巖土工程中高填方邊坡的穩(wěn)定性分析及治理措施

曹文正

重慶市渝西水利電力勘測設(shè)計院有限公司 重慶 402160

隨著時代和科技的不斷進(jìn)步，各種各樣的新技術(shù)、新材料和新設(shè)備應(yīng)運而生，在建筑工程施工中受到了廣泛應(yīng)用，促進(jìn)了建筑行業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展。巖土工程屬于建筑工程的一部分，其施工的質(zhì)量會對建筑工程產(chǎn)生極大的影響。在巖土工程建設(shè)中，常常會涉及到對地下水資源進(jìn)行調(diào)配，對土壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化等方面的工作，其施工外界的生態(tài)環(huán)境緊密相關(guān)，容易造成高填方邊坡結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。在很多情況下，巖土工程的建設(shè)都會對周邊的生態(tài)環(huán)境造成不利的影響，而且這種影響是長期存在的，因此，推進(jìn)優(yōu)化、改進(jìn)巖土工程施工方案和采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧?，對保持高填方邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定具有重要意義。

1 邊坡穩(wěn)定性理論概述

在巖土工程施工的過程中，邊坡的結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性是多種原因造成的，地層巖性的差異會引起邊坡的變形、位移與破壞。隨著邊坡坡度的增大，坡頂及坡面的應(yīng)力也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致坡角的剪切應(yīng)力增大。當(dāng)坡度不斷增大時，會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，一旦邊坡的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，在很大程度上會留下安全隱患。一般來說，邊坡結(jié)構(gòu)之所以發(fā)生變形幾乎都是由水的侵蝕和沖刷造成的，在水的不斷侵蝕和沖刷下，會造成巖體的斷裂或松動。在地震和爆破的作用下，也會降低邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在地震的一剎那會引起邊坡的應(yīng)力場變化，從而使土體的聯(lián)結(jié)力降低，對邊坡的安全和穩(wěn)定構(gòu)成極大的威脅。高填方邊坡的穩(wěn)定性不僅受到巖體和巖層等因素的影響，還會受到邊坡改造、震動、氣候等因素的影響。雖然不同因素造成的影響程度不同，但都會對邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，若不能對其進(jìn)行妥善處理，將會導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。從總體上來看，高填方邊坡的穩(wěn)定性受多種因素的影響，比如，自身的形狀、巖土的性質(zhì)、地層的性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力以及水的作用力等等。

2 巖土工程中提高高填方邊坡穩(wěn)定性的意義

近些年來，由于城市化進(jìn)程的加快和人口數(shù)量的增多，各類建筑物的占地面積都在不斷增大，部分區(qū)域的高填方邊坡也隨之變成了承載建筑物的場地。在高填方邊坡的坡頂位置可能會建造道路、民居和機(jī)場等，一旦邊坡的結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，將會給附近居民的生產(chǎn)、生活帶來極大的危害。因此，在進(jìn)行巖土工程建設(shè)時，施工人員可以針對不同地區(qū)的具體情況，采取適當(dāng)?shù)闹卫泶胧?，以進(jìn)一步改善邊坡的穩(wěn)定性，有利于促進(jìn)社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。山區(qū)丘陵地帶占據(jù)我國2/3的土地面積，而山區(qū)丘陵地帶的地形起伏比較大使得當(dāng)?shù)氐牡匦魏偷孛沧兊酶佣鄻?，在一定程度上增加了巖土工程施工的難度，在公路、機(jī)場等工程建設(shè)中，山區(qū)丘陵地區(qū)的高填方邊坡高達(dá)數(shù)十至數(shù)百米，在某種程度上會使工程項目建設(shè)的總量有所增加，建設(shè)費用也隨之增加。同時高田方邊坡在后期的施工管理中，因其縱斷面長，橫斷面寬，坡度高，因此，如何改善邊坡的穩(wěn)定性就顯得尤為重要[1]。

