山区道路边坡安全控制技术发展综述

毛玮芸

摘 要：随着经济的快速发展和基础建设的完善，将面临着越来越多的山区道路边坡问题。基于平原道路边坡的相关研究已经比较深入，该文从道路改扩建工程、边坡稳定性、边坡检测技术等方面的研究现状进行分析，探讨了山区道路边坡安全控制技术的发展。研究山区道路边坡安全控制技术对于工程建设具有重要的意义。最后，对于未来的道路边坡研究提出了几点建议。

关键词：山区道路 边坡 安全控制

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）02（b）-0038-03

我国山地面积占整个国土面积的70%，大量的自然边坡存在我国的山地之中。中国正处于快速的发展时期，大量基础工程设施的建设，如铁路公路、水电枢纽及矿山等，会给工程技术带来大量的高边坡工程。如何在道路的改扩建过程中对边坡进行监测，减小对既有边坡的不利影响，是决定山区道路工程安全及工期的主要因素，也是道路改扩建工程中的技术难题之一。目前，科研工作者对于平原地区道路边坡安全控制的问题进行了深入的研究，取得了一定的成果。但是对于山区道路边坡安全控制的问题，相关研究很少。山区道路边坡稳定性与平原道路相比，受到更多因素的限制。

1 道路改扩建工程研究进展

因国外道路在修建时在规划设计过程中考虑较为全面，不存在后期运营中交通量过多、拥堵等问题，故对道路改扩建问题的相关研究较少，但总结个别案例，仍然可以从中吸取少许宝贵的经验及成果。

美国的Deschamps[1]等人在1999年通过对拓宽的道路路基进行探究，分析了由于新老路基沉降不均匀产生的变形和路基边坡失稳的原因，总结了路基拓宽失败的主要原因：降雨、对新路基的压实不足和开挖不合理等造成了路基软化。日本、美国、德国等制定了关于道路改扩建的设计施工规范[2-4]，有效地解决了新老路基差异沉降、边坡稳定性等问题。

对于道路的改扩建，国内学者也做了诸多研究：白玉凤[5]研究了不同施工时间段、不同施工方式和不同施工条件下的道路安全状况，找到了进行高速公路改扩建工程时施工难度相对较大的时间和位置，并阐述了不同条件下施工安全注意事项。周志刚等[6]在施工现场进行试验，通过监测路基沉降、路面弯沉等相关数据，进行有限元模拟分析，得出结论：将土工格栅铺设在新老路基交界处可以有效改善填土的各项性能指标。

2 边坡的稳定性评价研究进展

边坡的稳定性是公路改扩建施工的基础，其失稳破坏的根本原因在于岩土体的剪应力大于抗剪强度。当前对边坡稳定评价主要为定性分析和定量分析两种方法，但两种分析方法都有一定的局限性。定性分析不能给出量化的结果，而定量分析又将一些边界条件进行了简化。国内外关于边坡稳定性进行了大量的研究，探究边坡稳定性和相关经济合理性。

国内研究中，何忠明等[7]使用FLAC软件对开挖软岩边坡的过程中塑性区分布、变形、安全系数的改变以及不同处理措施下的支护效果分别进行计算分析，探究不同条件下的边坡稳定性。结果表明：开挖过程中，边坡的剪切和张拉塑性区分布主要集中在边坡表层2～4 m范围内，且随着深度的增加边坡安全系数降低；通过采用全长注浆锚杆进行边坡支护措施，可以有效地控制边坡变形。杨洁[8]提出了一种新的边坡稳定性评价方法。将可靠度理论应用于动力边坡稳定性分析，探究不同工况下土石坝的可靠度变化规律。国外研究中，Zienkiewicz[9]等首次将强度折减系数概念引入到弹塑性有限元数值方法中，提出了关于土质边坡稳定分析的折减弹塑性有限元方法。Ugai[10]使用强度折减有限元法对倾斜边坡、直立边坡、非均质边坡及存在孔隙水压力的复杂边坡的稳定性进行了较为系统的研究。Matsui和San[11]以剪应变作为边坡破坏评判指标，基于Duncan-chang双曲线非线性模型，利用强度折减理论和有限元法，研究开挖边坡的稳定性。

在边坡的稳定性分析方面，国内外人员已做了许多的深入研究，但关于山区交通道路可能存在高边坡问题特别是因路基路堑的扩宽引起的失稳相关研究较少，缺乏相应的理论研究。

3 道路的沉降对边坡稳定性影响规律研究进展

在道路的改扩建过程中，可能会出现新老路基存在差异沉降的现象，差异的沉降使得新老路基结合处产生纵向裂缝，不仅可能会导致更多路基和路面病害，而且影响了行车的舒适性和安全性，严重影响公路的经济和社会效益。

基于以上问题，Wu.T.H[12]通过室内人工方式设置新老路基间的工后差异沉降，进而模拟路基拓宽所造成的新老路基变形情况，探究拓宽改建工程中新老路基差异沉降的影响规律。黄琴龙[13]认为路基拓宽工程中新老路基间施工后差异变形会导致病害的产生，通过进行室内试验和相应的有限元数分析，探究沥青路面在路基差异条件下的结构改变规律。钱劲松[14]通过研究老路拓宽差异沉降的研究現状，指出了当前计算方法的不足之处，通过对老路拓宽工程进行非线性的有限元分析，总结了施工后差异沉降的规律，并且根据试验结果对老路拓宽相关的设计提出改进方法。章定文[15]提出原有路堤及地基的应力场和应变场会由于道路扩建过程中使用加宽路堤填筑而变化，进而导致了老路的附加差异变形。他使用弹塑性有限元参数分析方法探讨了不同软土层厚度、不同加宽路堤宽度、不同的新老路堤刚度比时加宽路堤的填筑对老路变形规律的影响。在设计公路改扩建所产生沉降的相关研究中，大多数研究人员将研究重点放在了公路的路面开裂上，进而探究沉降原理和影响因素，而忽视了道路可能存在的环境条件，关于山区道路这一特定条件下的公路扩建所引发的道路沉降，以及沉降所引发的边坡失稳研究不足。

