边坡稳定性分析及支护研究现状【边坡防护技术的研究现状与发展趋势】

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摘 要:在我国大规模的土木工程建设中出现了越来越多的边坡稳定问题亟待解决。从边坡的失稳机制和影响因素出发,对目前我国的边坡灾害防治方法和防护技术现状进行简要评述,将已发展的边坡防护技术概括为工程类防护、植物类和综合性防护三类,总结了各类规范推荐的边坡防护技术措施,并提出边坡防护研究今后的发展趋势,为边坡工程技术发展提供有益的参考。

关键词:边坡失稳 滑坡 边坡防护 灾害防治

中图分类号:G25 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)05(a)-0057-02

随着我国工程建设的高潮迭起,出现了大量的边坡稳定问题亟待解决,给工程建设和人民生命和财产安全造成了巨大的隐患。边坡的失稳是多因素复杂作用的结果,不同环境下的影响因素各不相同,这就决定了针对特定工程,必须首先要明确边坡灾害的产生机理,再选择相适宜的防治防护措施。以下分别从边坡的失稳机理和防治技术两方面,来简要阐述我国边坡防护技术的研究现状与发展趋势。

1 边坡失稳机理的研究

边坡灾害发生的机理一般认为是在灾害发育过程中,坡体的变形、应力、强度及地质环境因素连续交替变化,导致边坡失稳发生,并在一定条件下达到新的平衡状态的演变过程。影响边坡稳定的因素可分为外因和内因两部分[1]。外因主要包括:渗水浸泡、降雨、地下水位升高等引起土体力学强度指标降低;施工过程中的临时性附加荷载过大(如开挖过程中的土体应力重新调整,开挖过程中的爆破震动);运营时荷载(如地震荷载)超过允许标准等。内因主要包括:边坡土体本身的力学性质(如容重、粘聚力、摩擦角、弹性模量和泊松比等),一定深度范围内存在的软弱结构面,土体由于蠕变效应而产生的位移等。一般边坡的失稳是上述多种因素共同作用的结果。黄润秋[2]从总体上探讨了中国大陆大型滑坡的诱发机制和触发因素,说明大型滑坡发育的最根本原因是具有不利的地形地貌条件,而强震、极端气候条件和全球气候变化是主要诱发因素,此外还与人类活动有密切关系,并将滑坡演化的地质-力学模式概括为:滑移-拉裂-剪断“三段式”模式、“挡墙溃决”模式、“平推式”模式、大规模倾倒变形模式、蠕滑(弯曲)-剪断模式。周创兵、李典庆[3]在外因诱发的边坡失稳机制方面,阐述了暴雨诱发滑坡的地质力学机理、演化过程、动态风险评估及减灾方法。张友葩、刘增进等[4]分析了双动载源下(坡顶受公路载荷,坡底承受铁路载荷)土质边坡的受力状况、传载方式以及潜在滑移面位置。总体而言,目前对于一般边坡失稳的潜在滑动面搜索、滑动力和阻滑力的研究已开展了卓有成效的研究工作,但对边坡的侵蚀机理、水力学耦合特性等方面的研究尚显不足,还有待开展更深入的探讨。

2 边坡防护技术的研究

我国在滑坡灾害的防治方面,主要是以预防为主,防重于治。治理强调统一考虑边坡稳定的各影响因素,并根据各因素所起的作用,按照有先有后、有主有次、有选择性的对滑坡进行防治。目前滑坡的防治措施主要为绕避、完善排水系统、抗滑支挡和滑带土改良等[5]。为了满足治理目的,滑坡防治中一般都是联合使用这几种防治措施。而对于人工边坡的防护来说,还往往还同时使用植物来起到防表土冲刷、固坡和美化环境的效果。总体上的边滑坡防护技术可分为以下三类。