3 基于極限平衡法的高填方邊坡穩(wěn)定性

在工程設(shè)計階段，對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析方法的特征，可以結(jié)合工程的實際情況，靈活選取和應(yīng)用恰當(dāng)?shù)姆椒?，從而使穩(wěn)定性分析更加科學(xué)合理。根據(jù)對高填方邊坡的有關(guān)研究，對高填方邊坡的自設(shè)穩(wěn)定性進(jìn)行全面的考慮，在考慮水壓因素的影響時，可以采用瑞典條分法來進(jìn)行綜合壓力強(qiáng)度的評價，從而得到精準(zhǔn)的運算結(jié)果。利用簡化畢肖普法來進(jìn)行計算，即使忽略土體之間的作用力，最終的計算結(jié)果也是比較精準(zhǔn)的，外界因素不會對其產(chǎn)生太大的不利影響。因此，必須要根據(jù)實際情況分析不同方法的優(yōu)勢，從而提高穩(wěn)定性分析的合理性。經(jīng)過多年的實踐研究，結(jié)合高填方邊坡的穩(wěn)定性分析結(jié)果，采用極限平衡法對邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，取得了較好的效果，瑞典條分法則是以圓弧滑動面為基礎(chǔ)進(jìn)行穩(wěn)定性分析的。在實際工程中，先確定邊坡的單位長度，然后將空間問題轉(zhuǎn)換成平面問題，從而降低計算的難度。比如，在巖土工程中，可以任意選取一條具有高變形概率的弧形滑裂面，利用垂直向上的土條沿滑裂面滑動，并根據(jù)土條的受力情況確定其安全系數(shù)。采用瑞典條分法進(jìn)行粘性土邊坡的穩(wěn)定性分析是最有效的，其計算精度也較高。簡步法也屬于極限平衡分析法的一種，主要用于分析非弧形邊坡的穩(wěn)定性，采用迭代計算的方法進(jìn)行分析。這種方法有其自身的優(yōu)越性，適用的領(lǐng)域范圍比較廣，而且在計算結(jié)果方面也比較精確。然而需要尤其注意，簡步法的計算必須考慮到土條之間的相互影響，相互作用，并在計算時考慮到平衡條件的要求[2]。

4 巖土工程高填方邊坡穩(wěn)定性的影響因素

高填方邊坡的穩(wěn)定性主要受邊坡的地質(zhì)、土質(zhì)以及邊坡震動、氣候、人為等多種因素的制約，其對邊坡的穩(wěn)定性都有不同程度的影響。不同的影響因素對邊坡穩(wěn)定性的影響程度存在著一定的差異，而內(nèi)在因素的影響是主要的，外在影響因素是破壞邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，具體表現(xiàn)為以下幾點。

4.1 地質(zhì)因素

影響巖土工程高填方邊坡穩(wěn)定性的因素有很多，其中地質(zhì)因素的影響較為基礎(chǔ)，地質(zhì)條件和土質(zhì)條件的影響都可以被歸類為地質(zhì)因素，高填方邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性在極大程度上會受到這些條件的影響，巖層的構(gòu)造面與坡面之間的關(guān)系對邊坡的穩(wěn)定性也有一定的影響。在進(jìn)行土體回填時，土體和巖層面會保持垂直的狀態(tài)，此時高填方邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最強(qiáng)。除此之外，還要考慮到填土物質(zhì)對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，要考慮到內(nèi)部摩擦角和巖體自重對邊坡穩(wěn)定性和可靠性的影響。

4.2 邊坡形態(tài)

邊坡的形態(tài)也會對高填方邊坡的穩(wěn)定性造成影響，邊坡的長寬高、平面斷面形狀等因素都會對高填方邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。一般來說，高填方邊坡長度越長，其穩(wěn)定性也就越好，而長度越短，穩(wěn)定性就越差。另外，凹形平面的邊坡其穩(wěn)定性比凸形要高，在張拉力的作用下，容易產(chǎn)生裂縫，使坡角的剪應(yīng)力增大，從而對高填方邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成一定的威脅。

4.3 氣候環(huán)境

根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)理論和實際工作經(jīng)驗，認(rèn)為高填方邊坡的穩(wěn)定性也會受到氣候條件的影響，氣溫和降水等因素會造成高填方邊坡的穩(wěn)定性發(fā)生變化。在降水量較大的氣候條件下，高填方邊坡在吸收水分之后，容重增大，黏附力降低，土體物理性質(zhì)降低，在孔隙水壓作用下影響高填方邊坡的穩(wěn)定性。

