关于公路边坡稳定性的研究

王 军,李连忠,王东晓

(1.黑龙江省呼兰养路总段;2.黑龙江省尚志市公路管理站;3.黑龙江省交通科学研究所)

随着我国经济的持续稳定发展,城市正在快速的膨胀和扩张,然而地区间经济的发展极不平衡。为了平衡区域经济的发展速度,加速西部及边远地区产业的升级,实现全国各地的共同富裕,在“要想富先修路”的指导思想下,我国公路建设正在飞速的发展。公路建设虽然提升了各个地区的交通能力,但由于受各地地质条件的限制,加上雨水的冲刷,使得公路由于边坡稳定性的下降衍生出许多工程灾害事故,例如边坡侵蚀、坡面坍塌等,而这些灾害事故的产生不仅会造成重大的经济损失,对人民群众的生命安全也是一种潜在的威胁。如何选择适当的边坡保护形式以提高边坡稳定性,已成为我国公路建设急需解决的重要研究课题之一。

1 边坡稳定性影响因子

当边坡成型后,多会受到自然环境或人为环境的影响,导致边坡稳定性减低,造成崩塌破坏。边坡失稳的原因大致可以分为潜在影响因子和诱发影响因子两类。

1.1 潜在影响因子

(1)地形因素:现今地形的呈现多是由自然或人为因素所造成,在地形的表现上包括坡高、坡宽、坡度及坡向等。而这些因子将决定边坡建成后会受到环境的影响程度。坡度对边坡的影响最直接,坡度过大不利于植物生长且边坡组成成分如土壤及岩石就容易失去力学平衡,造成边坡失稳,最后可能引发严重土壤侵蚀或山崩等边坡破坏,因此一般坡度愈大,边坡稳定度愈低。

(2)地质材料因子:边坡主要由单一或多种地质材料所组成,材料特性的优劣,将直接影响边坡的稳定性,地质材料的组成成分包括矿物的种类、组织、胶结状况、成岩时间等,其外在的表现则为岩性、土壤种类、力学强度及抗风化能力。

(3)地质构造因子:地质构造是影响边坡稳定性最主要的因子之一。当岩体中存在不连续结构面如层面、节理、劈理、片理、剪裂带及断层等,会使岩体成为不连续或破碎的岩石,降低岩体强度或提高受风化的影响,而此不连续结构面的存在也容易发展成破坏滑动面,提高边坡的不稳定性。一般而言,不同的坡型其稳定性由好到坏为斜交坡、逆向坡与顺向坡。因此地质构造的方向性、分布密度、分布大小及性质的不同,将对边坡稳定产生相当的影响。

1.2 诱发影响因子

1.2.1 环境因子

由于环境因子涵盖范围较广,下面主要针对降雨、地下水、风化与侵蚀作用及地震等对边坡稳定性造成的影响,逐一加以介绍。

(1)降雨:水是造成边坡破坏的主要因素之一,由于降雨后易使地表材料软化降低强度,并增加孔隙水压,降低边坡稳定。有学者指出对自然边坡最不利的环境因素是持续性的暴雨,易造成坡面侵蚀与坍塌。同时雨水通过渗透作用会促使地下水位升高,导致边坡失稳。

(2)地下水:地下水对边坡造成的不利影响包括水压作用于垂直裂缝,产生水平推力,使得岩坡或土坡被推向下方;浮力作用于潜在滑动面之上,使得有效正应力减小,降低该面的摩擦力;对页状矿物,尤其是黏土矿物,产生润滑作用,使得抗滑动的能力降低;改变物理及化学性质,使得岩质、土质变坏,降低强度,使得边坡失稳。

(3)风化及侵蚀作用:边坡岩石风化后,强度大幅降低,易使护坡作用降低,导致侵蚀量增加,然后新鲜的岩层再次暴露,进一步被风化与侵蚀。

(4)地震:地震产生的地表加速度会使边坡下滑力增加,抵抗力减小,同时地震释放的水平震波易使缺乏抵抗横向剪力作用的边坡发生破坏。

1.2.2 人为因子

因人为活动造成边坡失稳的影响因素称为人为因子,如道路开挖、山坡地开发、爆破、采矿及开垦等。

(1)山坡地不当开发:目前山坡地不当使用会造成地形和自然植被的改变,边坡坡度因挖、填而变陡,加上自然植被乱砍乱伐,导致边坡失去水土保持的功能,加速边坡崩塌事故的发生。