2.1 工程类防护

工程类防护包括排水措施(设置排水沟等)、坡面防护措施(骨架护坡、片石护坡、柔性防护等)、抗滑支挡措施(局部减载、挡土墙、土钉、抗滑桩、框锚结构等)以及改良土体措施(注浆加固等)。在工程类措施进行滑坡防治方面,国内开展了丰富和广泛的研究。其中,王恭先[6]从总体上阐述了滑坡防治中的关键技术及处理方法,并提出了滑坡防治的若干原则,如预防为主,治早治小防止滑坡扩大的原则;针对主要原因采取根治措施,一次根治不留后患的原则;多方案比较优选的原则等。在各项工程类防护措施中,国内对支挡措施的研究尤为丰富。理论研究方面,林鲁生、蒋刚、刘祖德等[7]给出了锚索抗滑桩上滑坡推力分布计算的新方法;王引生、王恭先等[8]进行了传统锚索抗滑桩的结构优化,说明了优化后的多锚点预应力锚索抗滑桩在厚层大型滑坡中的应用价值;唐晓松、郑颖人等[9]阐述了抗滑桩应用于水库岸坡时,应考虑桩体渗透性和采用埋入式的必要性。工程措施的应用方面,张玉、徐卫亚等[10]研究了古水水电站争岗滑坡体不同分区的失稳破坏模式,有区别的采用局部减载、地下排水、抗滑桩等措施;朱宝龙、胡厚田等[11]在京珠高速公路的滑坡治理中,采用了钢管压力注浆型抗滑挡墙(即将注浆与微型桩群联合使用)的加固方法;王忠华、李相依[12]对于福建泉三公路开挖路基引起的滑坡,采用了渗井、平孔排水、卸载土方相结合的治理措施。柔性防护系统自1995年从瑞士引入国内后,在边坡灾害的防护领域也得到了广泛的应用。此系统包括主动加固系统(钢丝绳网和高强度钢丝格栅)、围护系统(钢丝绳网)、被动防护系统(钢丝绳网及环型网)等不同的结构形式和类型。贺咏梅、彭伟等[13]通过工程实例介绍了柔性防护系统的结构形式、类型、技术优势及采用原则;任文清、杨延军等[14]则介绍了SNS柔性防护系统的工作原理、施工顺序及其在公路边坡中的应用。

总之,工程类防护的技术措施多种多样,其在具体工程中的先后主次选择显得十分重要。一般而言,应优先考虑改变坡形法和排水法,在仍难以保证边坡稳定的情况下,再选用支挡措施(如:抗滑桩、挡墙、预应力锚索抗滑桩、预应力锚索框架梁等),而使用化学改良方法则需考虑到环境的影响问题。当前,我国在工程类防护尤其是支挡措施方面,已经取得显著的成绩,某些方面已具备一定的技术优势(例如:近年来的预应力锚索抗滑桩技术,可以变被动支挡为主动预加,提供较大的锚固力),但还不够完善(或需要大型设备,或工艺较复杂,限制其广泛应用),因此在完善已有防治技术、发展新技术方面,还有许多工作要做。

3.2 植物类防护

植物防护是利用植被对边坡的覆盖作用、植物根系对边坡的加固作用,保护边坡免受大气降水与地表径流的冲刷,以达到加固边坡和保护生态的效果。植物类防护存在局限性,即只能防止坡面冲蚀和表层土体的溜塌,而在坡体不稳定或存在集中水流的情况下,边坡仍可能发生塌滑和水毁问题,所以植物类防护必须在边坡稳定的基础上使用,或者与工程类防护技术结合使用。国内在植物防护方面也做了不少研究,其中:王可钧、李焯芬[15]讨论了植物固坡中的树根抗拉性能、生长方向与土坡稳定性的关系,固坡植物与人工结构物共同作用及植物固坡的适用条件;张世俊、吴春波等[16]通过对草本、木本植物的固坡、水土保持功能及群落特点的比较,得出了适合膨胀土路域的人工植物群落组合;杨和平、王骁[17]针对黄土干旱地区的特点,给出了适合当地的植物防护形式和施工方法;杨惠林、李晋等[18]对黄土路基边坡的植被护坡机理进行了分析,给出了草本类和木本类植物根系的加筋土力学模型以及土工格室植被护坡的计算方法;梁伟、高德彬等[19]阐述了三维网植草护坡的作用机理,并通过现场冲刷试验说明其对黄土路堑坡面的防护效果。此外,高德彬、陈增建等[20]还分析了降雨对裸露黄土路堑边坡的侵蚀机制以及厚层基材喷播植草的护坡效果。由于植物养分的缺失、土壤干层的存在及护坡植被的演化等原因,目前人工建植的植被成活率和退化问题(特别是在黄土高原或土质不良地区)普遍存在,加上植物防护的造价不断攀升,使得防护的整体造价上升,这些都是有待研究和亟待解决的问题。

