公路边坡稳定性分析与防护方法综述

涂美珍，张正雄，任 超

(1.福建农林大学，福建 福州 350002；2.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)

公路边坡稳定性分析与防护方法综述

涂美珍1，张正雄1，任 超2

(1.福建农林大学，福建 福州 350002；2.漳州职业技术学院，福建 漳州 363000)

文章对目前公路边坡稳定性分析常用方法的基本原理、特点及其适用范围进行了归纳分析，阐述了预防边坡失稳破坏的3种主要技术措施，指出在边坡稳定性分析和防护技术方面存在的主要问题，并论述了公路边坡稳定性分析与防护等相关问题研究的发展趋势。

公路边坡；稳定性分析；防护技术

0 引言

公路工程建设中常常会遇到边坡稳定性的问题。边坡的失稳，会影响工程质量与施工进度，甚至造成人员伤亡和国民经济的重大损失，因此，正确分析公路边坡的稳定性并对其采取防护措施，保证工程建设顺利进行，是非常重要的。改革开放以来，我国公路工程建设发展迅速，边坡失稳问题已成为公路建设中最常见的工程地质问题之一。公路边坡稳定性分析的方法很多，其特点和适用性各不相同。公路的边坡防护工程包括工程防护、植被防护和生态防护(综合防护)。当前，我国仍然以工程防护(如浆砌片石、干砌片石、挂网喷浆等)为主，这些护坡方式虽然能达到稳定边坡的作用，但是不利于环境保护和生态平衡。

有的边坡虽然也有植草，但是草种单一或只是单纯的多种草种组合，层次结构简单，防护效果差，达不到可持续发展的目的。因此，正确分析评价边坡的稳定性，并采取科学合理的防护措施，对保证公路正常运行具有重要的意义。本文旨在通过对现有主要的边坡稳定性分析方法及防护技术进行综合分析，探寻其中的问题，明确未来发展的趋势，为实践中研究解决边坡问题，正确选择方法和技术提供参考。

1 边坡稳定性分析的主要方法

1916年，Petterson、S.Hultin[1]在大量的观测与试验的基础上，认识到某些土体在产生滑动破坏时，其滑动面是一个近似圆柱面的曲面，并提出了圆弧滑动面分析法。后来，Fellenius[2]将瑞典圆弧法应用于兼有摩擦力和粘聚力的土质边坡稳定性分析中，在此基础上提出普通条分法。1955年，Bishop[3]在假设滑动面为圆弧滑动面的基础上，提出了修正的条分法。Zienkiewicz等[4]初次在土工弹塑性的有限元数值分析中给出了抗剪强度折减系数的概念。康德在20世纪70年代提出了离散元法[5]。我国对边坡稳定性问题的广泛研究始于20世纪中叶。1988年，石根华提出的DDA法解决了岩体的大变形和大位移问题[6]。1993年，卓家寿等人提出了界面应力元法，它可以描述界面的连续、开裂和滑移，分析渗流场和应力场的耦合[7]。目前，公路边坡稳定性的分析方法有很多，但归结起来主要有以下几类：(1)工程地质类比法；(2)刚体极限平衡法；(3)数值分析法；(4)概率分析法；(5)其他新的方法。

1.1 工程地质类比法

工程地质类比法是对已有边坡的岩性、结构、自然环境、变形主导因素和发育阶段等作全面分析，并与拟建边坡作出相似性的对比，以此评价拟建边坡的稳定性和发展趋势的一种方法。该方法综合考虑了边坡稳定性的各种影响因素，并能迅速对边坡的稳定性及其发展趋势进行评估和预测。工程地质类比法虽然是一种经验方法，但在中小型边坡工程中是一种较常用的方法[8]。

1.2 刚体极限平衡法

刚体极限平衡法主要应用于土体边坡稳定性的评价，是最早应用于工程实践的一种定量分析法。其主要思想是根据边坡破坏的边界条件，假定坡体受各种荷载作用，应用力学分析方法，对有滑动趋势范围内的边坡进行理论计算和抗滑强度的力学分析。刚体极限平衡法在没有应力作用下结构的变形图像时，仍能精确评价结构的稳定性，然而此方法也有一定的局限性，首先需要事先考虑边坡中存在的滑动面，而且无法考虑土体与支护结构之间的作用及其变形协调关系，不能计算边坡及支护结构的位移情况[9]。目前常用的极限平衡分析法有：瑞典条分法，Janbu普通条分法和Sarma法等。

1.3 数值分析法

极限平衡法因其计算简单，在实践中得到了广泛应用，但是当边坡破坏机制比较复杂时，或在边坡分析中需要求出不同的边界条件下边坡的位移场、应力场、渗流场及模拟其破坏过程时，极限平衡法就显得不适用了，而数值分析法正好可以克服极限平衡法的局限性，它是目前在岩土力学计算中应用最普遍的分析方法。应用较多的主要有有限元法、边界元法和离散元法三种。

