浅谈边坡稳定性及加固措施

1浅谈边坡稳定性及加固措施摘要:边坡稳定分析一直是岩土工程中的重要研究内容，边坡按组成物质可分为土质边坡和岩质边坡。其物质构成并无本质的差别，但其在结构上完全不同。两种边坡稳定性分析为边坡预测预报及整治提供依据，边坡加固为边坡稳定提供了障。目前，边坡稳定性分析采用的主要方法有定量分析方法、定量分析方法。而在加固过程中主要针对岩体边坡的破坏形式及影响因素这两个方面来进行。本文就是针对边坡的稳定性分析和加固方法，以及破坏形式及影响因素等问题进行地综述。关键词：岩质边坡稳定分析土质边坡边坡加固定性分析方法定量分析方法边坡的稳定分析是岩土工程中重要的研究内容之一。在我国，随着国民经济的发展，特别是西部大开发政策的实施，水利工程、铁路、公路及城市等基础设施建设方兴未艾，在这些工程中出现了许多边坡工程，如三峡高边坡等。由于实际岩体含有大量不同构造、产状和特性等不连续结构面（比如层面、节理、裂隙、软弱夹层、岩脉和断层破碎带等），给边坡的稳定分析带来了巨大的困难。为了对边坡进行准确的稳定性分析，从而采取适当的开挖和支护措施，国内外学者和工程人员提出了许多理论和方法，大大促进了边坡稳定性分析方法和加固方法的发展。1边坡变形破坏机理和类型边坡的变形与破坏，决定于坡体内的应力分布和岩体的强度特征。影响岩坡应力分布的因素是多方面的，主要是原始应力状态、坡形和岩体结构特征的影响。1.1边坡变形与破坏特征边坡成坡后，在其原始地质环境受到破坏后，坡体状态便做相应调整。在新的应力重分布条件下，坡体将产生不同程度的变形与破坏，首先是变形，然后逐步发展为破坏。岩坡变形与破坏的演变过程是相当复杂的，可以是漫长的，也可以是短暂的。影响其变形与破坏的条件和因素亦十分复杂，主要取决于坡体本身特征及抵抗变形与破坏的能力。边坡的变形破坏可分作变形与破坏两种形式，前者属于变形的范围，以坡体内未出现贯通性的破坏面为特点；后者是在坡体中已形成贯通性的破坏面，且以加速度发生位移。变形与破坏是一个发展的连续过程，其间存在着量与质的转化关系。岩坡的变形可划分为松动和蠕动。岩坡形成初始阶段，坡体中往往出现一2系列与坡面近于平行的陡倾角张开裂隙，使边坡岩体向临空方向张开，这种过程和现象称为松动。存在于坡体内的这种松动裂隙，可以是在应力重分布中新产生的，亦可以是沿原有的陡倾裂隙发育而成，仅有张开而无明显的相对滑移，张开程度及分布密度由坡面向深处而逐渐减小。这种松动裂隙通常有不同的名称，如岸坡裂隙、回弹裂隙、卸荷裂隙等。理论实践证明，仅存在松动变形形式的坡体、其应力应变关系处于稳定破裂阶段或减速蠕变阶段。由此在保证坡体应力不会增加和结构强度不下降的条件下，其变形不会继续发展，坡体稳定性不会发生变化。边坡岩体松动使坡体强度降低，又使各种营力因素更容易深入坡体，加大坡体内各种营力因素的作用，这是坡体变形与破坏的初始表现。边坡岩体在以自重应力为主的坡体应力长期作用下，向临空方向的缓慢而持续的变形，称为边坡的蠕动。蠕动的形成机理为岩土体的粒间滑动(塑性变形)或沿裂纹微错，或由岩体中的一系列裂隙扩展所致。它是在应力长期作用下，岩体内部一种缓慢的调整变形，实际上是岩体趋于破坏的一个演变过程。坡体中的剪应力比岩体长期抗剪强度低时，斜坡呈减速蠕动;只有当剪应力值接近或超过岩体长期抗剪强度时，斜坡呈加速蠕动。所以岩坡的最终破坏要经历一定的过程(或短暂，或漫长)。按照岩坡的蠕动特征，可分为表层蠕动和深层蠕动两种基本类型。边坡岩体中出现了与外界贯通的破坏面，使被分割的坡体以一定的加速度脱离母体向下滑移或崩落，称为岩坡破坏。自然边坡的形成过程总是缓慢的，坡体中的应力改变是渐变的，所以在发生破坏之前先经过松动、蠕变等变形阶段。而人工边坡由于坡体应力的变化和附加载荷的作用是迅速的，因此可能出现两种情况。当迅速出现坡体应力超过坡体极限强度时，足以构成贯通性破坏面，斜坡破坏便迅速发生，松动及蠕变变形的时间是极短暂；反之，若坡体内应力小于极限强度而大于长期强度时，斜坡破坏前总要经过一段较长时间的松动及蠕动过程。此外，自然营力对斜坡的破坏影响很大。如当地震力、孔隙水压力等突然加大时，可使一些原来并未明显松动及有蠕变迹象的斜坡产生急骤破坏。1.2边坡变形破坏的分类边坡的破坏形式很多，如崩塌、滑坡、塌滑、倾倒、剥落及溃屈等，其中崩塌与滑坡是边坡破坏的主要形式。