在设计之前，首先了解了关于支护的各种方案， 从中分析各种方案的优缺点，根据本工程实际支护的发展现状初步选取两种支护方案， 方案一为锚索加格构梁（地梁）支护，方案二为抗滑桩支护。经过方案选定之 后，进行正式的设计与计算。 设计的步骤、过程要符合规范要求，参数的选取要有依据。 计算完成后根据自己的计算结果绘制相关图纸。 最后进行方案的比选，确定最终的支护方案。

滑坡是现阶段高速公路工程建设过程中经常遇到的地质灾害现象，随着中国国民经济 的迅速发展，工程滑坡灾害问题更是日趋严重，如何解决象滑坡这样的地质灾害现象，是 高速公路建设者面临的一个严峻的问题。 在高速公路工程建设中，涉及到大量边坡防护工程。用于边坡防护的结构体系多种多 样，比如预应力锚索、锚杆、抗滑桩、挡土墙等等。 抗滑桩支护是加固治理滑坡的一种行之有效的方法，它施工简便、快速、加固效果好， 己经在世界各国的滑坡治理中得到比较广泛的应用。 近年来，一种结合锚和坡面结构的新型边坡防护体系，即混凝土格构锚固体系，已大 量运用于边坡防护工程中，它是通过钢筋混凝土格构梁将锚固力传递给坡体，改善坡体应 力状态，使坡体受压，产生抗滑力，从而达到稳固坡体的目的。

1.1 问题的提出 随着我国西部大开发的推进，长江三峡库区、三江地区、红水河等能源基地的兴建加 快，同时由于经济发展的要求，我国高速公路的建设也日益加快，因而边坡加固在国民经 济建设中占有日益重要的位置。支档加固工程作为滑坡防治的有效方法因而备受关注。 公路建设对国民经济增长起到了巨大的推动作用，提高了人们的生活质量，但同时对 生态环境造成了一些负面影响：工程建设引起岩土体的移动、变形，增加了边坡的不稳定 性，容易诱发边坡失稳；由于植被和表土的破坏流失，容易引起坡面上壤侵蚀，山体滑塌， 河流阻塞等灾害。我国是一个滑坡灾害相当严重的国家，滑坡在长江流域及云贵川等地分 布相当广泛。当高速公路经过山区时，由于高速公路建设要求的特殊性，其线路选择范围 不大，这就意味着高速公路必须经过一些地质灾害易发地段，如何解决象滑坡这样的地质 灾害，这是高速公路建设者面临的一个严峻的问题。

1.2 国内外支护结构发展过程 边坡病害防治的支挡工程的结构类型丰富多样，其发展可大致分为以下几个阶段： 第一阶段（20 世纪50 年代以前），大量采用抗滑挡墙结合支撑锚杆，曾取得一定效果， 但由于滑坡推力大，致使抗滑挡墙体积庞大、胸坡缓，墙基必须置于滑面以下一定深度， 施工开挖对滑体稳定影响大。 第二阶段（20 世纪60、70 年代），在相应疏截滑带水的情况下，采用抗滑桩支挡，工 程效果明显；国外多采用钢筋混凝土钻孔桩和钢桩（直径小），用群桩加承台共同受力。国 内采用矩形截面的钢筋混凝土挖孔桩（最大截面4m7m，长达46 米），抗滑桩因提供的抗 力大，施工对滑体的扰动小、安全、见效快，在这一时期曾被广泛采用。 第三阶段（20 世纪80 年代以后），随着锚固技术的发展，在滑坡前缘使用群孔疏干前 部岩土，预应力锚索在边坡加固中得到了广泛的应用，在工程实践中演化出了各种各样的 结构形式，主要有：预应力锚索地墩或地梁；预应力锚索抗滑挡墙；预应力锚索抗 滑桩；预应力锚索抗滑桩板墙；预应力锚索格构。预应力锚索的应用大大地改善了抗 滑结构的受力状态，降低了工程造价。据不完全统计，在同样的条件下，锚索抗滑桩比普 通抗滑桩节约投资30%左右。