有限单元法是目前应用最广泛的数值分析法，它考虑了边坡岩体的非均质性和不连续性，实现了无限自由度和有限自由度结构之间等价体系转换，能近似地从岩土体的本构关系去分析最容易和最先发生屈服破坏的部位以及需要进行加固的部位，还能模拟土体与支护的共同作用。它不但能进行线性分析还可以进行非线性分析，几乎适用于所有的计算领域，但是这种方法在实际工程中受物理参数选取的影响较大，对大变形及应力集中等问题的求解有困难，还有待改进[10]。

相对于有限元法，边界元法降低了问题的维数，从而降低了自由度数。这种方法适用于处理非连续介质大变形问题，适合分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程。但由于求解问题的控制微分方程的基本解需要事先知道，因此对于处理材料的非线性问题以及严重不均匀的边坡问题，边界元法远不如有限元法。

离散元法是近年来用于研究边坡破坏机制的一个新进展，在解决边坡问题中占据了越来越重要的位置。该方法是一种应用于不连续岩体的数值求解方法，即假设含有不连续面的岩体是由若干块刚体组成的，块体之间的平衡靠角点作用力来维持。离散元法能够计算岩块内部的应力分布与变形情况，可以模拟块体之间接触面的滑移、分离与倾翻等过程。该方法比较适合于块状结构、层状破裂和一般破裂结构的岩体边坡[11]。

1.4 概率分析法

边坡是一种性质极其复杂的地质介质。大量的岩土试验表明，同类岩土体的强度参数往往符合某种概率分布，因而人们开始从确定模型转向概率分析。概率分析法是在定值稳定系数方法的基础上，以极限平衡原理建立状态方程，计算边坡不稳定性概率的方法，它能有效解决边坡稳定性中的不确定性问题，但是需要大量的统计样本，而且它是基于极限平衡法建立的，因而包含了极限平衡法的缺陷和局限性[12]。

1.5 其他新方法

由于边坡变形破坏过程的复杂性以及影响边坡稳定性因素的不确定性，加上一些新学科、新理论的引入和交叉，逐步形成了一些边坡稳定性分析的新方法，比如可靠度分析法[13]，模糊数学分析法[14]，灰色系统分析法[15]以及神经网络分析法[16]等等。

2 预防公路边坡失稳破坏的技术措施

当公路边坡经过稳定性分析计算以后，对存在潜在失稳的边坡应采取相应的防护措施，以提高边坡的稳定性，防止边坡失稳破坏。公路边坡失稳的防护方法有多种，主要包括工程防护、植被防护及工程与植被防护相结合的生态防护(综合防护)等。

2.1 工程防护

边坡的工程防护类型较多，如抗滑桩、挡土墙、锚杆挡墙等。这些支档结构既能起到防护作用，又有稳固坡体的作用。

2.1.1 锚杆(索)加固

边坡锚杆加固就是利用锚固技术对坡体内潜在的失稳或者未来有可能失稳的滑体进行加固处理的一种边坡防护技术。锚固所施加的预应力通过主动改变边坡岩体的受力状态和滑动面上力的不平衡条件，来提高岩土体的整体性，同时增加滑动面上的抗滑力，从而实现加固边坡、提高边坡稳定性的目的。锚杆(索)加固方式对岩质边坡和土质边坡同样适用，对于地质条件复杂的边坡宜选用预应力锚杆(索)加固。

2.1.2 挡土墙

挡土墙是一种能够抵抗侧向土压力，防止墙后土体坍塌、滑坡，提高边坡稳定性的建筑物，在公路工程的路基边坡治理中得到了广泛应用。挡土墙作为一种比较常见的边坡支护模式，可应用于多种不同的地段：(1)路基位于陡坡地段；(2)岩石风化严重的路堑边坡地段；(3)为了避免大量边坡开挖以及降低切面高度的路堑地段；(4)可能发生滑坡或塌方的不良地质路段；(5)高填方地段；(6)长期受水浸泡或水流冲刷严重的沿河路基地段；(7)为节约用地，减少拆迁或少占农田地段[17]。

2.1.3 抗滑桩

抗滑桩又称之为锚固桩，是借助桩身与周边岩土体的共同作用，把滑坡推力传递到稳固地层的一种抗滑支挡结构，主要承受侧向荷载，适宜设置在滑坡体的前缘缓坡阻滑段或后缘段。抗滑桩适用于一些中、深层以及抗滑挡土墙难以治理的滑坡。对于某些高度>20 m的甚至更高的边坡来讲，边坡过高、过长、坡角易出现应力集中，如果恰逢地段的地质条件比较差，那么就应该考虑防止坡体坍塌的情况发生，这时就应采用抗滑桩来防治和加固，抗滑桩是一种能快速、经济、有效地处治滑坡灾害的支挡结构物[18]。