4 边坡监测技术及装备研究进展

长期以来人们对边坡的监测给予了高度的重视，边坡监测己成为掌握边坡动态、确保工程安全、了解失稳机理和开展边坡稳定性预警预报的重要手段。

目前，国内外边坡变形主要采用的监测方法是：坡表测量（测距仪、全站仪、水准仪、经纬仪等）、光纤位移测量（OTDR，BOTDR-Brillouin Optical Time Domain Reflect ometry）、坡体内部测量（水压监测仪、钻孔倾斜仪和锚索测力计等）、位移计、GPS测量技术、红外遥感监测方法（SAR），激光微小位移监测技术、声发射技术、合成孔径雷达干涉测量（SAR interferometry）、时间域反射测试（TDR）技术和闭合法等。边坡安全监测已被规定为重要工程边坡设计和施工的主要环节，边坡安全监测开始全面快速的发展，主要体现在：对安全监测的内涵及其对工程意义的理解和认识更加全面、深入；监测设备功能丰富，监测范围大，数字摄影、GIS、GPS等现代化技术手段在边坡监测中不断推广应用；数据处理智能化并且通过数据动态管理实时监测、安全预警，甚至实现可信度较高的预测功能。但这些方法不同程度地受一些因素的制约：GPS监测需要设置信号，可能会由于大气层和电离层等电波的干扰而产生信号延迟，同时周围环境的电磁波可能会干扰接收信号精度，不适合应用在早期预警或者小形变量的测量；红外遥感监测则受电波、电磁波的影响，不能进行连续监测，受外界地形地貌的影响比较严重，同时还受外界电波的干扰；光纤位移监测只是进行表面测量、对边坡进行测量，受边坡外部结构的影响，将产生变形。

5 结语

为了保证山区道路的畅通与安全，对山区道路边坡安全控制技术的研究十分必要。山区道路改扩建过程中边坡力学响应特性及智能监测与灾害控制技术是面临且需要解决的关键技术问题，对于这些基础理论和应用技术的研究，尚存在一下具体的问题有待进一步的探讨和研究，主要包括以下几个方面。

（1）山区道路的改扩建研究处于较为空白的阶段，道路的改扩建工程对周边环境边坡的研究存在不足，而边坡的稳定性与施工安全息息相关，有待进一步研究。

（2）对于山区道路高边坡的稳定性分析方法已有较为充分的研究，但是对其道路的沉降与边坡支护的影响涉及情况较少，对道路高边坡在改扩建过程中所受的影响需要进一步分析论证，边坡对于路基沉降与支护的撤离的响应特性有待研究。

（3）针对山区道路边坡这种复杂的岩土工程，需要根据作业性质进行合理的监测方案选取，目前缺少对道路边坡稳定性提供一种安全有效的监测方案和设备。

参考文献

[1] Richard，Hynes C，Bourdeau P H.Embankment Widening Design Guidelines and Construction Procedures[Z].1999.

[2] Fannin R J，Sigurdsson O.Field Observations on Stabilization of Unpaved Roads with Geosynthetics[J].Journal of Geotechnical Engineering，1996，122（7）：544-553.

[3] Yogendrakumar M，Bathurst R J，Finn W D L. Dynamic Response Analysis of Reinforced-Soil Retaining Wall[J].Journal of Geotechnical Engineering，1992，118（8）：1158-1167.

[4] Wilson-Fahmy R F，Koerner R M，Sansone L J.Experimental Behavior of Polymeric Geogrids in Pullout[J].Journal of Geotechnical Engineering，1994，120（4）：661-677.

[5] 白玉鳳.高速公路改扩建的交通安全研究[D].西安：长安大学，2008.

[6] 周志刚，郑健龙，李强.土工格网处理填挖交界路基非均匀沉降的机理分析[J].岩土工程学报，2002，24（5）：576-579.

[7] 何忠明，彭振斌，曹平，等.双层空区开挖顶板稳定性的FLAC3D数值分析[J].中南大学学报：自然科学版，2009，40（4）：1066-1071.

[8] 杨洁，杨上清，肖盛燮.强震边坡动力响应及安全系数计算[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2011，30（2）：277-281.

[9] Zienkiewicz O C，Humpheson C，Lewis R W.Associated and non-associated visco-plasticity and plasticity in soil mechanics[J]. Géotechnique，1900，25（4）：671-689.

[10] Ugai K.A method of calculation of total safety factor of slope by elasto-plastic FEM[J]. Soils&Foundations，1989，29（2）：190-195.

[11] Matsui T，San K C.FINITE ELEMENT SLOPE STABILITY ANALYSIS BY SHEAR STRENGTH REDUCTION TECHNIQUE[J].Soils &Foundations，1992，32（32）：59-70.

[12] Wu T H.Effectiveness of tensile reinforcement in alleviating bridge approach.Geosynthetics89 conference[Z].San Diego，1989.

[13] 黄琴龙，凌建明，钱劲松.新老路基工后差异变形对路面结构的影响[J].同济大学学报，2005，33（6）：759-762.

[14] 钱劲松，孙力彤，管旭日.老路拓宽差异沉降计算的研究[J].兰州交通大学学报，2003，22（4）：91-94.

[15] 章定文，刘松玉.高速公路扩建工程中新路填筑对老路影响的参数分析[J].公路交通科技，2006，23（7）：31-34.