加筋边坡与加筋材料研究现状

潘昌树，敬小非，秦 梨，谢 丹，龚秀兰，张小顺

(重庆科技学院安全工程学院，重庆 401331)

0 引言

大量的铁路、公路在修建过程中会穿过不同构造的边坡，而边坡稳定性问题是岩土工程建设中难以避免的复杂问题，如隧道修筑，若不处理好隧道上方边坡的整体稳定性，隧道可能发生塌方事故，切断交通路线；路基边坡如未处理好边坡结构稳定性，易发生沉降、滑坡等事故。可见不同结构的边坡，变形破坏方式及在外力作用下的破坏机理会有明显差异。

据统计，2015年全国发生的8 000多起地质灾害事故中，有约6 000起为滑坡事故，占总数的68.3%(图1)。可见滑坡事故是地质灾害的常见类型，也是边坡事故最为频繁的形式之一。如2009年6月5日重庆市武隆县铁矿乡鸡尾山发生的特大山体滑坡事故，主要原因是该山体属于层状结构，具有软弱结构带和发育较好的岩溶，在长期降雨入渗和岩溶作用下加之附近矿山开采的影响，使得软弱带面积增大并产生较大外向视滑力，继而使几百万立方米危岩向下滑塌，导致26人死亡，87人下落不明(图2)。2015年11月21日，缅甸北部一玉石矿场附近因矿山开采的扰动影响加之持续降雨作用而发生山体滑坡，造成50间房屋被摧毁，75人遇难，100多人失踪。2015年5月18日，哥伦比亚安蒂奥基亚省因暴雨引发山体滑坡，摧毁附近多个村庄，造成83人死亡，数十人受伤，700多人无家可归。

图1 全国地质灾害分布(2015年)Fig.1 Distribution of geological hazards (2015)

图2 鸡尾山滑坡后地层分布Fig.2 The strata distribution of Jiwei Mountain after landslide

可见边坡事故是全球性、破坏性、灾难性的，对其进行深入研究亦是不可怠慢。为此，国内外学者对边坡加固进行了各方面的研究，以增强边坡的稳定性，为边坡防灾减灾工作打下基础。

1 加筋材料研究

加筋边坡是指原始边坡经不同加筋材料嵌入坡体加固后的复合边坡，此类边坡的安全性能远比原始边坡大。根据不同的加筋材料可分为土工格栅加固类边坡、土工织物加固类边坡及其他筋材加固类边坡。下面对不同筋材在边坡加固方面的研究进行阐述。

1.1 土工格栅

土工格栅是一种很好的加固材料，能有效减缓土体往外扩张的趋势。国内外不少学者对其应用于边坡加固进行了诸多研究，但总体可归纳为数值模拟和模型实验两大类。在数值模拟中以FLAC3D软件[1-3]和ANSYS软件[4]分析最为常见，研究学者以不同的模拟软件分析了土工格栅长度、间距、筋材强度等因子对加筋边坡稳定性的影响，进行了敏感度分析；同时也采用了不同的判据(塑性区贯通、突变点位移变化、计算不收敛)对加筋边坡对比分析。从这些研究中我们可以发现以下结论：(1)土工格栅可明显提高边坡在荷载作用下的稳定性，且随加筋数量和筋材强度的增加而增大；(2)加筋间距、顶部加筋材料埋深与荷载宽度的比值对加筋土质边坡的稳定性具有显著影响；(3)只要加筋材料的极限强度足够大，边坡便很难因土壤自身的强度损失而发生破坏。

而在模型试验方面，大多采用的是室内离心模型试验[5-8]，很少采用原型试验。对于含砂土层软土边坡，他们研究了砂层深度、加固层层数、筋材长度对边坡稳定性的影响；对于均质土坡，研究了坡度、格栅类型、筋带密度对边坡稳定性的影响，同时也研究了不同条件下(干燥、坡脚浸水)土工格栅加筋边坡的位移特性及土工格栅的应变情况。通过这些室内模型试验可以得出以下结论：(1)土工格栅可使加筋砂层允许沉降深度大幅减少，且砂-格栅系统的效率随土工格栅层数和长度的增加而增加；(2)浸水导致土体推移及地基沉降是边坡破坏的主要原因，而有无筋带的增设对浸水条件下边坡内土壤颗粒的位移特性并无多大影响；(3)加筋带的存在改变了边坡的位移场，使滑弧面往坡面后部移动；(4)单层加筋只会提高坡体的承载力，不会改变边坡的破坏形式，仍然会发生破坏。

