深挖边坡稳定技术

第一部分深挖边坡稳定技术、《边坡工程》概述（一）边坡与边坡工程1．边坡：是地壳表面具有临空条件的地质体，由坡顶、坡面、坡脚及其下部一定深度内的岩土体组成。根据成因，边坡可分为自然边坡、人工边坡、工程边坡三类。根据组成物质的差异，宏观上可将边坡分为土质类边坡和岩质类边坡。根据坡体结构特征，岩质边坡又可分为顺向坡、逆向坡、横向坡、斜向坡和水平层状坡等。根据边坡的陡缓程度分为缓坡（10°）、斜皮（10°～30°）、中等坡（30°～45°）、陡坡（45°～60°）、峻坡（60°～75°）、直立坡（75°～90°）、倒坡（90°）。根据边坡的高度特征分为：低边坡（10m）、中低边坡（10～30m）、中等边坡（30～70m）、高边坡（70m）、超高边坡（150～300m）、特高边坡（300m）。2．边坡工程：为满足工程需要而对自然边坡进行改造，称为边坡工程。根据边坡对工程影响的时间差别分为：永久边坡和临时边坡。根据边坡与工程的关系分为：建筑地基边坡（必须满足稳定和有限变形要求）、建筑物邻近边坡（必须满足稳定要求）和对建筑物影响较小的延伸边坡（允许有一定限度的破坏）。（二）国内外研究现状国际上，发达国家对边坡工程研究起步早并在一定时期属于领先地位，但其当前正在进行的基本建设所涉及的边坡工程，在数量以及复杂程度上已次于发展中和欠发达国家和地区。其边坡领域面临的主要问题：滑坡灾害预测评价。在中国边坡工程的研究正随着基本建设的发展而逐步深化。支挡与锚固技术、护坡与锚固技术等愈趋向复合化，锚索桩墙、锚索框架等新型结构不断出现。但现有的研究成果已难以满足工程建设的需要，特别是复杂高边坡稳定性评价和治理方面尚缺乏针对性和适应性，尚需在现有基础上全面研究高边坡的分析评价体系，继续挖掘边坡自身的稳定潜力和充分发挥工程措施的作用，在确保边坡安全的前提下，使工程措施的针对性、适应性更强，可实施性更好。1．勘察技术边坡工程地质勘察方法主要有：地质测绘和专门地质调查、勘探、岩土测试和地质环境监测等。由于受各种因素（经费、时间、环境条件等）的制约，边坡工程勘察一般都是以测绘和调查为主，勘探仅作为必要的论证和检验，岩土测试也以常规的室内物理力学试验主，仅针对一些特定结构面开展少量的现场试验。但由于边坡地质环境条件复杂，因此普遍存在勘察的局限性，从而有可能导致认识的不足。施工阶段也常因人力资源不足，各方面重视程度不够以及客观条件的限制等，对施工中揭示的各种地质现象往往难以做到及时收集、分析和反馈，缺乏针对地质环境的动态跟踪和及时反馈分析的完整体系。近年来，勘测设备、手段及方法不断得到改进和更新，使得勘测成果更加客观准确。（1）斜坡摄影成像技术用于地质测绘。（2）钻孔取芯可以采用特殊的冲洗液（如SM植物胶等），以确保软弱松散岩层的取芯质量，以便确定岩土体结构特征和潜在滑移面。（3）地球物理勘探技术日趋成熟。采用地震浅层反射法、折射法、瑞利波法和电磁测深法查明松散堆积物的厚度、物质结构特征和下伏基岩面的形态等。（4）计算机技术的广泛运用，实用程序的大量开发，可提高工作效率、绘制边坡三维透视分析图，建立结构面几何参数概率模型及结构面网络模型度。（5）原状取样技术进一步发展2．分析评价与计算方法边坡工程研究经历了从“地质”经验判断法→“结构—荷载”分析模式阶段→岩土工程领域的学科（相对独立又和其他诸多学科相联系）。（1）边坡分析评价边坡分析评价从最初的纯经验判断开始，到逐步借助一定的量化分析手段作为重要的辅助参考，依据定性分析与定量计算成果来作出评价。目前对于土质类边坡及类似的散粒体等相对各向均质、连续、同性材料边坡，分析理论与计算方法相对成熟，并被工程界广泛采用。对于含有断续节理裂隙的岩质类边坡，由于节理裂隙的存在，往往成为控制性的失稳要素，其分布规律的随机性、不连续性及由此带来的岩体各向异性，不均一性，使预测和分析判断往往存在局限性和片面性。对于复杂的岩质类边坡和不均一的土质类边坡，尚未形成系统的分析理论和与之相配套的计算方法。