巖土工程邊坡的穩定性及其設計分析

龍文武

貴州省銅仁公路勘察設計院有限公司 貴州 銅仁 554300

目前我國巖土工程邊坡支擋措施存在著一定的不足，特別是在巖土邊坡穩定性控制方法上，需要進一步進行優化與改進[1]。巖土邊坡穩定性的控制效果達不到設計的預期要求，可能導致巖土工程的整體穩定性安全儲備不足，從而導致巖土邊坡工程存在一定的安全隱患[2]。勘察設計單位應該強化巖土邊坡勘察作業，收集真實的一手資料，選用合理的巖土邊坡穩定性分析方法，有效掌握巖土邊坡地質結構的變化特點和規律，設計合理的邊坡支擋方案，全面保障巖土邊坡的安全性，同時使工程建設的安全性、耐久性得到了保障。

1 巖土工程邊坡穩定性分析

分析和研究巖土邊坡穩定性能夠為工程建設提供可靠的地質條件參考數據，幫助工程設計人員提供合理的勘察設計方法，保障設計與實際情況相符合。目前我國巖土邊坡穩定性分析主要使用定性分析法、定量分析法和隨機分析法，不同的分析方法針對的內容存在差異，因此需要根據巖土邊坡的具體特點和實施的設計方案進行詳細分析[3]。本章將對這些方法的具體應用方式進行分析和研究。

1.1 定性分析法

定性分析法明確了分析的對象和內容，有著嚴格的分析程序，分析結構可靠性較高。定性分析法主要研究了巖土邊坡的歷史形成因素和條件等，通過特定的分析方法獲得巖土邊坡的各項數據，結合這些數據總結巖土邊坡的特點和變化規律。定性分析法主要包括歷史成因分析法、地質對比分析法、赤平極射投影法以及專家系統分析法。歷史成因分析法的研究內容主要包括兩項，一是研究邊坡地質結構特征和邊坡構造，二是研究邊坡坡形、坡高、坡體變形情況[4]。從研究內容來看，歷史成因分析法更適合自然斜坡，由于這類斜坡形成過程很少受到人為干擾，所以能夠通過巖土邊坡的結構特點等掌握巖土邊坡的變化規律，為工程建設提供可靠的巖土設計參數；地質對比分析法的重點是對各類巖土邊坡結構特點進行對比，通過研究巖土邊坡的相似性掌握各類巖土的特征。例如，兩個工程建設區域的巖土邊坡在結構方面存在著很強的相似性，說明巖土邊坡的性質可能存在相似性，設計時可以提前制定預防措施，避免巖土邊坡出現塌方的問題。這種研究方法的優點在于通過總結巖土的結構和組成特點對具有相似結構和組成的巖土穩定性進行研究，從而為工程設計提供更多可靠的參考；赤平極射投影法的主要研究對象是巖土邊坡的不穩定結構，一些巖土結構內部可能存在應力作用，在應力作用下巖土內部發生形變，邊坡開挖時巖土結構穩定性被打破，巖土內部應力釋放，導致巖土邊坡發生崩塌，從而帶來安全威脅，通過這種方法分析巖土結構的受力特點，將巖土受力結構進行建模，結合受力特點制定邊坡支擋方案，可以有效防止邊坡出現塌方與滑坡；專家系統分析法是一種基于計算機系統的分析方法，這種方法的優勢是通過計算機對巖土邊坡結構和受力特點等進行建模，計算機系統能夠將巖土邊坡的三維應力模型展示，巖土工程設計人員結合三維模型設計施工方法，并在計算機中模擬施工方法，并不斷改變施工方法，做到動態設計，這種分析方法的優勢在于能夠通過計算機發現巖土結構中存在的不穩定性因素，采取措施對巖土邊坡穩定性進行控制。

1.2 定量分析法

定量分析法更適合對巖土邊坡的具體條件進行研究，進一步分析和獲得巖土的性質。這種方法的特點通過各類計算方法對巖土條件數據進行計算，分析計算結果后總結巖土的性質。定量分析法主要包括極限分析法、平衡分析法、數值分析法。極限分析法研究的重點內容是巖土在極限狀態下的剛塑性特點，例如在外界應力不斷提升的條件下巖土結構穩定性達到極限平衡，在降水天氣下受到水流影響后巖土能夠承受的最大應力等。研究時經常將巖土放置于極限狀態下，收集不同條件下巖土的穩定性參數。極限分析包括下限和上限，這是確定巖土穩定性范圍的重要指標，掌握巖土邊坡承受荷載達到極限后，巖土工程設計人員可以對巖土邊坡形態進行動態調整，使巖土邊坡能夠保持在穩定的狀態下，避免其發生形變并帶來安全問題；極限平衡分析法的研究重點是巖土在各類工況環境下的穩定性，如強降雨天氣、高寒氣候或大風天氣等，這些研究是長期性的，需要收集的數據也很多，研究時常用的方法有瑞典條分法、簡布法、簡化畢曉普法和斯賓塞法等，這些分析方法適用的條件不同，研究的對象也不同。但是總體來看，這些分析方法對于工程建設人員掌握巖土的具體性質發揮了關鍵的作用；數值分析法是一種傳統的分析方法，但是在現代技術支撐下得到了優化。計算機技術發展推動了數值計算理論的發展，數值分析法的重點是通過研究巖土各項數據指標總結巖土邊坡穩定性，這種分析方法的優勢是分析結果準確性高、分析效果好，能夠避免人為計算錯誤。商散元法、拉格朗日法、有限單元法和不連續變形分析法是分析數值過程中常用的方法，這些方法的組合應用可以獲得良好的分析結果，通過這些分析結果調整巖土邊坡的設計方案，從而更好為工程施工服務。

