑,以防止滲漏和沖刷。地下排水工程多采用盲溝,其對防治邊坡失穩以及其他類型的路基病害有良好的效果,邊坡滲溝能有效地排引邊坡內部的層間水及地表滲水。

(2)邊坡防護工程。坡面植草可以改善坡面土體固著力并防止表面沖刷,草皮應盡早鋪種,盡量選擇在草皮極易成活的季節種植。采用滿鋪漿砌片石或骨架式漿砌片石構筑物時,一定要在骨架內種植草皮等保護坡體的方式,也可以采用其他類型的骨架護坡,但骨架內填土應夯擊密實,以防止邊坡被沖刷,產生滲漏。

(3)支擋工程。對邊坡坡腳及邊坡內部發生的坍塌,當坍塌體較厚,人為清方困難且可能引起坍塌范圍擴大的地段可視滑體的推力大小等因素分別采用漿砌片石擋土墻、抗滑樁、錨桿、錨索地梁或錨管注漿等支擋工程類型,以恢復邊坡平衡,杜絕坍塌發生。

4 結 語

公路邊坡穩定是保證公路安全運行和避免坍塌事故的重要前提,我國目前針對公路邊坡穩定性的研究在理論上和實踐上需要更加深入,要搞好公路建設和環境保護,確保公路邊坡穩定、安全。要深入了解公路邊坡失穩的影響因素(諸如土質、水文、氣候等),正確地評價公路邊坡穩定性,靈活采用不同的公路邊坡防治措施,加強公路邊坡設計和施工管理。

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