（2）边坡稳定性分析方法主要有极限平衡法、数值分析法和数理统计法三类。目前，国内规程规范主要推荐基于刚体极限平衡理论的传递系数分析法，并制定了相应的滑动稳定安全系数标准。对工程界而言，众多分析方法的发展趋势一方面逐渐走向完善、精细和复杂化，另一方面缺乏配套的规范与指导性评判依据。因此，目前大部分边坡工程仍然基于极限平衡经典解，并仅针对滑动破坏机制进行分析计算，而对于倾倒、崩塌、蠕滑变形破坏机制，仍缺乏成熟的分析计算与评价方法。3．安全控制指标我国规程规范对边坡滑动稳定安全系数的控制指标，港口工程已开始采用极限状态表达式，水电、建筑、水利、公路、铁路和桥隧行业仍以滑动稳定安全系数控制。稳定分析以极限平衡为基本分析方法，并以滑动稳定安全系数表示，指标取值具有以下特点：新设计边坡高于已有边坡，重要工程高于次要工程，地质力学参数高取值条件低于低取值条件，弧面滑动指标低于平面、折面滑动指标等。总体上讲，发达国家和地区的安全标准相对多一些，但差别不大。迄今，边坡工程仍未建立完整的安全控制指标体系，安全控制指标与变形失稳机制和分析边界条件的配套问题尚得进一步研究、发展和完善。4．工程措施（1）排水技术。坡面排水孔、截排水沟渠、地下排水洞（孔）、集水井、反滤功能定型材料。（2）减载技术。仍以削坡减载为主。（3）支挡技术。挡土墙、抗滑桩、抗剪洞、沉井，以抗滑挡土墙和抗滑桩层多。（4）锚固技术。普通砂浆锚杆、预应力锚杆、张拉式锚杆、自进式中空注浆锚杆、锚筋桩（钢筋束）、土锚钉等。但是，对于土夹石、节理裂隙发育的岩土体，由于受成孔、注浆等条件的制约，锚固技术尚不成熟。（5）护坡技术。各种材料的护坡结构和构造日新月异。喷护材料开始添加各种纤维材料，以提高增韧止裂性能；挂网体系出现机制产品和化工合成材料。除常规实体衬砌护坡外，出现了各种几何形状、尺寸与材料的网格护坡，植草技术的发展和应用也较快，柔性防护材料的主、被动体系逐渐在边坡工程中得到应用。越来越多的边坡工程采取了植物防护技术以提高冲刷防护功能，并能达到美化施工环境和形成良好视觉效果的目的。5．信息化动态治理随着边坡工程规模的增大，涉及的地质环境日趋复杂。因此，进行地质跟踪研究，并依据监测评价体系进行信息化动态分析，进而优化调整工程措施以及建立预警机制，显得越来越重要。在这方面国内外均起步较晚，仅在监测手段和分析评价方面取得了一些进展，尚未建立从现场跟踪反馈、适时监测评价到信息化动态治理的完整体系。就监测手段而言，变形监测的多点位移计、测斜孔、引张线等常规仪器设施的量程和精度逐渐提高，外观项目在表面测桩基础上发展了一机多无线GPS技术，已实现机器人量测。测力、测缝、渗流与地下水位等监测技术的发展主要体现在量程与精度的改进方面，但进展缓慢。目前，国内外的监测项目均体现出数据采集向电测、自动化方向发展的趋势。6．开挖规划及施工所谓开挖规划即依据边坡所处的地质环境和工程建设的要求，从宏观上把握边坡工程的总体开挖布局。开挖规划的重点是从技术经济和现场施工条件等方面，协调建筑物布置要求、支护工作量与工期进度等之间的关系，并考虑永久与临时的结合，以及支护空间、爆破梯段和出渣通道等。边坡的施工过程，其程序与手段复杂多样，同时存在施工进度控制要求的问题，由于设备、技术的更新和进步，开挖施工周期越来越短，因此采取合理的施工顺序越来越重要。开挖规划作为边坡工程的重要前提，目前尚未得到足够的重视，也尚未进行系统的研究。总之，国内外对于复杂高边坡工程还处在探索阶段，在分析理论、计算方法以及与之相配套的安全控制标准等方面尚未形成较为统一的认识，缺乏可操作性，工程措施往往存在针对性问题和适应性问题。二、边坡稳定性分析方法边坡工程的分析评价包括定性分析与定量评价两大部分，一般以定性分析评价为基础，视需要及边坡重要程度开展定量分析评价。（一）定性及半定量分析1．工程地质类比法将已有的天然边坡或人工边坡的研究经验（包括稳定的或破坏的），用于所要研究边坡的稳定性分析，如坡率或计算参数的取值、处理措施等。