在模型试验和数值模拟相结合方面，李波[9]通过研究边坡的水平位移及坡体沉降量对比分析了土工格栅加筋边坡的加筋机理及加筋材料对坡体稳定性的影响，发现无加筋边坡破坏位置发生在坡肩处，而加筋边坡的破坏位置发生在边坡1/6-1/3高度处。

上述分析可见，研究学者主要采用模型试验和数值模拟两大方法对土工格栅的物理因素及加筋效果进行分析，总结了土工格栅对边坡加固的作用效果，肯定了其应用于边坡加固的价值。

1.2 土工织物

土工织物在边坡加固方面的应用得到了不少学者的深入研究。D.V. Raisinghani[10]对加筋边坡进行渗流性能分析。发现土工织物可较好地提高低渗透边坡的稳定性，且铺设于边坡下半部分的加筋材料层对消散孔隙水压力具有重要作用。同时一些学者采用离心模型试验分析了土工织物加筋边坡的稳定性。A.N. Sommers[11]发现筋带之间的垂直距离越小，边坡所能承受的荷载越大。B.V.S. Viswanadham[12]发现不均匀沉降在1 m之内，加筋土结构不会发生垮塌。Yun Hu[13]发现只有加筋材料的长度大于边坡的有效加固长度，加筋材料才会起作用，而有效加固长度随高程的增加而增加，且受边坡倾角的影响较大。Ching Chuan Huang[14]发现脆性破坏与轻度加筋破坏面相关，延性破坏与重度加筋破坏面有关。

而常学宁[15]通过拉拔试验和三轴剪切实验研究了加筋机理，对加筋边坡进行了稳定性分析，发现加筋密度较小或单层筋带加筋时，采用界面摩擦加筋机理模型计算加筋边坡的安全系数更为可靠。数值模拟方面：魏红卫[16]和喻泽红[17]对土工织物加筋边坡屈服区的剪切特性和破坏模式进行了研究，发现加筋材料拉伸模量很小时，对于边坡加筋或不加筋或增加加筋密度没有多大区别，而当加筋材料模量较大时，无需增加加筋密度即可体现出良好的加固效果；且只有筋材模量与土体的弹性模量具有一定的匹配值才能更好地加固边坡，使边坡更为稳定。

可见学者们对土工织物的研究主要通过离心模型试验，其次是利用数值模拟以及其他方法。通过这些方法他们对土工织物的力学特性及加筋机理进行了系统分析，总结了土工织物材料特性对加筋效果的影响。

1.3 其他筋材

用于边坡加固的加筋材料除了土工格栅和土工织物以外还有许多，如Ting Kai Nian[18]、孙书伟[19]和A.H. Al-Defae[20]对抗滑桩进行了深入研究；发现无论是均质边坡还是含软弱带土质边坡，其破坏形式与微型桩的加固位置有着非常大的关系；边坡在地震作用下的变形受抗滑桩刚度特性、桩间距和滑动面深度的强烈影响。吕韬等[21]通过沥青处理竹筋，利用竹筋对边坡进行加固，并通过实际案例及数值分析验证了竹筋用于土质边坡加固的可行性。Saeed Alamshahi[22]分析了网格锚对构建在沙质边坡上的刚性条形基础承载力的影响。发现刚性条形基础的承载能力因网格锚网层的存在而急剧增加，且增加的幅度很大程度上取决于网格锚的分布。土工袋是近几年新起的边坡加固材料，王艳巧[23]通过相似模型试验，发现当加固宽度不变时，边坡坡度越陡，土工袋的加固效果越为明显；当坡度恒定不变时，加固宽度越大，边坡破坏面越深。废旧轮胎肆意堆放，将对环境造成严重影响，而李丽华[24]和杨超[25]将其应用于路堤边坡加固，研究了其加固路堤边坡的抗震性能。发现废旧轮胎能使边坡的稳定性大为提高，具备较强的抗震性能。边坡整体虽在加筋材料作用下增强了稳定性，但坡面仍会发生破坏。故在坡体内部铺设筋带的同时，应在坡面铺设类似面板的结构才能更好的加固边坡[26]。范刚[27]对预应力锚索加固边坡进行了地震性能研究，发现锚索轴力的变化体现了坡体稳定性的发展过程。

