土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析與加固方法研究

劉甲元

摘要 邊坡穩(wěn)定性問題是影響工程施工建設的重要因素，對邊坡進行穩(wěn)定性分析和加固對工程建設具有重要意義。基于此，文章對土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與加固方法進行研究。土質(zhì)高邊坡的地層結構類型主要包括倒U形、M形和雙M形邊坡。受結構面層組數(shù)和間距影響，土質(zhì)高邊坡的巖土層類型分為整體結構、塊狀結構和碎狀結構。研究表明，影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括自然因素和人為因素。土質(zhì)高邊坡加固可以采用預應力錨桿加固、抗滑樁支護加固和樁板墻加固方式。

關鍵詞 高邊坡；結構類型；穩(wěn)定性；加固方式

中圖分類號 U418.5文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）12-0117-03

0 引言

近年來，隨著山區(qū)工程的大規(guī)模建設，自然山體會面臨改造和重修，由此引發(fā)的邊坡穩(wěn)定性問題成為人們關注的重點。在工程施工過程中，邊坡處于動態(tài)變化狀態(tài)。劉志明提出由于山坡的改造，會使得土質(zhì)的應力性發(fā)生改變，處理不當會導致山體滑坡發(fā)生[1]。邊坡是工程中較為常見的一種地質(zhì)環(huán)境，進行工程建設時，由于人為活動會影響到邊坡的穩(wěn)定性，進而影響到工程的施工[2]。我國山區(qū)面積較大，大部分工程施工都會面臨邊坡穩(wěn)定性處理的問題。相關研究結果表明，對于土質(zhì)較軟和風化較為嚴重的巖石層山體而言，邊坡穩(wěn)定性較低，加固難度相對較大[3]。對邊坡進行有效加固，保證邊坡的穩(wěn)定性是進行邊坡處理的重要內(nèi)容。近年來，許多學者對土質(zhì)的邊坡穩(wěn)定性研究較多，但是對于土質(zhì)的高邊坡穩(wěn)定性研究相對較少[4]。邊坡高度的大小是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素[5]。因此，該文針對土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性及加固方法進行研究，旨在為土質(zhì)高邊坡工程施工和土質(zhì)開挖設計提供理論參考。

1 高邊坡穩(wěn)定性分析

1.1 地層結構

土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與地層結構密切相關，土層主要是由不同材質(zhì)的堆積物逐年積累堆積而成的，也被稱為沉積巖。土質(zhì)高邊坡的巖體層結構具有一定的特殊性，其形式的不同也會在很大程度上影響到邊坡的穩(wěn)定性及其加固處理。根據(jù)土體邊坡堆積物和巖體特征，土質(zhì)高邊坡的巖體層結構主要分為倒U形、M形狀和雙M形3種類型，如圖1所示。

倒U形邊坡結構坡體中沒有堆積物的土質(zhì)層，主體結構主要為基巖，土體兩側易形成滑動面。M形的巖體之間有堆積面層，中間也存在一處坡體滑動。對于雙M形邊坡，在巖體之間會存在兩處堆積物形成的土體結構，此種類型產(chǎn)生的坡體滑動面中間會存在兩處。雙M形邊坡是土質(zhì)高邊坡形式中相對較為復雜的一種邊坡形式，該類型的坡體中存在不同填料的土質(zhì)界面層，坡體滑動方向并不單一。

沉積的巖石層形成的過程主要是由于地殼運動和長期風化形成的，該巖石層分布較為廣泛，具有一定的特殊性，存在巖體結構和軟弱結構面而形成的結構面層。不同的結構面形成不同的沉積巖邊坡結構，如表1所示。整體層結構的結構面特征是其結構面不大于2組，并且結構的間距大于1.6 m，沉積巖層整體性較好，其邊坡穩(wěn)定性較高。結構面的數(shù)量在2～3組范圍內(nèi)的被稱為塊狀結構層的沉積巖，此時沉積巖結構面的距離區(qū)間為0.5～

