巖土工程邊坡的穩(wěn)定性及其設(shè)計分析

龍文武

貴州省銅仁公路勘察設(shè)計院有限公司 貴州 銅仁 554300

目前我國巖土工程邊坡支擋措施存在著一定的不足，特別是在巖土邊坡穩(wěn)定性控制方法上，需要進一步進行優(yōu)化與改進[1]。巖土邊坡穩(wěn)定性的控制效果達不到設(shè)計的預(yù)期要求，可能導(dǎo)致巖土工程的整體穩(wěn)定性安全儲備不足，從而導(dǎo)致巖土邊坡工程存在一定的安全隱患[2]。勘察設(shè)計單位應(yīng)該強化巖土邊坡勘察作業(yè)，收集真實的一手資料，選用合理的巖土邊坡穩(wěn)定性分析方法，有效掌握巖土邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化特點和規(guī)律，設(shè)計合理的邊坡支擋方案，全面保障巖土邊坡的安全性，同時使工程建設(shè)的安全性、耐久性得到了保障。

1 巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析

分析和研究巖土邊坡穩(wěn)定性能夠為工程建設(shè)提供可靠的地質(zhì)條件參考數(shù)據(jù)，幫助工程設(shè)計人員提供合理的勘察設(shè)計方法，保障設(shè)計與實際情況相符合。目前我國巖土邊坡穩(wěn)定性分析主要使用定性分析法、定量分析法和隨機分析法，不同的分析方法針對的內(nèi)容存在差異，因此需要根據(jù)巖土邊坡的具體特點和實施的設(shè)計方案進行詳細分析[3]。本章將對這些方法的具體應(yīng)用方式進行分析和研究。

1.1 定性分析法

定性分析法明確了分析的對象和內(nèi)容，有著嚴格的分析程序，分析結(jié)構(gòu)可靠性較高。定性分析法主要研究了巖土邊坡的歷史形成因素和條件等，通過特定的分析方法獲得巖土邊坡的各項數(shù)據(jù)，結(jié)合這些數(shù)據(jù)總結(jié)巖土邊坡的特點和變化規(guī)律。定性分析法主要包括歷史成因分析法、地質(zhì)對比分析法、赤平極射投影法以及專家系統(tǒng)分析法。歷史成因分析法的研究內(nèi)容主要包括兩項，一是研究邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征和邊坡構(gòu)造，二是研究邊坡坡形、坡高、坡體變形情況[4]。從研究內(nèi)容來看，歷史成因分析法更適合自然斜坡，由于這類斜坡形成過程很少受到人為干擾，所以能夠通過巖土邊坡的結(jié)構(gòu)特點等掌握巖土邊坡的變化規(guī)律，為工程建設(shè)提供可靠的巖土設(shè)計參數(shù)；地質(zhì)對比分析法的重點是對各類巖土邊坡結(jié)構(gòu)特點進行對比，通過研究巖土邊坡的相似性掌握各類巖土的特征。例如，兩個工程建設(shè)區(qū)域的巖土邊坡在結(jié)構(gòu)方面存在著很強的相似性，說明巖土邊坡的性質(zhì)可能存在相似性，設(shè)計時可以提前制定預(yù)防措施，避免巖土邊坡出現(xiàn)塌方的問題。這種研究方法的優(yōu)點在于通過總結(jié)巖土的結(jié)構(gòu)和組成特點對具有相似結(jié)構(gòu)和組成的巖土穩(wěn)定性進行研究，從而為工程設(shè)計提供更多可靠的參考；赤平極射投影法的主要研究對象是巖土邊坡的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，一些巖土結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能存在應(yīng)力作用，在應(yīng)力作用下巖土內(nèi)部發(fā)生形變，邊坡開挖時巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被打破，巖土內(nèi)部應(yīng)力釋放，導(dǎo)致巖土邊坡發(fā)生崩塌，從而帶來安全威脅，通過這種方法分析巖土結(jié)構(gòu)的受力特點，將巖土受力結(jié)構(gòu)進行建模，結(jié)合受力特點制定邊坡支擋方案，可以有效防止邊坡出現(xiàn)塌方與滑坡；專家系統(tǒng)分析法是一種基于計算機系統(tǒng)的分析方法，這種方法的優(yōu)勢是通過計算機對巖土邊坡結(jié)構(gòu)和受力特點等進行建模，計算機系統(tǒng)能夠?qū)r土邊坡的三維應(yīng)力模型展示，巖土工程設(shè)計人員結(jié)合三維模型設(shè)計施工方法，并在計算機中模擬施工方法，并不斷改變施工方法，做到動態(tài)設(shè)計，這種分析方法的優(yōu)勢在于能夠通過計算機發(fā)現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)中存在的不穩(wěn)定性因素，采取措施對巖土邊坡穩(wěn)定性進行控制。