(2)不当加载:当边坡在坡阶或坡顶上有不当加载时,将导致下滑力增加,当超过自身及保护设施所能提供的抵抗力时,将容易形成边坡破坏。

(3)大量挖填方:在坡地开发中,常将边沟回填以利开发,而此填方区若未滚压密实,土体内部会较松散,因此易产生不均匀沉陷或变形。当填方区上方有建筑物时,将造成龟裂、位移、歪斜或倾倒等灾害。

(4)坡脚不当开挖:坡脚开挖可能使岩体的抗剪强度降低,当受到其他因素触发,则有立即发生破坏的可能。

(5)边坡防护不当:一般坡地开发均需符合水土保持规范,按规定进行边坡生态防护,或增设排水系统和挡土设施等。当这些边坡防护施设不当或维护不良时,将会直接影响边坡的稳定性。

2 边坡稳定性评估方法

(1)经验评估法。目前,已有多位学者利用地形学和地质学等经验方法,对边坡稳定性影响因子分别加以评估分类,以建立边坡崩塌破坏模式及环境敏感度分级。

(2)极限平衡法。极限平衡理论是最精典的确定性分析方法,具体方法是将有滑动趋势范围内的边坡岩体按某种规则划分为一个个小块体,通过块体的平衡条件建立整个边坡平衡方程,以此为基础进行边坡分析。由于该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的优点,因此得到广泛的应用。

(3)有限元评估法。有限元评估法最大的优点是可分析任何形状的几何体,不但能进行线性分析还可进行非线性分析。有限元评估法是边坡稳定分析中用得较多的一种数值方法。有限单元法用于边坡中应力和位移的分析已经比较完善,并得到许多学者的成功应用,但将该方法得到的结果用于边坡稳定性评价却正在引起学者们的重视。

(4)其他评估方法。除了上述几种评估方法以外,现在用于边坡稳定性评估的方法还有可靠性方法、模糊数学方法、统计分析方法、灰色系统理论、神经网络方法等。这些方法是将调查所得资料借助现有的统计分析软件和编程软件,如 SAS软件、SPSS软件、MATLAB软件等,加以计算得出分类评估的标准,从而对边坡稳定性进行评估。

3 边坡失稳防治措施

边坡失稳的防治应遵循标本兼治的原则。以治本为主,即通过采取地表排水、地下排水、坡体防护、坡顶清方、坡脚加载、固化等工程措施。目的是增强边坡的自身稳定性,控制土体物理力学性质的恶化,即严格控制影响边坡失稳的各类因素的不利组合,达到稳定边坡的目的。边坡土体的性质及结构特性是引起边坡失稳的内因,而水尤其是大气强降水和连续降水是边坡失稳的诱发因素即外因。所以采取工程防治措施时,应以截、排地表和地下水以及坡体防护为主,必要时采取适当的支挡防护工程。

(1)截排水工程。截排水工程包括地面排水工程和地下排水工程。地面排水工程主要是拦截边坡以外的地面水及排除边坡范围内的地表水,地面排水沟均应采用砂浆砌筑,以防止渗漏和冲刷。地下排水工程多采用盲沟,其对防治边坡失稳以及其他类型的路基病害有良好的效果,边坡渗沟能有效地排引边坡内部的层间水及地表渗水。

(2)边坡防护工程。坡面植草可以改善坡面土体固着力并防止表面冲刷,草皮应尽早铺种,尽量选择在草皮极易成活的季节种植。采用满铺浆砌片石或骨架式浆砌片石构筑物时,一定要在骨架内种植草皮等保护坡体的方式,也可以采用其他类型的骨架护坡,但骨架内填土应夯击密实,以防止边坡被冲刷,产生渗漏。

(3)支挡工程。对边坡坡脚及边坡内部发生的坍塌,当坍塌体较厚,人为清方困难且可能引起坍塌范围扩大的地段可视滑体的推力大小等因素分别采用浆砌片石挡土墙、抗滑桩、锚杆、锚索地梁或锚管注浆等支挡工程类型,以恢复边坡平衡,杜绝坍塌发生。

4 结 语

公路边坡稳定是保证公路安全运行和避免坍塌事故的重要前提,我国目前针对公路边坡稳定性的研究在理论上和实践上需要更加深入,要搞好公路建设和环境保护,确保公路边坡稳定、安全。要深入了解公路边坡失稳的影响因素(诸如土质、水文、气候等),正确地评价公路边坡稳定性,灵活采用不同的公路边坡防治措施,加强公路边坡设计和施工管理。

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