1.6 m，相對整體巖層塊狀巖層的邊坡穩(wěn)定性較低。當結構面層大于3組時，其結構面間距值較小，基本區(qū)間為0.2～0.5 m，此類沉積巖是碎狀沉積巖結構，穩(wěn)定性較低。

1.2 穩(wěn)定性分析方法

瑞典法是對土質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性分析的常見方法。瑞典法主要是對邊坡的滑裂面的形狀進行定義，一般定義為圓弧形。進行邊坡的穩(wěn)定性的安全系數(shù)計算時，將土體所受重力簡單地沿滑面法向分解以求得法向力。此類方法需要進行假設，假設土質(zhì)側面的合力與土質(zhì)的底面處于平行狀態(tài)，然后建立法線方向的靜力平衡方程，從而得到土質(zhì)高邊坡的安全系數(shù)。

畢肖普簡化法是通過力矩平衡方式進行安全系數(shù)的計算，首先假設滑裂面為圓弧形狀，此種計算方法是將土條底部法向力作為安全系數(shù)的函數(shù)，應用此方法進行計算安全系數(shù)時，需要通過迭代求解的方式進行，若采用畢肖普方法計算的安全系數(shù)小于瑞典法計算的結果，說明采用該種方法的計算結果不夠準確。因此，對土質(zhì)表坡穩(wěn)定性分析，進行安全系數(shù)計算的時候，采用畢肖普法和瑞典法兩種方式同時進行計算，所得到的安全系數(shù)計算值選擇更為精確的計算值，是較好的選擇。

數(shù)值分析法是近年來發(fā)展起來的一種數(shù)值計算方法，應用更加廣泛。通過有限元法計算，可以不受到邊坡形狀和材質(zhì)不均勻性影響。但是此種方法也存在一定的局限性，在確定邊坡穩(wěn)定性時不能準確地確定初始應力狀態(tài)和彈塑性本構關系，對邊線較大的邊坡和不連續(xù)的位移等求解較為困難，因此在利用此種方法進行計算時要綜合考慮這些因素。

1.3 穩(wěn)定性影響因素

土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性影響因素有很多方面，主要是包括邊坡巖體結構層改變以及力學性質(zhì)變化。力學性質(zhì)變化形成的原因是受到風化作用，另外還受到周圍地質(zhì)條件影響，水作用力和地震作用也會影響到邊坡的穩(wěn)定性，以上因素的作用統(tǒng)稱為自然因素。

自然因素影響邊坡穩(wěn)定性主要包括降雨、巖石層風化、河流沖擊和地震作用的影響。降雨是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，雨水會沖刷到邊坡的土體，使得土質(zhì)軟化，形成滑坡現(xiàn)象。巖石層的風化主要是受到風力作用的影響，在風力作用下，加之巖石層受到溫度、水和濕度等物理因素作用，也會引起化學變化使得巖石內(nèi)部發(fā)生質(zhì)變，出現(xiàn)裂縫和碎石，尤其是在風力較大的地區(qū)，被風化的巖石較多，高邊坡的巖石層更易產(chǎn)生風化現(xiàn)象，造成邊坡失穩(wěn)。

位于河流邊緣的巖石長期受到水流沖擊，邊坡產(chǎn)生崩塌的概率會大大增加。邊坡底部的土質(zhì)和巖體受到河水沖刷的作用，會降低其黏聚力和堅實度，在河流長期作用下使得邊坡穩(wěn)定性降低。地震作用對高邊坡穩(wěn)定性影響非常大，這與巖體的結構類型、邊坡的類型及土質(zhì)有密切關系。地震主要會從內(nèi)部破壞巖體結構，同時受到地震作用，巖體的力學參數(shù)也會發(fā)生很大變化，地質(zhì)應力作用會大幅增強，導致倒U形邊坡更易發(fā)生坍塌。