1.2 定量分析法

定量分析法更適合對巖土邊坡的具體條件進行研究，進一步分析和獲得巖土的性質(zhì)。這種方法的特點通過各類計算方法對巖土條件數(shù)據(jù)進行計算，分析計算結(jié)果后總結(jié)巖土的性質(zhì)。定量分析法主要包括極限分析法、平衡分析法、數(shù)值分析法。極限分析法研究的重點內(nèi)容是巖土在極限狀態(tài)下的剛塑性特點，例如在外界應(yīng)力不斷提升的條件下巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性達到極限平衡，在降水天氣下受到水流影響后巖土能夠承受的最大應(yīng)力等。研究時經(jīng)常將巖土放置于極限狀態(tài)下，收集不同條件下巖土的穩(wěn)定性參數(shù)。極限分析包括下限和上限，這是確定巖土穩(wěn)定性范圍的重要指標，掌握巖土邊坡承受荷載達到極限后，巖土工程設(shè)計人員可以對巖土邊坡形態(tài)進行動態(tài)調(diào)整，使巖土邊坡能夠保持在穩(wěn)定的狀態(tài)下，避免其發(fā)生形變并帶來安全問題；極限平衡分析法的研究重點是巖土在各類工況環(huán)境下的穩(wěn)定性，如強降雨天氣、高寒氣候或大風(fēng)天氣等，這些研究是長期性的，需要收集的數(shù)據(jù)也很多，研究時常用的方法有瑞典條分法、簡布法、簡化畢曉普法和斯賓塞法等，這些分析方法適用的條件不同，研究的對象也不同。但是總體來看，這些分析方法對于工程建設(shè)人員掌握巖土的具體性質(zhì)發(fā)揮了關(guān)鍵的作用；數(shù)值分析法是一種傳統(tǒng)的分析方法，但是在現(xiàn)代技術(shù)支撐下得到了優(yōu)化。計算機技術(shù)發(fā)展推動了數(shù)值計算理論的發(fā)展，數(shù)值分析法的重點是通過研究巖土各項數(shù)據(jù)指標總結(jié)巖土邊坡穩(wěn)定性，這種分析方法的優(yōu)勢是分析結(jié)果準確性高、分析效果好，能夠避免人為計算錯誤。商散元法、拉格朗日法、有限單元法和不連續(xù)變形分析法是分析數(shù)值過程中常用的方法，這些方法的組合應(yīng)用可以獲得良好的分析結(jié)果，通過這些分析結(jié)果調(diào)整巖土邊坡的設(shè)計方案，從而更好為工程施工服務(wù)。