（1）自然边坡成因机制分析。成因机制分析重点研究和确定边坡在工程施工和运行期可能的变形失稳机理，其成果同时也是边坡稳定性分析计算的一个重要基础。要在查明边坡岩土结构特征和分析其成因机制和稳定现状的基础上，确定其外部因素的变化及引起边坡稳定条件的恶化情况，从而分析导致边坡的可能变形和失稳型式。成因机制分析方法更多地适用于土质类边坡及崩塌型岩质类边坡失稳模式。（2）相似工程经类比。借鉴已建，在建工程的实践经验，即利用已有工程边坡的稳定性状况及其影响因素，有关研究成果等方面的经验，尤其是相似的已发生变形破坏的工程边坡，按相似性类比应用于所要研究边坡的稳定性分析。该方法具有经验性和地区性特点，应用时必须全面分析已有边坡与所研究边坡两者之间的地貌地层岩性、结构、水文地质、自然环境、变形主导因素及发育阶段等方面的相似性和差异性，同时还需要考虑工程的规模、类型及其对边坡的特殊要求。因此，采用工程地质类比法选取的经验值（查表法）存在局限性，仅适用于地质条件简单的中、小型边坡，或供地质宏观判断参考。相似工程经验类比法受其区域局限性，在边坡工程中更多地适用于对同一地区边坡失稳潜在滑裂面的形状及最大可能失稳深度与范围的判识。2．图解法包括赤平极射投影、实体比例投影、摩擦图等方法。对岩质边坡，最简单、快捷、直观的作图分析方法莫过于赤平极射投影图解法及实体比例投影图解法。图解法可根据坡形与结构面发育特征和优势产状，初步判断边坡的稳定性，但对于图解判定为不稳定的边坡，需进一步进行计算加以验证。3．模型分析法（1）历史模型法。历史模型分析是通过对河谷发展史的调查研究，结合边坡部位的具体地形地质条件，分析研究边坡的成因机制及其在自然状态下的稳定状况，并根据边坡在工程施工和运行期间外部因素的变化情况来预测其发展趋势。该法在土质及堆积类边坡中应用较多。（2）模型试验法。主要有地质力学模型试验及离心模型试验。4．CSMR评价体系CSMR分类法是国家“八五”科技攻关阶段，在Bieniawski提出的SMR（边坡岩体地质力学分类法）的基础上，通过对国内外大量工程边坡实例的统计分析，提出的中国边坡岩体质量分类方法。该方法首先采用地质因素评价岩体的质量，然后根据与边坡有关的工程因素进行修正，得出CSMR评分，依据评分划分边坡稳定类型，可理解为半定量分析方法。（二）定量分析边坡稳定性定量分析方法主要有极限平衡法、有限元法和数理统计分析法（概率与可靠度）。1．刚体极限平衡法将滑体高为刚性体，不考虑其自身变形，除楔形体破坏外，普遍简化为平面问题，选取有代表性的单宽剖面进行力系（或力矩）平衡计算，边坡岩土破坏遵从摩尔—库仑准则，并认为当边坡稳定系数F=1时，滑体处于临界状态。目前，国内规程规范仍然主要推荐基于刚体极限平衡理论的传递系数分析方法作为常用算法，并匹配制定了相应的滑动稳定安全系数标准，这样就要求对复杂岩土边坡作一定程度的概化与简化模拟，依靠参数取值综合考虑等方式，使之形成相对接近的强度等效或变形等效计算模型进行求解。由此必然带来等效模拟程度的差异和争议，难以形成较为统一的认识。基于极限平衡理论的各种计算模型中，对土质类边坡，圆弧型、折线型算法在工程界基本没有过多的争议，但对于岩质类边坡，因其破坏失稳机理、模式、滑面形状、抗剪参数取值及地下水位假定等条件不同而存在争议。（1）二维刚体极限平衡分析法极限平衡法分为两类：①假定岩土体沿滑裂面达到极限平衡状态的垂直条分下限解法，如Bishop法、Morgensterm-Price法；②假定岩土体的每一个条块底面和侧面都达到极限平衡状态的斜条分上限解法，如Sarma法。在极限平衡法理论体系中，出现了以下各种计算方法：瑞典法；Bishop法；传递系数法；陆用工程师团法；罗厄法；Janbu法；Spencer法；通用条分法；Sarma法。（2）三维刚体极限平衡分析法1）楔形体滑动。三维块体滑移中最为典型的破坏模式是楔形体破坏，其特征是形成楔