人為因素對高邊坡穩(wěn)定性影響也較大。主要是土石方開挖會引起邊坡的土體產(chǎn)生松弛，坡體荷載產(chǎn)生變化，開挖周邊土體產(chǎn)生松動。此外，工程施工產(chǎn)生的爆破震動會更大程度地破壞坡體結構。人為對坡體進行灌溉，造成土質(zhì)含水率增加，土質(zhì)松動，也會造成邊坡的穩(wěn)定性下降。因此，人為因素是影響邊坡穩(wěn)定性最主要的因素。

1.4 邊坡失穩(wěn)破壞模式及機理

崩塌是邊坡破壞的常見形式，主要表現(xiàn)為處于坡體邊緣的巖石受到風化作用，發(fā)生變化，從整體結構變成碎狀結構，進而發(fā)生滑坡。崩塌是由于巖體受到內(nèi)部力作用和外部環(huán)境因素的雙重作用而脫離邊坡的一種自然現(xiàn)象。內(nèi)部作用力主要源于地震和植物根系產(chǎn)生的膨脹力和水壓力。外部環(huán)境作用主要源于自然因素和人為因素引發(fā)的邊坡破壞。滑坡也是邊坡破壞形式的一種，其主要表現(xiàn)為平面滑動、弧形滑動和楔體滑動。邊坡的破壞機理分為整體滑移、拉裂滑移和彎曲滑移3種類型。整體滑移是順層面滑動，是由于巖石層整體結構面受到外界因素影響，強度逐漸降低，外層巖體重量大于滑面抗滑能力時，巖體會向坡體的坡腳處整體滑動，滑動方向為自由面方向。拉裂滑移是滑移脫落的巖體滑動時在巖體尾部拉裂的一種破壞形式，表現(xiàn)為軟弱的結構面產(chǎn)生裂隙，新的臨空面也會在坡腳產(chǎn)生。彎曲滑移與拉裂滑移的不同之處是前者會發(fā)生彎曲，巖體堆積物在坡腳處堆積，進而會產(chǎn)生坡腳的應力集中，下部表層巖體受到壓力會產(chǎn)生彎曲，這是輕微彎曲階段。隨著時間的推移，表面彎曲的巖體會促使深部的巖體發(fā)生彎曲，這是劇烈彎曲階段，滑移彎曲破壞的最后一個階段是貫通剪出階段，通過這三個階段對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞。

2 高邊坡加固方法

2.1 錨桿加固

近年來，錨桿技術被普遍應用于邊坡加固工程中，這是一種通過錨固手段主要用于邊坡加固的施工方式，其主要由錨桿和擋土板組成。此種方式是通過錨桿與土體之間產(chǎn)生的摩擦力來固定要產(chǎn)生滑移的邊坡，錨桿可以承擔滑動的巖石層和土質(zhì)層的重力，其中擋土板可以承擔一定壓力，用于固定錨桿，通過錨桿作用有效提高巖體和土質(zhì)的穩(wěn)定性。

錨桿角度和壓實系數(shù)都會對錨桿產(chǎn)生的拉拔阻力產(chǎn)生影響。錨桿的拉拔阻力是錨桿對于邊坡加固的重要影響因素。壓實系數(shù)是土質(zhì)與錨桿之間的摩擦力。通過實驗，測出不同錨桿在錨桿壓實系數(shù)為0.9、錨桿角度為30°和45°時的拉拔阻力值。從圖2可以看出，在錨桿角度為45°時，拉拔阻力最大值達到4.64 kN，在錨桿角度為45°時，拉拔阻力最大值達到4.24 kN，相對降低了8.62%。由此可知，錨桿受到的拉拔阻力與錨桿角度成正相關。

為研究壓實系數(shù)對錨桿承受拉拔阻力的影響，通過實驗測得錨桿角度為40°時在壓實系數(shù)為0.7、0.8和0.9不同條件下的拉拔阻力值。從圖3可以看出在不同壓實系數(shù)下，錨桿受到的拉拔阻力具有很大變化。當壓實系數(shù)為0.7和0.8時，最大拉拔阻力值分別為3.39 kN和3.93 kN，極限拉拔阻力值增加了15.92 kN。壓實系數(shù)0.9時，拉拔阻力為4.71 kN。在不同壓實系數(shù)下，拉拔阻力值變化趨勢基本相同，逐漸增加到最大值，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。拉拔阻力值隨著壓實系數(shù)的增大而增加。可見錨桿受到的拉拔阻力值與壓實系數(shù)成正相關。

