高边坡开挖中土壤稳定性分析与加固措施

周振坤

中国铁建港航局集团有限公司第二工程分公司 浙江 宁波 315100

在工程建设中，高边坡开挖是常见的施工过程，然而，由于土壤的特性和外界环境的影响，边坡的稳定性问题成为了一个不可忽视的挑战。边坡失稳可能导致严重的安全事故和财产损失，因此对于边坡的土壤稳定性进行全面的分析和加固措施的提出至关重要[1]。

1 土壤稳定性分析

1.1 土壤力学基础知识

土壤稳定性是土木工程中一个重要的研究领域，它涉及到土壤的力学性质和其在各种载荷下的行为。了解土壤力学基础知识对于分析土壤稳定性至关重要。首先，我们需要了解土壤的组成和结构。土壤由固体颗粒、水分和空气组成。固体颗粒可以分为三种类型：砂粒、粉状颗粒和胶粘颗粒。这些颗粒之间通过各种力进行相互作用，形成土壤的内聚力和抗剪强度。其次，土壤具有重要的物理性质，如容重、孔隙比和含水率。容重是指单位体积土壤的质量，孔隙比是指土壤孔隙的体积与总体积的比值，而含水率则是土壤中水分的质量与干土质量的比值。这些物理性质直接影响土壤的稳定性。此外，土壤还具有一些力学性质，包括弹性模量、剪切模量和压缩模量。弹性模量表示土壤在受力后恢复原状的能力，剪切模量表示土壤抵抗剪切应力的能力，而压缩模量则表示土壤在受到一定压力后的变形性质。这些力学性质对于土壤的稳定性和承载力有着重要影响[2]。

1.2 影响边坡稳定性的因素

边坡稳定性是指边坡所受各种力作用下的抗滑能力。然而，边坡稳定性受到多种因素的影响，首先，土壤的物理特性是影响边坡稳定性的重要因素之一。土壤的含水率、孔隙比以及粒度分布等物理特性都会直接影响土壤的内聚力和抗剪强度，从而影响边坡的稳定性。其次，地下水位也是一个重要的因素。地下水位的升高会增加土壤的饱和度，进而降低土壤的抗剪强度，从而使边坡易于发生滑坡。因此，在边坡设计中需要充分考虑地下水位对边坡稳定性的影响。此外，坡度和坡高也会对边坡稳定性产生影响。一般来说，坡度越陡，边坡稳定性越差。而坡高的增加会导致边坡所受的重力作用增大，进而增加边坡的滑动风险。

除了以上因素，土壤的侧向土压力、坡面覆盖物的影响、地震力等也是影响边坡稳定性的重要因素。这些因素的综合作用会直接决定边坡的稳定性和安全性。

1.3 评估边坡稳定性的方法

为了评估边坡的稳定性，工程界发展了多种方法和模型。首先，极限平衡法是一种常见的方法，它基于土壤在边坡上受力平衡的假设。通过计算边坡上各个力的平衡关系，可以确定边坡是否稳定。其中，强度折减法和切线法是常用的极限平衡法的应用形式。这些方法可以考虑不同因素对边坡稳定性的影响，如地下水位、土壤物理性质等。其次，有限元法是一种数值计算方法，可以模拟边坡受力情况。该方法将边坡划分成无数个小单元，通过求解每个单元的力学方程来获得边坡的应力和变形情况。有限元法可以考虑复杂的边界条件和非线性问题，但需要进行大量的计算和参数设置。此外，统计分析方法也被广泛应用于边坡稳定性评估中。通过收集和分析现有的边坡数据，可以建立经验模型或概率模型，来预测未来边坡的稳定性。这些方法可以考虑到不确定性因素和随机性，提供了一种更全面的评估方法。最后，物理模型试验是一种直接观测和测试边坡稳定性的方法[3]。通过在实验室或野外建立边坡的缩尺模型，可以模拟真实的边坡受力情况，并进行各种加载试验。通过观察模型的变形和破坏情况，可以评估边坡的稳定性。物理模型试验提供了直观、可视化的结果，但成本较高且受限于试验条件。

1.4 土体失稳模式讨论

土体在边坡上的失稳行为取决于多个因素，包括土壤性质、边坡几何形状和外力作用等。首先，滑移是一种常见的土体失稳模式。当边坡上的剪切应力超过土壤的抗剪强度时，土体会发生滑动。滑移可以沿着边坡表面或较大的土层面发生，导致整个边坡的运动。其次，倾斜是另一种常见的失稳模式。当边坡上存在较弱的土层或土体结构不稳定时，土体可能会发生倾斜。这通常发生在边坡顶部或边坡中间的局部区域，导致该区域的土体崩塌或滑动。此外，溃决是一种严重的土体失稳模式。当边坡上存在较大的水体压力或水流冲刷时，土体的稳定性会受到严重影响。水的作用会削弱土壤的内聚力和抗剪强度，导致边坡发生溃决现象。溃决通常以大规模的土体崩塌和冲刷为特征，对周围环境和结构造成严重破坏。另外，局部滑动和旋转也是土体失稳的一种模式。当边坡上存在较强的地下水位或土体含有可塑性较高的胶粘颗粒时，土体可能会发生局部滑动或旋转。这种模式通常表现为边坡上某个区域的土体松动和变形，但整体边坡结构仍然保持相对稳定。