1.3 隨機分析法

隨機分析法是研究巖土邊坡的不確定性質的一種方法，這種方法需要借助于計算機設備進行操作，在計算機分析模型中輸入相關數值，系統能夠模擬巖土邊坡可能出現的隨機性的問題，從而為工程設計提供穩定的巖土性質參數。隨機分析法主要包括可靠性分析法、模糊分析法、建模分析法和灰色預測分析法。可靠性分析法是對巖土結構可靠性進行研究的一種方法，這種方法的核心是隨機取樣，持續研究巖土的穩定性，分析和預測巖土結構可能發生的問題。該方法可以預測巖土邊坡形變規律，將巖土形變帶來的影響降低，進一步確保巖土工程的安全性。巖土結構安全系數研究是可靠性分析的關鍵，通過對大量的巖土數據進行解析，能夠發現巖土結構可能存在的安全隱患問題，結合相關問題形成原因制定解決措施，這樣能夠有效地預防巖土安全事故發生。模糊分析法也是一種用于預測巖土結構穩定性的方法，上世紀80年代模糊分析法出現西方國家，研究人員將這種方法應用在巖土性質研究方面，該方法的優勢在于計算機能夠對大量數據進行數理，通過對比數據找出同類巖土結構變化的差異，進而掌握巖土的主要變化規律。模糊分析法主要通過概率假設、雙狀態假設和猜想的方法預測巖土變化規律，這種方法是基于大量巖土變化規律數據的分析方法，通過比對大量數據分析這些數據的差異性，然后進行建模分析，獲得可靠的猜想數據；建模分析法也是一種智能化的分析方法，這種方法主要用于巖土內部結構變化分析，例如巖土內部結構空洞分析，計算機能夠將巖土性質數據轉化為巖土結構模型，并將巖土內部結構通過三維的模型展示，人們通過觀察巖土三維結構模型能夠對巖土產生進一步的了解，如果發現巖土存在空洞，可以采取預防措施，避免巖土出現塌方，這種方法的優勢是工程設計人員能夠在立體的模型中對巖土的特點和變化規律進行分析，設計合理的實施方案，將巖土結構不穩定帶來的影響降低；灰色預測分析法是一種通過灰色預測系統進行分析的方法，這種方法能夠經巖土結構數據之間的關聯系找出，通過巖土結構關聯性獲得巖土變化的具體情況，然后將各個影響因素放在一起進行綜合考慮，總結巖土的性質和結構特點，并對各項影響因素可能帶來的后果進行預測，幫助巖土設計人員更好地對巖土邊坡設計方案進行優化。

2 巖土工程邊坡穩定性設計

巖土工程邊坡穩定性分析、計算關系到工程實施的安全和質量，因此必須合理地對巖土邊坡進行控制。目前巖土工程中主要采取加固和防護兩種方法對巖土邊坡結構進行控制，提升巖土邊坡的穩定性。防護方法主要應用于穩定邊坡中，這類邊坡的地質結構穩定，應力分布均勻，很少發生形變。而加固方法則用于邊坡缺乏穩定性的巖土中，加固的方法不同，加固的效果也不同。除了這些防護措施之外，目前研究人員也在研究生物控制方法，旨在通過更為有效的方法對巖土邊坡進行設計，提升巖土邊坡的穩定性。本章將對加固和防護這兩種控制方法的應用進行分析和研究。