不同的行业有不同的划分，但基本上可划分为3大类：1、崩塌：这种破坏是边坡的表层岩体丧失稳定的结果，表现为坡面表3层岩体突然脱离母体，迅速下落并堆积于坡角，有时还伴随着岩体的翻滚和破碎。2、倾倒：这种破坏是因为边坡内部存在一组倾角很陡的结构面，将边坡岩体切割成许多平行的块体，而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯曲和倒塌。3、滑坡：这种破坏是在较大范围内边坡沿某一特定的滑面发生的滑移。滑坡的形态，一般是四周被裂隙所圈定，滑面为平面或曲面，滑体上往往有滑坡台阶，滑坡后壁上可能有擦痕，滑动轴向在滑体运动速度最大的方向上。其中滑坡是边坡失稳破坏的主要形式，并且其破坏性最大。滑坡按滑坡面的形态可划分为三类：平面滑坡：边坡沿某一主要结构面发生滑动；楔形滑坡：当边坡岩体中存在两组以上结构面相互交切成楔形体，且结构面的组合交线小于边坡角但大于其摩擦角时，容易发生破坏；圆弧性滑坡：在土体、散体结构的岩体和均质岩体中常发生这种破坏。2影响边坡稳定的因素地层岩性：地层岩性及其组合是构成高边坡的物质基础,岩性决定岩石的强度，抗风化能力，岩体结构及所能保持的边坡高度。岩石软弱,风化深度大,构造破碎严重，当切坡高度、陡度达到一定值时会发生失稳现象。地质构造：地质构造决定岩层的产状,节理裂隙的性质及发育程度,断层破碎带的性质等，受构造的影响，如高边坡体上节理裂隙发育，岩体破碎，将严重影响高边坡的稳定性。地形地貌：地形地貌也是产生滑坡的重要条件。不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起坡顶出现张裂缝；在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低边坡的稳定性。水文地质条件：水是造成边坡失稳的重要因素,地下水软化岩(土)体，降低其强度,增大容重而增大了下滑力，产生静、动水压力，产生边坡的失稳。坡体内具丰富的地下水，岩性软弱,往往导致大规模变形，如坡体滑坡、边坡滑坡的产生。是否具地下水及地下水发育程度是评价边坡稳定的重要因素。地震：地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力，当水平地震附加力的作用方向不利时,边坡的下滑力增大，滑动面的抗滑力减小。另外，在地震作用下,岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低，也对斜坡的稳定不利。降雨：大气降水是滑坡致灾的最主要外因。降水对滑坡的作用是一个动态过4程，大气降水注入滑体，增加岩土的含水量、增加岩土体容重、软化岩体、降低岩体的抗剪强度。降雨渗入到风化岩土体之下的基岩面或断水层面变成润滑剂，降低了接触面的抗滑稳定性。人为因素：边坡的不合理设计、爆破、开挖或加载,大量生产生活用水的渗入等都能造成边坡变形破坏，甚至整体失稳。3边坡稳定性分析的方法边坡稳定性分析方法很多，大致可以分为两大类：定性分析方法和定量分析方法，其中定量分析方法又分为确定性分析方法和不确定性分析方法。3.1定性分析方法定性分析方法主要是通过工程地质勘察，对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析，对已变形地质体的成因及其演化史进行分析，从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势的定性。定性分析方法主要包括:自然(成因)历史分析法、图解法、边坡稳定性分析数据库和专家系统等。自然(成因)历史分析法主要用于天然斜坡的稳定性评价。图解法可以分为诺模图法和投影图法。诺模图法主要用于土质或全强风化的具弧形破坏面的边坡稳定性分析。投影图法就是用赤平极射投影的原理来评价边坡的稳定性，并为力学计算提供信息，主要用于岩质边坡岩体的稳定性分析。3.2定量分析方法定量分析方法分为确定性分析方法和不确定性分析方法，其中确定性分析方法主要包括极限平衡分析法和数值分析方法；不确定性分析方法主要包括灰色系统评价法、可靠度分析方法、模糊综合评价法等。