可见，应用于边坡加固的材料除土工格栅与土工织物外，还有抗滑桩、竹筋、网格锚、土工袋、预应力锚索等，部分筋材加筋示意图见图3。这些筋材都有其加固优势，对于不同类型的边坡可采用不同的筋材对其进行加固，以达到最优加固效果。

图3 筋材加固模型Fig.3 Reinforcement model

2 “筋-土界面特性”研究

对于图3(e)所示加筋材料的加固模型，在考虑加筋边坡稳定性问题时，筋-土界面特性是一个必不可少的关键问题，它是加筋材料与土体颗粒之间的力学特性关系，主要表现为两者之间的摩擦阻力限制土体往外扩张，使干燥土颗粒之间存在一种相互吸引力，以提高边坡的稳定性[28]。同时它受到许多因素，如筋材表面的粗糙程度，筋材的强度及弹性模量等因素的影响。因此对其进行有效分析才能更好的研究加筋边坡稳定性，筋-土界面特性可由摩擦加筋原理进行分析(图4)。对于这方面的研究周健[29]、刘动[30]及介玉新[31]通过相似模型试验或数值模拟做了大量研究，发现筋土界面处的应力场会严重影响界面处颗粒之间的作用方式；而且边坡加筋稳定性并非是筋带数量上的叠加效应；边坡的稳定性与筋-土界面特性有着很好的关系，随筋材模量的增加而增加，但当增加到一定数值后，改变筋材模量对提高边坡稳定性并无实质性的意义。

图4 摩擦加筋原理Fig.4 Friction reinforcement principle

董士杰[32]基于安全系数原理结合地震作用，提出了动点安全系数分析法分析加筋边坡在地震作用下的稳定性，发现筋土界面的稳定性及坡体的下沉量主要受地震的竖直应力影响。同时高文华[33]和温煦[34]采用FLAC3D研究了筋带密度和长度对土质边坡稳定性的影响，分析了筋-土界面处最大剪应力的发展规律。发现边坡破坏时滑弧面的形态随荷载加载位置及填料强度的变化而变化。

综上分析可知，对于加筋边坡筋-土界面特性的研究主要是国内学者在进行探索与分析，而国外少有学者对其进行研究。国内学者在研究界面处摩擦机理的同时也发现界面处的应力场会严重影响加筋边坡的整体稳定性。

3 加筋边坡稳定性分析方法

在分析加筋边坡稳定性方面，不同学者基于不同的理论提出了不同的研究方法。如蒋薇[35]、M. Khosravizadeh[36]、Ning Luo[37]和Emad Ghazavi Baghini[38]基于极限平衡理论，对水平条分法进行修正，以更好地确定滑弧面位置和形状，打破了传统思路。最后发现土工合成材料加固层增设于人工边坡中，可大幅度减少边坡破坏的概率；同时加固力随着水平地震加速度的增加而增加，而且随着边坡坡度的增加，破坏面的形状由曲线逐渐向平面发展。杨昕光[39]基于极限上限定理提出了一种分析地震工况下加筋土石坝稳定性的上限分析法，并通过该方法计算实际案例发现土石坝在加筋以后其抗震性能较未加筋条件提升了19%～20%，且加筋长度对抗震性能具有较大影响。Yi He[40]和Yufeng Gao[41]基于伪静态方法框架的运动学理论，结合 Newmark分析法提出了排桩加固边坡地震稳定性的三维极限分析法。同时发现对加筋土边坡使用二维稳定分析法产生的结果比考虑三维效应的结果更保守，在实际情况下，三维效应对所需加筋材料长度的影响可能会超过材料的拉伸强度。

庞聪[42]和季大雪[43]基于正交分析法采用GRNN神经网络法对影响加筋边坡稳定性的各因素进行了敏感性分析，将各因素的影响程度进行了排序，这对加筋边坡防护考虑主次因素具有很好的借鉴意义。董建华[44]提出了一种求解类锚固边坡地震稳定性的计算法，并通过实际案例验证了该方法的可行性，这种方法可以有效的计算边坡滑弧面的圆心，且可对锚固边坡在动力作用下的最小安全系数进行自动寻优，具有很好的科学意义。