1.3 隨機分析法

隨機分析法是研究巖土邊坡的不確定性質(zhì)的一種方法，這種方法需要借助于計算機設(shè)備進行操作，在計算機分析模型中輸入相關(guān)數(shù)值，系統(tǒng)能夠模擬巖土邊坡可能出現(xiàn)的隨機性的問題，從而為工程設(shè)計提供穩(wěn)定的巖土性質(zhì)參數(shù)。隨機分析法主要包括可靠性分析法、模糊分析法、建模分析法和灰色預(yù)測分析法。可靠性分析法是對巖土結(jié)構(gòu)可靠性進行研究的一種方法，這種方法的核心是隨機取樣，持續(xù)研究巖土的穩(wěn)定性，分析和預(yù)測巖土結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的問題。該方法可以預(yù)測巖土邊坡形變規(guī)律，將巖土形變帶來的影響降低，進一步確保巖土工程的安全性。巖土結(jié)構(gòu)安全系數(shù)研究是可靠性分析的關(guān)鍵，通過對大量的巖土數(shù)據(jù)進行解析，能夠發(fā)現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)可能存在的安全隱患問題，結(jié)合相關(guān)問題形成原因制定解決措施，這樣能夠有效地預(yù)防巖土安全事故發(fā)生。模糊分析法也是一種用于預(yù)測巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法，上世紀80年代模糊分析法出現(xiàn)西方國家，研究人員將這種方法應(yīng)用在巖土性質(zhì)研究方面，該方法的優(yōu)勢在于計算機能夠?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)進行數(shù)理，通過對比數(shù)據(jù)找出同類巖土結(jié)構(gòu)變化的差異，進而掌握巖土的主要變化規(guī)律。模糊分析法主要通過概率假設(shè)、雙狀態(tài)假設(shè)和猜想的方法預(yù)測巖土變化規(guī)律，這種方法是基于大量巖土變化規(guī)律數(shù)據(jù)的分析方法，通過比對大量數(shù)據(jù)分析這些數(shù)據(jù)的差異性，然后進行建模分析，獲得可靠的猜想數(shù)據(jù)；建模分析法也是一種智能化的分析方法，這種方法主要用于巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化分析，例如巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空洞分析，計算機能夠?qū)r土性質(zhì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為巖土結(jié)構(gòu)模型，并將巖土內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過三維的模型展示，人們通過觀察巖土三維結(jié)構(gòu)模型能夠?qū)r土產(chǎn)生進一步的了解，如果發(fā)現(xiàn)巖土存在空洞，可以采取預(yù)防措施，避免巖土出現(xiàn)塌方，這種方法的優(yōu)勢是工程設(shè)計人員能夠在立體的模型中對巖土的特點和變化規(guī)律進行分析，設(shè)計合理的實施方案，將巖土結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定帶來的影響降低；灰色預(yù)測分析法是一種通過灰色預(yù)測系統(tǒng)進行分析的方法，這種方法能夠經(jīng)巖土結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)系找出，通過巖土結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)性獲得巖土變化的具體情況，然后將各個影響因素放在一起進行綜合考慮，總結(jié)巖土的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，并對各項影響因素可能帶來的后果進行預(yù)測，幫助巖土設(shè)計人員更好地對巖土邊坡設(shè)計方案進行優(yōu)化。

2 巖土工程邊坡穩(wěn)定性設(shè)計

巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析、計算關(guān)系到工程實施的安全和質(zhì)量，因此必須合理地對巖土邊坡進行控制。目前巖土工程中主要采取加固和防護兩種方法對巖土邊坡結(jié)構(gòu)進行控制，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。防護方法主要應(yīng)用于穩(wěn)定邊坡中，這類邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)力分布均勻，很少發(fā)生形變。而加固方法則用于邊坡缺乏穩(wěn)定性的巖土中，加固的方法不同，加固的效果也不同。除了這些防護措施之外，目前研究人員也在研究生物控制方法，旨在通過更為有效的方法對巖土邊坡進行設(shè)計，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。本章將對加固和防護這兩種控制方法的應(yīng)用進行分析和研究。

2.1 加固設(shè)計方法

加固方法在一些巖土地質(zhì)結(jié)構(gòu)缺乏穩(wěn)定性的環(huán)境下應(yīng)用，這類巖土一般非自然形成或自然形成過程中受到外界因素影響較多，內(nèi)部無法形成牢固的整體，或巖土顆粒自身不具有穩(wěn)定性，因此需要采取加固的處理方式進行處理。加固處理主要包括抗滑樁設(shè)計、預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計、加固錨設(shè)計等。抗滑樁設(shè)計方法主要針對容易發(fā)生滑坡的松散巖土，將抗滑樁放置在穩(wěn)定的巖土內(nèi)部，能夠防止邊坡下滑，起到良好的加固效果。抗滑樁主要由鋼筋和混凝土組成，使用不同數(shù)量的鋼筋和不同等級的混凝土能夠起到不同的抗滑作用，在不同坡度和面積的巖土邊坡使用的抗滑樁尺寸也不同。抗滑樁設(shè)計方法的優(yōu)勢是能夠起到良好的抗滑作用，但是造價高投資較大。在邊坡滑坡治理工程中，錨索抗滑樁應(yīng)用相對較為廣泛，這種方法是通過錨索和抗滑樁組合的方式進行加固，可以防止巖土發(fā)生大規(guī)模的塌方，比抗滑樁承載能力更強，缺點也是需要投入大量的資金。除了以上的設(shè)計方法外，還可以使用抗滑樁和貼板組合，這種方法可以起到良好的抗滑效果，而且能夠阻擋小型的碎石等滑落。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計方法是一種處理單斜構(gòu)造巖石邊坡的加固設(shè)計方法，可以對巖石邊坡起到良好的防護效果，提升巖石邊坡的穩(wěn)定性，降低巖石滑落帶來的威脅。預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計方法的缺點是無法計算出落石下落后對錨固體張拉力的大小，如果落石產(chǎn)生的應(yīng)力作用過大，可能導(dǎo)致錨索結(jié)果受到損壞，因此設(shè)計前需要對巖土邊坡進行勘察，掌握巖土的主要特點，設(shè)計時按照最大應(yīng)力條件進行設(shè)計。錨索錨固段一般都是與巖體連接，在穩(wěn)定的巖體中進行加固，利用錨索和巖體之間的應(yīng)力作用實現(xiàn)加固。施工時需要在巖體中進行鉆孔，然后將錨索插入孔位中，使用水泥砂漿進行注漿加固處理，使錨固體和地層能夠形成良好的連接。這種方法利用了巖體的自然優(yōu)勢，如果巖土發(fā)生大規(guī)模的塌方，錨索也能減緩塌方速度，從而降低塌方帶來的損失。錨索加固方式有多種，其中一種是通過錨桿和鋼索進行加固的方法，這種方法主要應(yīng)用于一些存在落石的巖土中，在巖土邊坡的下方安裝加固錨網(wǎng)，錨桿使用高強度的剛性材料，鋼索使用韌性較強的材料，將鋼索安裝在錨桿上，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如果出現(xiàn)落石錨網(wǎng)能夠?qū)⒙涫钄r或減緩落石的速度，防止落石帶來安全事故。