3.2.1确定性分析方法极限平衡分析法：极限平衡理论的主要思想是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体,通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程来分析边坡的稳定性。极限平衡分析方法很多,主要包括:Fellenius法、Bishop法、Janbu法、Morgenstern———Price法、Spen2cer法、滑楔法、不平衡推力法、Sarma法等。由于极限平衡法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点，因此得到广泛的应用。5数值分析方法：随着计算机硬件技术的发展,很多数值分析方法开始应用于边坡稳定分析，主要有：有限元法、有限元强度折减法、DDA法、FLAC法、形元法、边界元法、离散元法、界面应力元法等。有限元法是一种十分成熟的数值方法。它的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小与分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，能使我们近似地从应力应变去分析边坡的变形破坏机制，分析最先、最容易发生屈服破坏的部位和需要首先进行加固的部位等。强度折减法的要点是利用公式和调整坡体的强度指标，然后通过不断地增加折减系数，直至其达到临界破坏，此时得到的折减系数即为稳定安全系数。有限元强度折减法除了具有有限元的一切优点外，求解安全系数时，不需要假定滑裂面的形状和位置，而是由程序自动求出滑裂面；能够考虑开挖过程对边坡稳定性的影响;能够模拟坡体和支护的共同作用。DDA法假定岩体由许多节理裂隙切割形成的各种形状的块体组成的不连续系统，该不连续系统的平衡方程是按照最小势能原理，对势能泛函取最小值得到的，因此其理论体系是严格的。特别适用于对块状岩体结构的稳定状态和变形破坏模式的定性评估。3.2.2不确定性分析法灰色系统评价法。灰色系统评价法把系统中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的数学模型。利用灰色关联度分析原理，确定边坡稳定性各影响因素的影响程度，进而利用多因素叠加分析评估边坡的稳定性。可靠度分析方法。边坡工程可靠度分析是把边坡岩体性质，荷载，地下水，破坏模式，计算模型等作为不确定量,借鉴结构工程可靠性理论方法，结合边坡工程的具体情况，用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。模糊综合评价法：模糊综合评价是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，综合考虑被评事物或其属性的相关因素,进而进行等级或类别评价。其优点是能得到边坡稳定性等级分类指标,据此判断出边坡的稳定性情况；缺点是在实际操作过程中，评判中权数的分配带有一定的经验性和主观性，并且并没有考虑到各个影响要素。3.3边坡稳定性分析方法的发展趋势边坡稳定性分析还远远没有走到完全定量这一步，它只能算是一种半定量的分析方法。随着数值分析方法的不断发展，不同数值方法的相互耦合，如有限6元、边界元、离散元与块体元等的相互耦合，数值解和解析解的结合，这些方法的耦合能充分发挥各自的优点，解决更复杂的边坡工程问题。边坡(滑坡)系统是一个开放的系统，它不断与周围环境进行着物质和能量的交换。边坡系统的失稳是一个不可逆的热力学过程，这种过程可以用熵来度量。滑坡失稳前，其总熵不变，一旦总熵发生变化，势能和应力分布随之发生变化，当两者出现差异时，滑坡就失稳而产生滑动。因此，从热力学角度研究边坡系统失稳应具有十分重要意义。能量方法在边坡稳定分析中的应用。干扰能量法严格遵守计算力学基本原理，从能量角度出发给出系统或局部的稳定安全系数(增稳内能与失稳外能的比值)，由于能量是一个标量，避免了不同投影方法所导致的抗滑稳定安全系数计算公式的不统一。利用干扰能量是标量的性质，可以更为合理地进行局部和整体的稳定性的分析。4边坡防护与加固措施边坡的处治可以分为防护与加固两种。防护是在边坡稳定的基础上进行的，如果边坡不稳定，先要进行加固。常用的防护与加固的特点以及适用范围如下：4.1各类加固的特点及适用范围抗滑桩：抗