可见，不同学者都在根据不同的理论或多学科交叉结合的方法对加筋边坡稳定性分析进行新方法探索，并通过实际案例进行了验证。这对加筋边坡稳定性分析的研究提供了新的思路，多学科交叉结合可能更利于分析边坡的稳定性。

4 加筋边坡研究之不足

通过上述分析可知，不少研究学者尽管在边坡稳定性、加筋材料、筋-土界面特性方面做了大量研究，同时也获得了卓有成效的成果。但是加筋边坡的稳定性评价理论及监测监控理论方面仍有诸多问题尚未解决，如海堤边坡加固后在波浪场作用下的位移场变化情况及坡脚受水流侵蚀情况；边坡内部复杂结构对其稳定性的影响；加筋边坡在降雨入渗作用下的稳定性及破坏机理；加筋边坡在多场耦合作用下的稳定性及破坏机理；不同气候条件下(温度极寒或极热)加筋边坡的稳定性评价；这些方面的问题均尚未形成规范的界定、甚至还未进行开发研究。而在边坡加固后的监测监控方面，监测指标及参数目前尚未明确的规范进行界定，仍处于萌芽期；加筋边坡的渗流场、位移场都是动态变化的，湿润锋深度、孔隙水压力大小等监测指标也都是不断发展的，如何现场布置观测点监测湿润锋变化规律及孔隙水压力与加筋边坡稳定性有机地联系起来也是目前应解决的问题。

同时分析上述文献可知，近几年在加筋边坡方面的研究(模型试验及数值模拟)主要针对土质边坡的加筋加固，而很少有对岩质边坡、类土质边坡坡体进行加筋加固研究，对这两类边坡的加固也主要针对坡面防护，可见岩质边坡及类土质边坡的模型试验研究是一项难点问题。而且过去的研究较为理想，未考虑到边坡中软弱带的存在，一味的加筋并未体现软弱带对边坡稳定性的影响，加筋位置应当进行研究，是将筋带铺设于软弱带上或边坡土体上效果较好，还是铺设于软弱带与边坡主体土壤界面处效果较好应当进行仔细研究；同时加筋的数量也得进行深入研究，过多的加筋必然会影响坡体内部渗流场的稳定，故边坡加筋加固并非数量上的叠加效应，应结合软弱带位置进行研究，以提出更好的加筋方案。结合以上研究之不足，对于加筋边坡应进行如下研究工作：(1)动荷载作用下加筋边坡的孔压及残余应变的演化特性；(2)不同雨强作用下加筋边坡的孔隙水压力及湿润锋变化规律；(3)含软弱带边坡的加筋方案研究；(4)多学科交叉理论在加筋边坡稳定性方面的研究；(5)多场耦合作用下加筋边坡的稳定性分析；(6)加筋边坡失稳判据分析；(7)建立地质灾害监测预警系统，通过专业监测系统、群防群测系统、信息系统对加筋边坡进行适时监控。

5 结论

本文对国内外学者在加筋边坡稳定性、加筋材料、筋-土界面特性、加固后监测系统等方面的研究进行了分析，得出了以下结论：

(1)国内外学者大多通过离心模型试验或数值模拟对边坡的抗震性能进行研究，而很少有见研究学者对加筋边坡在渗流作用下的稳定性进行研究，可见加筋边坡降雨工况稳定性研究是一发展趋势。

(2)对于加筋边坡稳定性研究方面，国内外学者大多研究单场(地震场、条形荷载场等)作用下的稳定性，很少有对其进行多场、多因素耦合作用下的稳定性分析。

(3)国内外研究学者虽对加筋边坡的加筋材料(土工格栅、土工织物、抗滑桩、纤维网等)进行了一系列研究，但未将这些不同类型的筋材进行对比分析，总结何种筋材适用于何种类型的边坡加固。

(4)对于筋-土界面特性方面的研究，研究学者大多以相似模型试验或数值模拟单方面对界面进行分析；而这两种方法均存在不同的缺点(模型试验：存在尺寸效应；数值模拟：一些环境因素无法模拟)，应结合这两种方法的相互验证对加筋边坡进行研究。

(5)目前很少有研究学者对加筋边坡的监测监控系统进行分析，而加固并不等于绝对稳固，亦可在恶劣条件下发生破坏。因此，应进行加筋边坡监测监控方面的研究，才能更好地落实边坡防灾减灾工作。

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