2.1.4 土钉支护

土钉支护是在原位土中布设较为密集的嵌固土钉，并在坡面构筑钢丝网、混凝土喷射面层，通过土钉、面层和原位土体三者共同发挥作用来支护边坡或边壁[19]。土钉墙适用于具有一定粘结性的粘性土、弱胶结的砂土、粉土以及碎石土等土质边坡，也可在山坡开挖层高于地下水位情况下使用。对于岩质边坡，当岩体切割破碎严重并存在滑塌可能的挖方边坡、或坡面风化作用严重的岩石坡体，也可采用土钉进行支护。

这些工程防护措施虽然能实现加固边坡和稳定边坡的目的，但它们的共同不足之处就是外观上的灰白效果不美观，且难以实现原边坡上的自然植被恢复，不能达到既防治水土流失又保护生态、美化环境的目的，与可持续发展的先进理念不相符。

2.2 植被防护

植被防护主要是利用坡面植物的地下根系加固坡体及地上茎叶保护坡面不受冲刷侵蚀。Maher and Gray[20]进行了大量的试验，证明生长在沙土中的少量根对沙土的抗剪有显著的强度。Martin Donat[21]根据植物根系对土壤稳定性的影响，提出了根系-土壤复合强度模型。Finn Krogstad[22]以植物生理学和生态学理论知识为基础，对植物根系中主根与侧根固土能力的力学机理进行了系统的分析，并建立了计算边坡稳定系数的模型。杜振东[23]利用有限元分析方法证明，草根的存在能够明显提高边坡的稳定性。植被防护主要有草皮护坡、行栽香根草护坡、喷射护坡[24]以及土工三维网植草护坡等多种技术[25]。

2.3 生态防护(综合防护)

生态防护是将工程防护与植被防护有机结合起来，共同进行边坡防护的一种综合性防护方式。生态防护技术通常采用混凝土、浆砌片石、卵石等材料做骨架形成框格，框格内采用植被防护措施。这种综合形式不仅能显著提高坡面的地表粗糙度系数，降低坡面径流速度，防止降水对坡面的冲刷、侵蚀，而且实现了坡面绿化，具有良好的景观效果。

2.3.1 锚杆混凝土框格植物防护

锚杆混凝土框格植物防护主要是利用植入边坡中的锚杆来增强混凝土框架的稳定性，然后采用在混凝土框架中进行人工植草、土工三维网喷播植草等方式进行综合防护。它既保留了锚杆对边坡的主动加固作用，能有效防止边坡经开挖或爆破后产生的破坏；同时其又借鉴了混凝土骨架植物防护技术，具有方便绿化、外形美观的优点，对土质边坡以及坡体中无不良结构面且风化破碎严重的岩质边坡同样适用。但其造价较高、施工难度较大。常用的锚杆混凝土框格植物防护模式主要有：锚杆混凝土框格+人工植草(喷播植草)、锚杆混凝土框格+土工三维网+喷播植草、锚杆混凝土框格+混凝土空心块+喷播植草等[26]。

2.3.2 混凝土框格植物防护

水泥混凝土(浆砌片石)骨架植物防护技术实际上是将长、大的边坡坡面划分成若干个由骨架支撑的小块土坡，采取分而治之的有效措施。它能有效防止边坡受到雨水冲刷、侵蚀，减小降水在土质坡面产生沟槽的可能，增强对风化层岩土体的稳固支撑，且具有规则的几何形状，外形美观，待骨架之间植物长起来后，绿白相间，视觉效果良好。该技术适用于边坡坡度缓于1∶0.75的土质边坡或强风化岩质边坡。其常见的主要形式有拱形骨架框格植物防护、方格(菱形)骨架框格植物防护、人字形骨架框格植物防护等形式[27]。

2.3.3 蜂巢式网格植物防护

蜂巢式网格植物防护是指在整治好的坡面上进行正六边形混凝土框砖拼铺形成蜂巢式网格，并在网格内进行植物绿化的一种边坡综合防护措施。蜂巢式网格植物防护具有造型美观、施工简便、耐久性和稳定性好、抗冲刷能力强等优点，主要适用于边坡坡度缓于1∶0.75的土质边坡以及风化作用严重的岩质边坡，在边坡高度不大的坡面防护中常被采用。