2.2 抗滑樁支護

在山體起伏較大的山區(qū)，多采用抗滑樁方式進行高邊坡加固，主要應用于基礎設施建筑工程中，還有一些高邊坡地帶。當邊坡的下方覆蓋較厚的土層時，一般需要設置樁基托梁，或者采用樁板墻進行增強邊坡穩(wěn)定性。抗滑移樁隨著土質(zhì)邊坡推力的增加，會產(chǎn)生位移變化，當推力大于45 kPa，主要體現(xiàn)在位移急速增大，采用這種方式，受到較大推力時抗滑樁會發(fā)生彎曲，由此彎矩也會發(fā)生變化，在巖土交界面呈現(xiàn)倒梯形分布趨勢。采用抗滑樁方式可以有效地對土質(zhì)高邊坡進行加固，控制邊坡下部結構變形。

2.3 樁板墻加固模式

樁板墻是高邊坡加固較為常見的一種加固方式，相對于抗滑移樁，其對高邊坡的加固更加穩(wěn)定。樁板墻的受力方式更加均勻，在承受較大的邊坡土體壓力時，可以分布受力點，受力變形特性和加固性能相對較為復雜，能有效加固一些比較陡峭的高邊坡地帶，降低土體變形率。樁板墻的擋土板在進行邊坡加固時會受到一定的壓力，壓力會沿著板深度方向呈現(xiàn)先減小后增大的分布形式，其主樁的壓力值和內(nèi)力值相對較大，是主要承載壓力的結構，而副樁承受的壓力值相對較小。

3 結論

近年來，隨著山區(qū)工程的大規(guī)模建設，自然山體面臨改造和重修，由此引發(fā)的邊坡穩(wěn)定性問題成了工程關注的重點。邊坡穩(wěn)定性問題是影響工程施工建設的重要因素，對邊坡進行穩(wěn)定性分析和加固對工程建設具有重要意義。該文對土質(zhì)高邊坡的穩(wěn)定性與加固方法進行研究，主要得出以下結論：

（1）土質(zhì)邊坡的巖體結構受到結構面和結構面間距的影響，整體結構面不大于2組，間距大于1.6 m，此種巖體邊坡穩(wěn)定性最高。結構面的數(shù)量在2～3組，間距為在0.5～1.6 m為塊狀結構，穩(wěn)定性相對較差。碎狀結構大于3組，間距0.2～0.5 m，穩(wěn)定性相對最差。

（2）影響邊坡穩(wěn)定性的因素主要包括自然因素和人為因素，人為因素是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。對土質(zhì)高邊坡進行加固的方法主要包括錨桿加固、抗滑移樁加固和樁板墻加固方式。錨桿加固的拉拔阻力受到壓實系數(shù)和錨桿角度的影響，拉拔阻力與二者成正相關。

參考文獻

[1]劉志明. 延平西站土質(zhì)深路塹邊坡穩(wěn)定性分析與加固措施研究[J]. 資源環(huán)境與工程， 2021（2）： 224-227.

[2]李輝. 黃土質(zhì)深路塹邊坡雨水入滲穩(wěn)定性影響及錨固整治研究[J]. 水利技術監(jiān)督， 2018（5）： 3-6.

[3]王利軍. 朔黃鐵路高路塹護坡溜塌病害及加固措施研究[J]. 山西建筑， 2020（23）： 3-5.

[4]劉海明， 劉亞明. 基于正交法的土質(zhì)路塹邊坡穩(wěn)定影響因素計算分析[J]. 山西建筑， 2018（10）： 2-6.

[5]李元松， 陳文峰， 李新平， 等. 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的邊坡穩(wěn)定性評價方法[J]. 武漢理工大學學報， 2013（1）： 113-118.