1.3 几种常见支护手段的分析 预应力锚索预应力锚索加固是主动地利用岩土体本身的强度去加固岩土体，是一种主动加固方 法，同时具有施工中不破坏原有边坡的整体性、造价低等特点，因此在滑坡治理中已被广 泛应用。 预应力锚固技术的最大特点，是尽可能少地扰动被锚固的土体或岩体，即不能破坏原 有结构，并通过锚固措施合理地提高可利用岩体或土体的强度。所以预应力锚固技木是最 为高效和经济的加固技术，因此受到工程界的高度重视并得到迅速的发展。 预应力锚固技术，在力学作用和施工工艺方面都有其鲜明的特点： 受力合理。能充分利用岩土体的抗剪强度平衡结构物的拉力，积极调用岩土体的自身强度和自稳能力，因而能大量节约建筑材料和工程投资。 改善岩土体的应力状态，能有效控制岩土体及工程结构的变形，增强了岩土工程的稳定性，并能使较弱结构面上或滑移面上的抗剪强度得以提高，同时能保证工程的长期稳 定性。 在深基坑开挖工程中使用锚索可免去大量支撑，节约工作量，给机械化施工创造了良好条件。 格构锚固结构格构锚固结构是一种复合抗滑护坡结构，它利用浆砌块石、现浇钢筋混凝土或预制预 应力混凝土格构梁进行坡面防护，同时由于格构梁与坡面接触面较大，与格构梁相连接的 锚杆或锚索进行深层加固的效果很好，使得格构锚固结构既能保证深层加固又可兼顾浅层 护坡。另外格构锚固结构可以与绿化防护措施相结合，比如在格构框架内植草，在稳固边 坡的同时，还起到绿化边坡环境的作用。因此格构锚固结构是一种很有发展前途的抗滑护 坡结构。近年来我国也开始推广应用格构锚固结构措施。 预应力锚索格构梁预应力锚索格构梁，是近十余年来我国开始应用的一种新型抗滑支挡结构。1993 年在 深圳市罗沙公路西岭山大开挖引起的滑坡治理中较早地应用了这一结构，继这一成功实例 之后，深圳市进行大规模的推广和应用，以后逐渐推广到公路、铁路边坡灾害的治理中， 自2000 年以来，预应力锚索格构梁在三峡库区边坡灾害治理中得到了广泛的应用。 抗滑桩抗滑桩是防治滑坡的一种工程建筑物，设于滑坡的适当部位，桩的下段均必须埋置在 滑动面以下稳定地层一定深度。根据抗滑桩类型的不同，兼有以下优点： 抗滑能力强，污工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况下，能够克服抗滑挡土墙难以克服的困难。 桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也能与其它建筑物配合使用。 可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋。因此，在相同条件下，比一般不能分段布置不同数量钢筋的桩(如管形桩、打入桩)要经济。 通过开挖桩孔，能够充接校核地质情况，进而可以检验和修改原来的设计，使之更切合实际。发现问题，易于补救。

1.4 高速公路边坡稳定性分析发展趋势 边坡稳定性问题及其防护技术是高速公路建设，特别是山区高速公路建设所面临的一 个重大问题，而且随着国家基础建设的深入开展而日益凸现出来。虽然现在已经有不少边 坡稳定性分析方法和防护技术，但是随着高速公路向西部山区的延伸，边坡高度的不断增 加，遇到的地质问题日益复杂，我们所面临的边坡加固问题也更加复杂，因此边坡工程研 究有待进一步深入和完善

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