土质高边坡稳定性分析与加固方法研究

刘甲元

摘要 边坡稳定性问题是影响工程施工建设的重要因素，对边坡进行稳定性分析和加固对工程建设具有重要意义。基于此，文章对土质高边坡的稳定性与加固方法进行研究。土质高边坡的地层结构类型主要包括倒U形、M形和双M形边坡。受结构面层组数和间距影响，土质高边坡的岩土层类型分为整体结构、块状结构和碎状结构。研究表明，影响边坡稳定性的因素主要包括自然因素和人为因素。土质高边坡加固可以采用预应力锚杆加固、抗滑桩支护加固和桩板墙加固方式。

关键词 高边坡；结构类型；稳定性；加固方式

中图分类号 U418.5文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）12-0117-03

0 引言

近年来，随着山区工程的大规模建设，自然山体会面临改造和重修，由此引发的边坡稳定性问题成为人们关注的重点。在工程施工过程中，边坡处于动态变化状态。刘志明提出由于山坡的改造，会使得土质的应力性发生改变，处理不当会导致山体滑坡发生[1]。边坡是工程中较为常见的一种地质环境，进行工程建设时，由于人为活动会影响到边坡的稳定性，进而影响到工程的施工[2]。我国山区面积较大，大部分工程施工都会面临边坡稳定性处理的问题。相关研究结果表明，对于土质较软和风化较为严重的岩石层山体而言，边坡稳定性较低，加固难度相对较大[3]。对边坡进行有效加固，保证边坡的稳定性是进行边坡处理的重要内容。近年来，许多学者对土质的边坡稳定性研究较多，但是对于土质的高边坡稳定性研究相对较少[4]。边坡高度的大小是影响边坡稳定性的重要因素[5]。因此，该文针对土质高边坡的稳定性及加固方法进行研究，旨在为土质高边坡工程施工和土质开挖设计提供理论参考。

1 高边坡稳定性分析

1.1 地层结构

土质高边坡的稳定性与地层结构密切相关，土层主要是由不同材质的堆积物逐年积累堆积而成的，也被称为沉积岩。土质高边坡的岩体层结构具有一定的特殊性，其形式的不同也会在很大程度上影响到边坡的稳定性及其加固处理。根据土体边坡堆积物和岩体特征，土质高边坡的岩体层结构主要分为倒U形、M形状和双M形3种类型，如图1所示。

倒U形边坡结构坡体中没有堆积物的土质层，主体结构主要为基岩，土体两侧易形成滑动面。M形的岩体之间有堆积面层，中间也存在一处坡体滑动。对于双M形边坡，在岩体之间会存在两处堆积物形成的土体结构，此种类型产生的坡体滑动面中间会存在两处。双M形边坡是土质高边坡形式中相对较为复杂的一种边坡形式，该类型的坡体中存在不同填料的土质界面层，坡体滑动方向并不单一。

沉积的岩石层形成的过程主要是由于地壳运动和长期风化形成的，该岩石层分布较为广泛，具有一定的特殊性，存在岩体结构和软弱结构面而形成的结构面层。不同的结构面形成不同的沉积岩边坡结构，如表1所示。整体层结构的结构面特征是其结构面不大于2组，并且结构的间距大于1.6 m，沉积岩层整体性较好，其边坡稳定性较高。结构面的数量在2～3组范围内的被称为块状结构层的沉积岩，此时沉积岩结构面的距离区间为0.5～

1.6 m，相对整体岩层块状岩层的边坡稳定性较低。当结构面层大于3组时，其结构面间距值较小，基本区间为0.2～0.5 m，此类沉积岩是碎状沉积岩结构，稳定性较低。

1.2 稳定性分析方法

瑞典法是对土质高边坡稳定性分析的常见方法。瑞典法主要是对边坡的滑裂面的形状进行定义，一般定义为圆弧形。进行边坡的稳定性的安全系数计算时，将土体所受重力简单地沿滑面法向分解以求得法向力。此类方法需要进行假设，假设土质侧面的合力与土质的底面处于平行状态，然后建立法线方向的静力平衡方程，从而得到土质高边坡的安全系数。

毕肖普简化法是通过力矩平衡方式进行安全系数的计算，首先假设滑裂面为圆弧形状，此种计算方法是将土条底部法向力作为安全系数的函数，应用此方法进行计算安全系数时，需要通过迭代求解的方式进行，若采用毕肖普方法计算的安全系数小于瑞典法计算的结果，说明采用该种方法的计算结果不够准确。因此，对土质表坡稳定性分析，进行安全系数计算的时候，采用毕肖普法和瑞典法两种方式同时进行计算，所得到的安全系数计算值选择更为精确的计算值，是较好的选择。