3 存在的主要问题

虽然我国在边坡稳定性分析和防护技术等方面的研究取得了丰硕成果，并在实践中得到了广泛的应用，但由于边坡问题自身的复杂性和现有研究方法手段的局限性，在公路边坡稳定性分析与防护技术方面仍然存在一些不完善之处，边坡防护技术还不能完全适应当今公路建设的发展要求，综合现阶段的有关理论及防护技术研究，存在的主要问题有以下几个方面：

(1)边坡稳定性评价方法自身存在不完善之处。定性分析方法的主观性强，不能客观反映边坡的时效变形和边坡变形的累积过程；定量分析方法为了解决一些问题而进行人为的简化，参数的选取也是按定值进行考虑的。

(2)对边坡变形破坏机理的认识不足。目前，对边坡失稳机理并未形成统一的认识，在边坡的稳定性评价中往往只注重计算，忽略了理解机理的重要性。而正确理解边坡的失稳机制是建立精确力学模型的基础。

(3)对边坡稳定性的智能化预测水平较低。目前的边坡稳定性评价大多数是静态评价，反映的是某一时刻的稳定状态，而边坡的稳定性问题是动态的，因此有必要对边坡进行全过程的动态监测，提高智能化预测水平。

(4)防护措施单一，针对性不强。目前专门针对公路边坡综合防护的研究较少，缺乏系统的防护方案、措施研究和综合设计；在实际工程中，不能根据公路边坡的具体类型及其稳定性情况，采取有针对性的防护设计和措施。尚未针对各种特殊的自然、地理环境和地质条件下的边坡开展专门性的防护研究，缺乏系统的综合防护设计理论与方法，未形成针对性的地区性防护措施。

(5)生态防护技术措施不完善，防护效果不佳。目前我国公路边坡生态防护方式大多是借鉴国外的模式，选用的植物种类以外来的牧草种居多，适应性差，植物养护成本较高，易出现外来物种入侵的现象，且草种单一，易退化，导致坡面人工植物群落的生态稳定性差；另外，选择植物类型时存在较大随意性，没有充分考虑当地的地质、土壤、气候等条件，违背了适地适树的原则；对各种技术措施的区域适应性缺乏深入的分析评价与试验研究，未形成地区性的典型植物防护形式，边坡防护投资大，固坡效果不佳。

4 结语

公路建设发展在国民经济中占据着越来越重要的地位，保持公路边坡的稳定性是保证公路能正常使用的前提。尽管我国在公路边坡稳定性分析与防护方面取得了许多研究成果，但在实际应用中仍然存在一些不足，需要进一步研究与完善。因此，建议今后应在以下几个方面进一步深入开展研究。

(1)针对边坡工程的岩土体参数及地质条件都具有多变性、随机性和模糊性等特点，应注重发展模糊分析方法。边坡工程的稳定性评价具有较大的随意性和不确定性，而模糊分析方法可以考虑影响边坡稳定的多种因素，并可以根据其影响大小赋予不同的权重。

(2)进一步加强实验研究，采用正确的分析方法，分析边坡的破坏机理，但是在实验过程中应注意扰动土与原状土的偏差以及计算参数的选取。

(3)随着数值分析方法的不断发展，可将不同的数值分析方法结合起来，充分发挥各自的优点，取长补短，以解决更复杂的边坡工程问题。

(4)应尽可能采用综合效益较好的生态防护技术(综合防护技术)，并深入开展针对各种特殊的自然、地理环境和地质条件的边坡防护研究，形成针对性的地区性防护措施。

(5)应加强边坡监测，尤其是要重视开展对边坡变形全过程的监测，为提高边坡稳定性分析和防护技术水平提供基础。

(6)在选择边坡的防护方式时，应在正确分析边坡失稳机制的基础上，采用科学的评价方法，合理选择针对性强、效果显著的防护措施。

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Highway Slope Stability Analysis and Protection Methods Overview

TU Mei-zhen1，ZHANG Zheng-xiong1，REN Chao2

(1.Fujian Agriculture and Forestry University，Fuzhou，Fujian，350002；2.Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou，Fujian，363000)

This article summarized and analyzed the basic principles，characteristics and application scope of current commonly used highway slope stability analysis methods，described three main technical measures to prevent the slope collapse，pointed out the main problems existing in the slope stability analysis and protection technologies，and discussed the development trend about the research on high-way slope stability analysis and protection and other relevant issues.

Highway slope；Stability analysis；Protection technology

涂美珍(1990—)，硕士生，研究方向：道路与建筑工程；张正雄(1961—)，教授，博导，主要研究方向：道路工程、建设工程环境影响评价；任 超(1988—)，硕士研究生，研究方向：道路交通规划与管理。

福建省高校产学重大项目(2010H6003)；福建省林业厅科学基金资助项目(闽林科[2012]函2号、闽林科[2014]2号)

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.001

1673-4874(2015)07-0001-06

2015-06-06