2.2 防護設(shè)計方法

防護設(shè)計方法的作用是防止巖土邊坡出現(xiàn)塌陷，在一些巖土性質(zhì)穩(wěn)定的環(huán)境下應(yīng)用廣泛。防護需要借助于各類高強度的防護材料，這些防護結(jié)果通常被用在巖土的表面或下部區(qū)域，不同設(shè)計方法起到的防護效果也不同。網(wǎng)格護坡防護、混凝土護坡防護和生物防護方法非常常見，選擇具體的防護方法時應(yīng)該根據(jù)巖土邊坡的特點進行設(shè)計。網(wǎng)格護坡是在巖土邊坡上設(shè)置網(wǎng)格防護裝置，網(wǎng)格材料有繩索、鋼索等，繩索等主要在一些土質(zhì)環(huán)境下應(yīng)用廣泛，能夠防止巖土表面的土層掉落，鋼索防護裝置主要用于一些存在巖石較多的邊坡中。此外，也可以在巖土邊坡中安裝網(wǎng)格體，將巖土邊坡分割成多個分布，在其中種植一些綠色植物，通過植物的方法進行防護，也能起到很好的綠化防護效果；混凝土護坡設(shè)計方法在風(fēng)化嚴重的巖土邊坡防護中應(yīng)用廣泛，一些護坡長期受到風(fēng)蝕、水浸和日曬，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，受到外力作用后發(fā)生塌陷，針對這種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，一般使用混凝土噴射方法處理，將攪拌好的混凝土噴射到巖土邊坡表面，凝固后形成堅硬的外殼，能夠避免巖土邊坡繼續(xù)受到風(fēng)化，從而形成良好的防護。這種處理方法適合巖石結(jié)構(gòu)比重較大的護坡，不適合用于一些土質(zhì)的巖土邊坡，處理時應(yīng)該格外地注意這一事項。生物防護法方法應(yīng)用廣泛，這種處理方法的核心是利用植物加固巖土邊坡，在巖土邊坡周邊種植一些環(huán)境適應(yīng)力強的植物，從而形成防護。防護植物一般以根系發(fā)達的植物為主，這些植物的根系能夠深入到巖土內(nèi)部，在巖土邊坡內(nèi)部形成網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)，從而提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。此外，有時也會使用一些灌木植株，這些植物的特點是低矮，但是分布較為密集，能夠?qū)r土邊坡的表面覆蓋，出現(xiàn)降水天氣后能夠?qū)⑺宙i住，避免巖土邊坡在雨水的沖刷下發(fā)生滑坡問題，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

總而言之，巖土工程對于我國工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展有著重要的意義，研究巖土邊坡的結(jié)構(gòu)和變化特征能夠為工程建設(shè)領(lǐng)域提供可靠的巖土邊坡數(shù)據(jù)，從而結(jié)合巖土邊坡的特點制定防護或加固措施，提升巖土邊坡的穩(wěn)定性和安全性，保障工程建設(shè)質(zhì)量。對巖土穩(wěn)定性進行分析需要掌握巖土的基本結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，并通過各種分析模型進行分析，預(yù)測出巖土可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)問題，結(jié)合相關(guān)問題制定解決方案。因此巖土工程技術(shù)人員應(yīng)不斷強化對巖土邊坡特點和運動規(guī)律的研究，通過研究其特點和運動規(guī)律為工程建設(shè)提供可靠的巖土數(shù)據(jù)。