数值分析法是近年来发展起来的一种数值计算方法，应用更加广泛。通过有限元法计算，可以不受到边坡形状和材质不均匀性影响。但是此种方法也存在一定的局限性，在确定边坡稳定性时不能准确地确定初始应力状态和弹塑性本构关系，对边线较大的边坡和不连续的位移等求解较为困难，因此在利用此种方法进行计算时要综合考虑这些因素。

1.3 稳定性影响因素

土质高边坡的稳定性影响因素有很多方面，主要是包括边坡岩体结构层改变以及力学性质变化。力学性质变化形成的原因是受到风化作用，另外还受到周围地质条件影响，水作用力和地震作用也会影响到边坡的稳定性，以上因素的作用统称为自然因素。

自然因素影响边坡稳定性主要包括降雨、岩石层风化、河流冲击和地震作用的影响。降雨是影响边坡稳定性的重要因素，雨水会冲刷到边坡的土体，使得土质软化，形成滑坡现象。岩石层的风化主要是受到风力作用的影响，在风力作用下，加之岩石层受到温度、水和湿度等物理因素作用，也会引起化学变化使得岩石内部发生质变，出现裂缝和碎石，尤其是在风力较大的地区，被风化的岩石较多，高边坡的岩石层更易产生风化现象，造成边坡失稳。

位于河流边缘的岩石长期受到水流冲击，边坡产生崩塌的概率会大大增加。边坡底部的土质和岩体受到河水冲刷的作用，会降低其黏聚力和堅实度，在河流长期作用下使得边坡稳定性降低。地震作用对高边坡稳定性影响非常大，这与岩体的结构类型、边坡的类型及土质有密切关系。地震主要会从内部破坏岩体结构，同时受到地震作用，岩体的力学参数也会发生很大变化，地质应力作用会大幅增强，导致倒U形边坡更易发生坍塌。

人为因素对高边坡稳定性影响也较大。主要是土石方开挖会引起边坡的土体产生松弛，坡体荷载产生变化，开挖周边土体产生松动。此外，工程施工产生的爆破震动会更大程度地破坏坡体结构。人为对坡体进行灌溉，造成土质含水率增加，土质松动，也会造成边坡的稳定性下降。因此，人为因素是影响边坡稳定性最主要的因素。

1.4 边坡失稳破坏模式及机理

崩塌是边坡破坏的常见形式，主要表现为处于坡体边缘的岩石受到风化作用，发生变化，从整体结构变成碎状结构，进而发生滑坡。崩塌是由于岩体受到内部力作用和外部环境因素的双重作用而脱离边坡的一种自然现象。内部作用力主要源于地震和植物根系产生的膨胀力和水压力。外部环境作用主要源于自然因素和人为因素引发的边坡破坏。滑坡也是边坡破坏形式的一种，其主要表现为平面滑动、弧形滑动和楔体滑动。边坡的破坏机理分为整体滑移、拉裂滑移和弯曲滑移3种类型。整体滑移是顺层面滑动，是由于岩石层整体结构面受到外界因素影响，强度逐渐降低，外层岩体重量大于滑面抗滑能力时，岩体会向坡体的坡脚处整体滑动，滑动方向为自由面方向。拉裂滑移是滑移脱落的岩体滑动时在岩体尾部拉裂的一种破坏形式，表现为软弱的结构面产生裂隙，新的临空面也会在坡脚产生。弯曲滑移与拉裂滑移的不同之处是前者会发生弯曲，岩体堆积物在坡脚处堆积，进而会产生坡脚的应力集中，下部表层岩体受到压力会产生弯曲，这是轻微弯曲阶段。随着时间的推移，表面弯曲的岩体会促使深部的岩体发生弯曲，这是剧烈弯曲阶段，滑移弯曲破坏的最后一个阶段是贯通剪出阶段，通过这三个阶段对边坡的稳定性产生破坏。

2 高边坡加固方法

2.1 锚杆加固

近年来，锚杆技术被普遍应用于边坡加固工程中，这是一种通过锚固手段主要用于边坡加固的施工方式，其主要由锚杆和挡土板组成。此种方式是通过锚杆与土体之间产生的摩擦力来固定要产生滑移的边坡，锚杆可以承担滑动的岩石层和土质层的重力，其中挡土板可以承担一定压力，用于固定锚杆，通过锚杆作用有效提高岩体和土质的稳定性。