4.4 地下水

地下水位的高度在一定程度上也會影響到邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，地下水位過高時，高填方邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會下降，其影響主要體現(xiàn)在軟化影響、動靜水壓力、水流沖擊等方面。高填方邊坡的穩(wěn)定性受結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)的影響，其穩(wěn)定性會下降，巖體的粘聚力和內(nèi)摩擦角的力學(xué)屬性也會隨之降低。此外，巖層的結(jié)構(gòu)面也會影響高填方邊坡的穩(wěn)定性，可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的軟化面喪失，而且由于長期的地下水沖刷會產(chǎn)生滲流通道，邊坡很容易發(fā)生坍塌。

4.5 動力因素

在高填方邊坡自重的影響下，它的結(jié)構(gòu)相對較穩(wěn)定，但在地震的作用下，其結(jié)構(gòu)可能會失去穩(wěn)定性。在地震的作用下，由于邊坡結(jié)構(gòu)的動態(tài)荷載作用使原有邊坡的受力狀況發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其內(nèi)部應(yīng)力的變化，造成結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

5 高填方邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性破壞形式

5.1 雨水沖刷

在干燥的氣候條件下，高填方邊坡自身的結(jié)構(gòu)在一定程度上能夠抵抗外界的沖擊，然而，在長期降雨的環(huán)境中，長時間的浸泡會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響，從而使邊坡的粘聚力降低，對邊坡造成破壞。

5.2 滑坡

滑坡是一種常見的、具有嚴(yán)重危害性的地質(zhì)災(zāi)害，高填方邊坡坡面上的土體由于自身的原因會沿軟弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行滑動，造成剪切破壞。在此階段，首先會發(fā)生蠕動變化，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒悠茐?，并隨時間的推移逐漸穩(wěn)固。

5.3 坡面剝離掉塊

由于巖土工程的施工是在外界環(huán)境中進(jìn)行的，長時間暴露于空氣中，其高填方邊坡會受到風(fēng)化和侵蝕等因素的影響，很容易出現(xiàn)坡面剝離掉塊的情況。在這些因素的作用下，隨著時間的推移，坡底會出現(xiàn)大量的積土，坡腳塌陷，對高填方邊坡的穩(wěn)定性構(gòu)成一定的威脅[3]。

5.4 滑塌

由于多種因素的制約，發(fā)生滑塌事故的概率比較大，在填筑、開挖的過程中，堆載也可能會造成滑塌，嚴(yán)重影響巖土工程的施工質(zhì)量與安全。

5.5 泥石流

泥石流是一種比較嚴(yán)重的自然災(zāi)害，造成的破壞問題比較突出，主要是由于降雨和降雪的沖刷而造成的。在發(fā)生泥石流時，會夾帶大量的碎石和土塊，不利于保障施工人員的生命安全。

6 巖土工程高填方邊坡穩(wěn)定性的治理措施

高填方邊坡的穩(wěn)定性受各種因素的影響，必須從各種不同的治理方案中選取最優(yōu)的治理方案，對高填方邊坡的地質(zhì)、水文、施工環(huán)境進(jìn)行綜合全面的分析。在此過程中，要綜合考慮各項指標(biāo)，根據(jù)各指標(biāo)所占的比重進(jìn)行綜合衡量，最終選出最優(yōu)的方案，提高高填方邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性治理的效果。

6.1 削坡減載

通過對巖土工程高填方邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，可以采取削坡減載的方式，通過對邊坡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，使邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性得到極大的提高。在削坡減載的情況下，可以采用坡率法與減載法相結(jié)合的方式來解決邊坡的變形損壞問題。然而在此過程中，由于各種主觀和客觀因素的影響，可能會使土體沿圓弧表面滑動，從而影響治理的效果。由于邊坡巖體中含有大量的特殊風(fēng)化礦物，因此在此區(qū)域很容易出現(xiàn)滑動帶，從而增大了滑坡的發(fā)生概率。實施護(hù)坡工程能最大限度地避免坡面被破壞，采取削防的措施對坡面進(jìn)行保護(hù)。水的侵蝕會對邊坡的結(jié)構(gòu)造成破壞，不利于提高高填方邊坡的穩(wěn)定性，還應(yīng)注意邊坡的排水，使邊坡巖體始終保持干燥，避免水因素對邊坡穩(wěn)定性造成不利影響。因此，在削坡減載治理時，應(yīng)充分考慮邊坡角的防滑措施，并采取相應(yīng)的配套措施，以保證最終的治理效果[4]。

