邊坡治理及加固機(jī)理分析

文/劉俊佳 同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092

1、引言

邊坡是具有一側(cè)臨空面的地質(zhì)體，分為自然形成的邊坡和人類活動(dòng)挖方、填土等形成的邊坡。邊坡的穩(wěn)定性問題關(guān)乎人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)的順利進(jìn)行，是工程師和中外學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)，也是我國政府密切關(guān)心的問題，比如三峽地區(qū)修建水庫，就形成了2874個(gè)邊坡需要治理。

2、邊坡治理方式的選取特點(diǎn)

地域性：根據(jù)不同的地理環(huán)境、人口密度、土地空間邊坡加固措施有所不同。在降雨充沛的地區(qū)，水土流失嚴(yán)重，則對(duì)邊坡表面的防滲、防土壤流失、防巖石風(fēng)化等要求比較高。比如，在馬來西亞地區(qū)，年降水量2250mm，遠(yuǎn)高于世界平均水平，為防止水土流失邊坡常采用植物加固方式或者邊坡表面堆巖堆的方式，植物加固邊坡的原理：植物根莖增強(qiáng)了土體的抗剪能力；植物蒸騰作用吸收邊坡內(nèi)的水分，使得邊坡表面出現(xiàn)負(fù)的孔壓。在邊坡表面堆積巖石塊體，增強(qiáng)了邊坡的表面排水，土體流失得到了緩解，是一種很便捷、施工快速的方法。但同時(shí)，堆積也可能造成邊坡下滑力增加大于抗滑力增加，在其他地區(qū)采用這種方式效果可能很差。再比如，在我國青海西藏地區(qū)，凍土邊坡很常見，用常規(guī)的擋土墻去加固邊坡就不合適，因?yàn)橥馏w的凍融會(huì)導(dǎo)致邊坡與支擋結(jié)構(gòu)的變形不協(xié)調(diào)，會(huì)對(duì)支擋結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。應(yīng)該設(shè)法去阻止邊坡土體與外界的溫度交換，減輕凍融循環(huán)，比如鋪蓋草墊。在我國膨脹土地區(qū)的斜坡，一般的加固措施無法奏效，就要考慮挖除換填的方式根治不穩(wěn)定斜坡。

時(shí)效性：根據(jù)邊坡滑坡體的移動(dòng)速率，要考慮加固方式的工程周期。一般情況下，周期短，見效較快的是在坡腳堆載，這種加固方式能明顯地減輕邊坡的位移速率，但是抗滑力增加的卻很少，安全系數(shù)增加不明顯，此種方法可作為緊急處理措施，在此法進(jìn)行的同時(shí)，一系列的支擋措施（擋土墻、抗滑樁等）應(yīng)加緊修筑。在坡腳的擋土墻不能提供足夠抗力時(shí)，一般會(huì)在邊坡上打抗滑樁，并輔以排水、壓腳等措施減緩移動(dòng)速率，為施工爭取時(shí)間。

針對(duì)性：在制定合理的邊坡加固方式之前應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查弄明白邊坡的不穩(wěn)定機(jī)制以及影響因素，這樣不僅有利于加固決策的正確有效，還能減少不必要的花費(fèi)。比如，對(duì)于拉力型邊坡，驅(qū)動(dòng)力主要在前緣，重點(diǎn)治理措施應(yīng)在坡腳，可采用坡腳加載，建造巖堆，增加抗滑力。對(duì)于移動(dòng)型的高邊坡，應(yīng)盡快在坡頂卸荷，一是降低滑動(dòng)速率，二是減少下滑的能量。錨桿加固在巖質(zhì)邊坡中最常見，而巖質(zhì)邊坡有彎曲型、曲屈型、傾覆型失穩(wěn)，這時(shí)候就要根據(jù)不同的失穩(wěn)模式設(shè)置錨桿的傾斜角度和長度。還要根據(jù)推力型和拉力型以確定錨桿布置的密度。

一些新思路。邊坡的不穩(wěn)定和啟動(dòng)的主要因素是重力，若是邊坡的材料變得很輕，某些情況下下滑力的減少大于抗滑力，則邊坡就處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，為此，有些地區(qū)用EPS等輕質(zhì)材料作為填土邊坡。南京大學(xué)一些學(xué)者用有機(jī)聚合物土壤穩(wěn)定劑來治理邊坡表層土流失現(xiàn)象，這種穩(wěn)定劑與土壤混合后一部分進(jìn)入土體空隙中，一部分在土體表面，與土體形成團(tuán)聚物改善了土體的水穩(wěn)定性，有效地阻止了水土流失，該材料已成功應(yīng)用于江蘇某高速公路路基，保證了路基斜坡的穩(wěn)定性。英國在邊坡治理時(shí)使用了石灰樁，其加固機(jī)理是：石灰樁在滑坡體中大量吸水，使得邊坡體中出現(xiàn)了負(fù)孔壓，同時(shí)邊坡土體與石灰反應(yīng)增強(qiáng)了樁身的強(qiáng)度，也有效地限制了邊坡的變形。中歐某地使用的抗滑樁兼具排水井的功能，大大降低了邊坡的孔隙水壓力。