锚杆角度和压实系数都会对锚杆产生的拉拔阻力产生影响。锚杆的拉拔阻力是锚杆对于边坡加固的重要影响因素。压实系数是土质与锚杆之间的摩擦力。通过实验，测出不同锚杆在锚杆压实系数为0.9、锚杆角度为30°和45°时的拉拔阻力值。从图2可以看出，在锚杆角度为45°时，拉拔阻力最大值达到4.64 kN，在锚杆角度为45°时，拉拔阻力最大值达到4.24 kN，相对降低了8.62%。由此可知，锚杆受到的拉拔阻力与锚杆角度成正相关。

为研究压实系数对锚杆承受拉拔阻力的影响，通过实验测得锚杆角度为40°时在压实系数为0.7、0.8和0.9不同条件下的拉拔阻力值。从图3可以看出在不同压实系数下，锚杆受到的拉拔阻力具有很大变化。当压实系数为0.7和0.8时，最大拉拔阻力值分别为3.39 kN和3.93 kN，极限拉拔阻力值增加了15.92 kN。压实系数0.9时，拉拔阻力为4.71 kN。在不同压实系数下，拉拔阻力值变化趋势基本相同，逐渐增加到最大值，然后趋于稳定狀态。拉拔阻力值随着压实系数的增大而增加。可见锚杆受到的拉拔阻力值与压实系数成正相关。

2.2 抗滑桩支护

在山体起伏较大的山区，多采用抗滑桩方式进行高边坡加固，主要应用于基础设施建筑工程中，还有一些高边坡地带。当边坡的下方覆盖较厚的土层时，一般需要设置桩基托梁，或者采用桩板墙进行增强边坡稳定性。抗滑移桩随着土质边坡推力的增加，会产生位移变化，当推力大于45 kPa，主要体现在位移急速增大，采用这种方式，受到较大推力时抗滑桩会发生弯曲，由此弯矩也会发生变化，在岩土交界面呈现倒梯形分布趋势。采用抗滑桩方式可以有效地对土质高边坡进行加固，控制边坡下部结构变形。

2.3 桩板墙加固模式

桩板墙是高边坡加固较为常见的一种加固方式，相对于抗滑移桩，其对高边坡的加固更加稳定。桩板墙的受力方式更加均匀，在承受较大的边坡土体压力时，可以分布受力点，受力变形特性和加固性能相对较为复杂，能有效加固一些比较陡峭的高边坡地带，降低土体变形率。桩板墙的挡土板在进行边坡加固时会受到一定的压力，压力会沿着板深度方向呈现先减小后增大的分布形式，其主桩的压力值和内力值相对较大，是主要承载压力的结构，而副桩承受的压力值相对较小。

3 结论

近年来，随着山区工程的大规模建设，自然山体面临改造和重修，由此引发的边坡稳定性问题成了工程关注的重点。边坡稳定性问题是影响工程施工建设的重要因素，对边坡进行稳定性分析和加固对工程建设具有重要意义。该文对土质高边坡的稳定性与加固方法进行研究，主要得出以下结论：

（1）土质边坡的岩体结构受到结构面和结构面间距的影响，整体结构面不大于2组，间距大于1.6 m，此种岩体边坡稳定性最高。结构面的数量在2～3组，间距为在0.5～1.6 m为块状结构，稳定性相对较差。碎状结构大于3组，间距0.2～0.5 m，稳定性相对最差。

（2）影响边坡稳定性的因素主要包括自然因素和人为因素，人为因素是影响边坡稳定性的主要因素。对土质高边坡进行加固的方法主要包括锚杆加固、抗滑移桩加固和桩板墙加固方式。锚杆加固的拉拔阻力受到压实系数和锚杆角度的影响，拉拔阻力与二者成正相关。

参考文献

[1]刘志明. 延平西站土质深路堑边坡稳定性分析与加固措施研究[J]. 资源环境与工程， 2021（2）： 224-227.

[2]李辉. 黄土质深路堑边坡雨水入渗稳定性影响及锚固整治研究[J]. 水利技术监督， 2018（5）： 3-6.

[3]王利军. 朔黄铁路高路堑护坡溜塌病害及加固措施研究[J]. 山西建筑， 2020（23）： 3-5.

[4]刘海明， 刘亚明. 基于正交法的土质路堑边坡稳定影响因素计算分析[J]. 山西建筑， 2018（10）： 2-6.

[5]李元松， 陈文峰， 李新平， 等. 基于模糊神经网络的边坡稳定性评价方法[J]. 武汉理工大学学报， 2013（1）： 113-118.