除了上述模式，还存在其他一些特殊情况下的土体失稳模式，如边坡冻融破坏、地震引起的液化等。这些特殊情况下，土体的物理性质会发生明显变化，导致边坡的失稳行为。

2 加固措施

2.1 常见的边坡加固措施

在面对边坡稳定性问题时，需要采取适当的加固措施来提高边坡的稳定性。下面将介绍一些常见的边坡加固措施。首先，土钉加固是一种常用的方法。该方法通过在边坡中安装钢筋土钉，将钢筋与土体相互作用，增加土体的内聚力和抗剪强度，从而提高边坡的稳定性。土钉可以根据具体情况进行不同的布置方式，如水平、垂直或倾斜布置。其次，挡墙是另一种常见的边坡加固措施。挡墙通常由混凝土或钢筋混凝土构成，安装在边坡底部或中部，用于抵抗土体的滑动和倾斜。挡墙可以采用重力式结构或加筋型结构，具有较高的抗荷能力和稳定性。此外，植被加固也是一种自然且经济的边坡加固措施。通过在边坡上种植适合的草本植物或树木，可以增加边坡土壤的抗剪强度和抗侵蚀能力。植被的根系可以锚固土体，并吸收部分雨水，减少地表径流，从而保持边坡的稳定性。另外，还有其他一些常见的边坡加固措施，如钢筋网片加固、喷射混凝土加固、土工合成材料加固等。这些措施都具有不同的原理和适用范围，可以根据具体情况选择合适的加固方法[4]。

2.2 合适的加固措施及其原理和适用性

在选择合适的加固措施时，需要综合考虑边坡的特点、土壤的性质以及工程的实际需求。下面将介绍一些常见的加固措施及其原理和适用性。首先，对于土壤较软且边坡高度较大的情况，土钉加固是一种有效的方法。通过在边坡中安装钢筋土钉，可以增加土壤的内聚力和抗剪强度，从而提高边坡的整体稳定性。这种加固方法适用于各种土壤类型和边坡形状。其次，对于边坡土体较弱且存在倾斜的情况，挡墙是一种常见的选择。挡墙可以通过抵抗土体的滑动和倾斜来提高边坡的稳定性。重力式挡墙适用于边坡底部需要有足够的承载能力的情况，而加筋型挡墙则适用于边坡中部或顶部需要较大抗荷能力的情况。此外，如果边坡需要长期保持稳定性并具有美化功能，植被加固是一种可行的解决方案。通过合理选择适应环境的草本植物或树木，并在边坡上进行种植，可以增加土壤的抗剪强度和抗侵蚀能力。植被的根系可以有效锚固土壤，并吸收部分雨水，减少地表径流对边坡的冲刷作用。植被加固适用于边坡生态环境要求较高的项目，如公园、景观绿化等。此外，钢筋网片加固是一种常用的边坡加固措施。通过在边坡表面安装钢筋网片，并与土体相互作用，可以增加土壤的整体强度和稳定性。这种加固方法适用于边坡容易发生局部滑动或崩塌的情况，可以有效防止土体的松散和变形。最后，喷射混凝土加固是一种快速且可靠的加固方法。通过将混凝土喷射到边坡表面，形成一层坚固的覆盖层，可以增加边坡的抗剪强度和稳定性。喷射混凝土加固适用于边坡存在较大裂缝或需要立即修复的紧急情况。在选择合适的加固措施时，需要综合考虑边坡的特点、土壤的性质以及工程的实际需求。同时，还需要进行全面的工程设计和力学分析，确保加固措施能够满足边坡的稳定性要求[5]。

2.3 加固措施的施工过程和注意事项

在进行边坡加固的施工过程中，需要遵循一系列的步骤和注意事项，以确保加固效果和施工安全。首先，施工前需要进行详细的现场勘察和工程测量，了解边坡的具体情况，并制定合理的施工方案。同时，还需要根据设计要求和技术规范选择合适的施工设备和材料。其次，施工过程中需要注意施工现场的安全，包括人员和设备的安全。必须建立完善的安全管理制度，合理设置警示标志和防护措施，确保施工人员的个人安全，并防止设备的倾覆或失控。