2.1 加固設計方法

加固方法在一些巖土地質結構缺乏穩定性的環境下應用，這類巖土一般非自然形成或自然形成過程中受到外界因素影響較多，內部無法形成牢固的整體，或巖土顆粒自身不具有穩定性，因此需要采取加固的處理方式進行處理。加固處理主要包括抗滑樁設計、預應力錨索設計、加固錨設計等。抗滑樁設計方法主要針對容易發生滑坡的松散巖土，將抗滑樁放置在穩定的巖土內部，能夠防止邊坡下滑，起到良好的加固效果。抗滑樁主要由鋼筋和混凝土組成，使用不同數量的鋼筋和不同等級的混凝土能夠起到不同的抗滑作用，在不同坡度和面積的巖土邊坡使用的抗滑樁尺寸也不同。抗滑樁設計方法的優勢是能夠起到良好的抗滑作用，但是造價高投資較大。在邊坡滑坡治理工程中，錨索抗滑樁應用相對較為廣泛，這種方法是通過錨索和抗滑樁組合的方式進行加固，可以防止巖土發生大規模的塌方，比抗滑樁承載能力更強，缺點也是需要投入大量的資金。除了以上的設計方法外，還可以使用抗滑樁和貼板組合，這種方法可以起到良好的抗滑效果，而且能夠阻擋小型的碎石等滑落。預應力錨索設計方法是一種處理單斜構造巖石邊坡的加固設計方法，可以對巖石邊坡起到良好的防護效果，提升巖石邊坡的穩定性，降低巖石滑落帶來的威脅。預應力錨索設計方法的缺點是無法計算出落石下落后對錨固體張拉力的大小，如果落石產生的應力作用過大，可能導致錨索結果受到損壞，因此設計前需要對巖土邊坡進行勘察，掌握巖土的主要特點，設計時按照最大應力條件進行設計。錨索錨固段一般都是與巖體連接，在穩定的巖體中進行加固，利用錨索和巖體之間的應力作用實現加固。施工時需要在巖體中進行鉆孔，然后將錨索插入孔位中，使用水泥砂漿進行注漿加固處理，使錨固體和地層能夠形成良好的連接。這種方法利用了巖體的自然優勢，如果巖土發生大規模的塌方，錨索也能減緩塌方速度，從而降低塌方帶來的損失。錨索加固方式有多種，其中一種是通過錨桿和鋼索進行加固的方法，這種方法主要應用于一些存在落石的巖土中，在巖土邊坡的下方安裝加固錨網，錨桿使用高強度的剛性材料，鋼索使用韌性較強的材料，將鋼索安裝在錨桿上，形成網狀結構，如果出現落石錨網能夠將落石阻攔或減緩落石的速度，防止落石帶來安全事故。

2.2 防護設計方法

防護設計方法的作用是防止巖土邊坡出現塌陷，在一些巖土性質穩定的環境下應用廣泛。防護需要借助于各類高強度的防護材料，這些防護結果通常被用在巖土的表面或下部區域，不同設計方法起到的防護效果也不同。網格護坡防護、混凝土護坡防護和生物防護方法非常常見，選擇具體的防護方法時應該根據巖土邊坡的特點進行設計。網格護坡是在巖土邊坡上設置網格防護裝置，網格材料有繩索、鋼索等，繩索等主要在一些土質環境下應用廣泛，能夠防止巖土表面的土層掉落，鋼索防護裝置主要用于一些存在巖石較多的邊坡中。此外，也可以在巖土邊坡中安裝網格體，將巖土邊坡分割成多個分布，在其中種植一些綠色植物，通過植物的方法進行防護，也能起到很好的綠化防護效果；混凝土護坡設計方法在風化嚴重的巖土邊坡防護中應用廣泛，一些護坡長期受到風蝕、水浸和日曬，結構發生變化，受到外力作用后發生塌陷，針對這種地質結構，一般使用混凝土噴射方法處理，將攪拌好的混凝土噴射到巖土邊坡表面，凝固后形成堅硬的外殼，能夠避免巖土邊坡繼續受到風化，從而形成良好的防護。這種處理方法適合巖石結構比重較大的護坡，不適合用于一些土質的巖土邊坡，處理時應該格外地注意這一事項。生物防護法方法應用廣泛，這種處理方法的核心是利用植物加固巖土邊坡，在巖土邊坡周邊種植一些環境適應力強的植物，從而形成防護。防護植物一般以根系發達的植物為主，這些植物的根系能夠深入到巖土內部，在巖土邊坡內部形成網狀的結構，從而提升巖土邊坡的穩定性。此外，有時也會使用一些灌木植株，這些植物的特點是低矮，但是分布較為密集，能夠將巖土邊坡的表面覆蓋，出現降水天氣后能夠將水分鎖住，避免巖土邊坡在雨水的沖刷下發生滑坡問題，提升巖土邊坡的穩定性。

3 結束語

總而言之，巖土工程對于我國工程建設行業的發展有著重要的意義，研究巖土邊坡的結構和變化特征能夠為工程建設領域提供可靠的巖土邊坡數據，從而結合巖土邊坡的特點制定防護或加固措施，提升巖土邊坡的穩定性和安全性，保障工程建設質量。對巖土穩定性進行分析需要掌握巖土的基本結構數據，并通過各種分析模型進行分析，預測出巖土可能發生的結構問題，結合相關問題制定解決方案。因此巖土工程技術人員應不斷強化對巖土邊坡特點和運動規律的研究，通過研究其特點和運動規律為工程建設提供可靠的巖土數據。