6.2 擋土墻工程

通過設(shè)置擋土墻，可以保持邊坡的穩(wěn)定，特別適用于某些具有較低推力的工程。當(dāng)高填方邊坡的穩(wěn)定推力超出了其承受能力的限度時，必須進(jìn)行相應(yīng)的抗滑擋墻的設(shè)計，并配合上述削坡工作的實施。同時，各地區(qū)的填方土厚度也不盡相同，有一定的差別，其應(yīng)力和變形量也有一定的差異，垂直位移仍呈由上至下逐漸減小的趨勢，當(dāng)發(fā)生沉降時，填方的厚度也會發(fā)生下沉和位移。隨著地下水位的增長，高填方邊坡縱向、水平方向的位移量也會增加，從而增大坡面剝離和沉陷的概率，不利于高填方邊坡的穩(wěn)定。因此，必須根據(jù)高填方邊坡的實際狀況，采取相應(yīng)的措施，以保持邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

6.3 錨桿加固防護(hù)技術(shù)

該技術(shù)的應(yīng)用充分考慮到了高填方邊坡的特點，使其即便是下層的破碎結(jié)構(gòu)也能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用錨桿來加固，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抵抗力。

6.4 坡面防護(hù)技術(shù)

某些大坡度的高填方邊坡，由于重力的影響，有可能會發(fā)生坍塌或滑坡的現(xiàn)象，由于膨脹因素的作用，大石塊在滾動的過程中可能會發(fā)生破碎，并在邊坡的底部堆積。針對這類問題，可以采用噴射混凝土的措施來加固高填方邊坡的結(jié)構(gòu)，此方法特別適用于易風(fēng)化的斜坡。對于不易風(fēng)化的邊坡，則可以采用勾縫、灌漿的方法，具有良好的效果。對于一些大裂縫問題，利用灌漿技術(shù)可以有針對性地進(jìn)行處理。在風(fēng)化嚴(yán)重的邊坡上可以安裝護(hù)面墻，能達(dá)到理想的防護(hù)效果。

6.5 種樹、種草防護(hù)

選擇此種技術(shù)主要是在緩坡區(qū)種植樹木，提高土質(zhì)的緊實度，從而提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，對防止邊坡土壤侵蝕具有明顯的作用。植物的根系能夠使邊坡結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定，使土層變得更加結(jié)實，減少土層松動現(xiàn)象的出現(xiàn)。此外，通過種樹防護(hù)的方式還可以減小巖土工程對周圍環(huán)境造成的影響，維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，具有良好的社會效益。除了種樹防護(hù)之外，還可以進(jìn)行種草防護(hù)，此種技術(shù)具有較強(qiáng)的生態(tài)性，對于高填方邊坡的坡度有著較高的要求，通常情況下，坡度不能超過6m，且土質(zhì)必須要足夠松軟。才能便于進(jìn)行大面積種植。生態(tài)防護(hù)技術(shù)既能有效保證高填方邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，又能最大限度地降低巖土工程對周圍環(huán)境的破壞，具有相當(dāng)程度的環(huán)保效益[5]。

除了上述措施之外，還可以在邊坡上設(shè)置巷道，通過鉆孔疏流法和地表排水法等進(jìn)行有效治理。對于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的高填方邊坡，應(yīng)采取特殊加固的方式，來增強(qiáng)邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。采用錨固法可以降低邊坡預(yù)應(yīng)力的損耗，并在邊坡體內(nèi)設(shè)置抗滑樁，防止發(fā)生滑坡?，F(xiàn)階段，在改善巖土工程高填方邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性時，以綜合治理的方式為主，已經(jīng)由過去的被動治理轉(zhuǎn)為了主動加固，通過采取各種方式提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少外界因素對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的二次破壞，促進(jìn)巖土工程效益的提高。

7 結(jié)語

在目前進(jìn)行工程建設(shè)時，工程建設(shè)的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，再加上不同地區(qū)之間地質(zhì)構(gòu)造具有一定的差異，巖土工程的施工會有一定的難度，高填方邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與最終工程的質(zhì)量有直接聯(lián)系。本文筆者就重點探討了巖土工程高填方邊坡穩(wěn)定性的影響因素，通過采取削坡減載、設(shè)置擋土墻、錨桿加固防護(hù)技術(shù)、坡面防護(hù)技術(shù)、種樹、種草防護(hù)等對有效治理措施進(jìn)行了分析，以其促進(jìn)巖土工程的發(fā)展。