在进行土钉加固时，需要按照设计要求进行钢筋土钉的布置和预埋深度的确定。安装过程中应注意钢筋土钉的垂直度和水平度，确保钢筋与土体之间的良好连接。

对于挡墙的施工，需要按照设计要求进行混凝土的浇筑和养护。在浇筑过程中，要控制混凝土的坍落度和浇筑速度，并采取适当的振捣措施，以确保混凝土的均匀性和强度。

植被加固的施工过程中，需要选择适合的植物品种，并进行合理的植栽布局。同时，还需要进行适当的灌溉和养护，以促进植物的生长和根系的发育。

其他边坡加固措施的施工过程也需要注意一些关键要点。钢筋网片加固的施工中，需要确保钢筋网片的正确安装和固定，以及与土体的紧密结合。喷射混凝土加固的施工中，应控制喷射混凝土的均匀性和厚度，并注意施工速度和喷射压力的调节。在施工过程中，还需要注意施工质量的监控和检测。对于土钉加固和挡墙加固等结构，需要进行质量验收和验收测试，包括土钉的抗拉强度测试、挡墙的荷载试验等，以确保加固结构的稳定性和承载能力。此外，施工完成后还需要进行相关的养护工作[6]。根据不同的加固措施，可能需要进行植物的定期修剪和浇水，或者进行喷涂防腐涂料等防护措施，以延长加固结构的使用寿命和稳定性。

3 实际案例研究

3.1 高边坡开挖工程案例

本研究将以一项高边坡开挖工程为案例，分析其土壤稳定性问题及相应的加固措施。该工程位于城市建设项目中，涉及大规模地下停车场的开挖工作。由于边坡的高度和土壤的特性，存在较大的土壤稳定性风险。在开展工程前期调研时，对边坡进行了详细的现场勘察。根据测量数据和土壤采样分析结果，发现边坡土壤主要由黏土和松散砂土组成，且存在一定的含水量。边坡的高度约为30米，呈陡峭倾斜，存在滑动和塌方的潜在风险。

3.2 进行土壤稳定性分析

为了评估边坡的土壤稳定性，进行了详细的土壤力学参数测试和数值模拟分析。通过室内试验确定了边坡土壤的抗剪强度、内摩擦角和凝聚力等参数。同时，利用计算机软件进行有限元分析，模拟了边坡开挖过程中的应力和变形情况。分析结果显示，边坡的土壤具有较低的抗剪强度和内摩擦角，且存在较大的滑动面。在开挖过程中，由于土体受到较大的水平推力和重力荷载的作用，边坡易发生滑动和变形，造成严重的安全隐患。

3.3 相应的加固措施选择

基于土壤稳定性分析的结果，确定了一套相应的加固措施方案。首先，采用了土钉加固技术。通过在边坡中预埋钢筋土钉，并与土体相互作用，增加土体的抗剪强度和内聚力，从而提高边坡的整体稳定性。其次，结合土钉加固，还采用了喷射混凝土加固技术。通过在边坡表面喷射混凝土，形成一层坚固的覆盖层，增加边坡的抗剪强度和稳定性。这种组合加固方式可以互补各自的优势，提供更好的加固效果。另外，对于边坡顶部的部分，选择了挡墙加固措施。通过在边坡顶部设置混凝土挡墙，抵抗土体的滑动和倾斜，增加边坡的整体稳定性。挡墙的设计采用了加筋型结构，以提高其抗荷能力和稳定性。

3.4 实施加固措施的效果和成本效益分析

在实施加固措施后，进行了工程验收和效果评估。通过现场监测和测量，发现边坡的变形和位移明显减小，土壤的抗剪强度和内摩擦角得到了明显提高。有限元分析结果也证实了加固措施的有效性，同时，还进行了成本效益分析。计算了加固措施的实施成本，包括土钉、喷射混凝土和挡墙的材料费用、人工费用以及施工设备的租赁费用等。与此同时，考虑到加固措施所能提供的边坡稳定性改善能力，对可能发生的边坡滑坡事故所带来的潜在损失进行了估算。经过综合分析，结果显示，实施加固措施所需的总成本相对较高，但可以有效降低边坡滑坡事故的风险和潜在损失。通过对比分析，可以得出加固措施的成本效益比较高的结论。此外，还需要考虑加固措施的可持续性和长期效果。加固措施所使用的材料和技术应具有耐久性和抗腐蚀性，以确保加固结构的长期稳定性。同时，定期检测和养护工作的实施也是保持加固效果的关键。

4 结束语

综上所述，对于高边坡开挖中的土壤稳定性分析与加固措施，我们需要通过实地勘察和实验室测试获取土体参数，并建立适当的力学模型进行稳定性计算。根据计算结果选择合适的加固措施，如表面排水、地下支撑、植被加固和挡墙等。在实施加固措施前，需要评估其效果、进行成本效益分析、风险分析和环境影响评估。这些工作可以有效提高边坡的稳定性，保障工程安全和经济性。