3、常見的邊坡加固物的作用機(jī)理

邊坡的治理分主動(dòng)型和被動(dòng)型，傳統(tǒng)的擋墻、抗滑樁等支擋結(jié)構(gòu)是被動(dòng)抵抗邊坡的推力和剪力。主動(dòng)型，一是主動(dòng)改善邊坡體內(nèi)在的性質(zhì)，比如巖土體的強(qiáng)度性質(zhì)，主動(dòng)加強(qiáng)排水；二是對(duì)邊坡施加預(yù)應(yīng)力，比如，預(yù)應(yīng)力錨索，增加了滑坡的正應(yīng)力，從而增加了滑動(dòng)面處的摩擦力。又分為剛性支護(hù)和柔性支護(hù)，柔性支護(hù)是指利用結(jié)構(gòu)的延性，能使得邊坡體與結(jié)構(gòu)相互作用具有較好的變形能力不易發(fā)生變形破壞，幾種常見的柔性支護(hù)機(jī)理如下：

加筋土擋墻加固邊坡機(jī)理：加筋土擋墻承受墻后的作用力、限制邊坡變形。加筋土擋墻是在墻后填土內(nèi)設(shè)置了筋帶，使筋帶與土體共同作用，增強(qiáng)土體自身穩(wěn)定的主動(dòng)約束形式，提高了土體自身的穩(wěn)定性，又彌補(bǔ)了土體不能抗拉的和強(qiáng)度低的弱點(diǎn)，筋帶通過與土體的摩擦力與準(zhǔn)粘聚力形成復(fù)合土體，筋帶在土體發(fā)生變形時(shí)被動(dòng)受力，通過受拉作用對(duì)土體進(jìn)行加固，筋帶間土體的變形則由墻面予以約束。

土釘墻加固邊坡機(jī)理：土釘墻能夠增強(qiáng)原位土體的強(qiáng)度，土釘依靠與巖土的摩擦作用，約束土體變形；土釘與復(fù)合體共同承擔(dān)外荷載和自重應(yīng)力，尤其當(dāng)土體進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，應(yīng)力向土釘轉(zhuǎn)移，土釘荷載分擔(dān)作用明顯，使得復(fù)合體的塑性變形延遲，不會(huì)突然倒塌；土釘有著應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散作用，將滑裂區(qū)的部分應(yīng)力傳到穩(wěn)定巖層中；土釘約束坡面變形。

樁體：由于邊坡中的樁遭受側(cè)向邊坡體推力作用，樁體會(huì)發(fā)生一定程度的撓曲，反而會(huì)激發(fā)樁體的側(cè)向抵抗力，因此樁加固邊坡也被認(rèn)為是一種柔性支護(hù)方式。主要加固機(jī)理為：樁土相對(duì)移動(dòng)，樁產(chǎn)生側(cè)向抗力，限制滑坡體的變形；樁貫穿邊坡滑動(dòng)面，以自身的強(qiáng)度抵抗滑動(dòng)面的剪力；樁體起到應(yīng)力傳遞作用，可將滑動(dòng)面以上的滑坡體推力轉(zhuǎn)移到滑動(dòng)面以下的地層中去。失效模式有三種：滑動(dòng)面以上樁附近土體失效；滑動(dòng)面以下樁嵌固端巖土體失效；樁結(jié)構(gòu)破壞。

結(jié)論：

本文針對(duì)邊坡治理中的關(guān)鍵問題進(jìn)行了分析，可以看出，邊坡加固方式的選擇時(shí)要考慮地域性、時(shí)效性和針對(duì)性，才有可能取得最佳的治理效果。同時(shí)，最常見的三種邊坡加固構(gòu)筑物有加筋擋土墻、土釘墻及抗滑樁，它們與邊坡地質(zhì)體的作用機(jī)理和對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制程度有所不同，洞曉其中的原理才能加以合理利用。本文對(duì)邊坡治理相關(guān)的工程技術(shù)以及科學(xué)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]李海光,周德培.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].人民交通出版社,2004.

[2]朱彥鵬,董建華,葉帥華.黃土邊坡柔性支擋結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力分析方法綜述[C].第十一屆全國土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.2011.[M].