邊坡防治設(shè)計
2013-12-18
邊坡防治設(shè)計
一、邊坡工程現(xiàn)狀與發(fā)展
?。ㄒ唬┻吰鹿こ踢M(jìn)步和發(fā)展
在土木工程生產(chǎn)實踐活動中，隨著鐵路、公路、庫區(qū)或場地等工程的建設(shè)和發(fā)展，涉及了大量的邊坡工程技術(shù)課題，工程技術(shù)人員積極應(yīng)用有關(guān)工程地質(zhì)學(xué)、巖體力學(xué)、巖土工程學(xué)和土力學(xué)等學(xué)科的知識和成果，積累了豐富的邊坡工程經(jīng)驗，在理論和實踐兩方面都取得了長足的進(jìn)步和發(fā)展。
近年來，隨著高速公路建設(shè)向山區(qū)延伸和發(fā)展，由于其技術(shù)等級較高，且我國山區(qū)地形條件困難、地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)環(huán)境背景脆弱，深挖高填十分普遍，邊坡工程問題日益突出。同時也遭遇了不少邊坡工程失敗和損失。
?。ǘ┞穳q邊坡工程設(shè)計現(xiàn)狀
設(shè)計現(xiàn)狀有以下特點(diǎn)：具有數(shù)量集中、種類較多、性質(zhì)繁雜、勘查不足等特點(diǎn)，但又存在一定的場區(qū)或區(qū)段規(guī)律；有別于重點(diǎn)復(fù)雜的邊坡工程設(shè)計；缺乏實用的勘察設(shè)計工作程序和細(xì)則；直接危害公共安全，顯著影響工程造價。
?。ㄈ┘夹g(shù)路線和實施對策
主要從以下幾個方面進(jìn)行考慮：明確邊坡工程實用類型，抽象和歸納邊坡工程地質(zhì)模式，分析和研究其相關(guān)變形破壞機(jī)制，建立邊坡穩(wěn)定性分析計算方法，提出邊坡坡形坡率設(shè)計原則和方法，建立相應(yīng)防護(hù)加固工程措施或?qū)Σ撸M(jìn)行動態(tài)設(shè)計與信息化施工。
（四）動態(tài)設(shè)計總體思路
設(shè)計總體思路如下：高邊坡工程檔案（預(yù)設(shè)計文件、地勘資料），高邊坡工程地質(zhì)調(diào)查（地形、地質(zhì)、地下水等），防護(hù)加固工程方案（邊坡類型、坡形坡率、穩(wěn)定性分析計算、防護(hù)加固工程對策），現(xiàn)場校對和重點(diǎn)核查，施工圖設(shè)計與審查，動態(tài)跟蹤與設(shè)計調(diào)整，竣工穩(wěn)定性評價。
二、邊坡工程實用分類
共分為以下幾類：土質(zhì)邊坡，巖質(zhì)邊坡，二元結(jié)構(gòu)邊坡，復(fù)合結(jié)構(gòu)邊坡。
?。ㄒ唬┩临|(zhì)邊坡
土質(zhì)邊坡可分為：純土質(zhì)邊坡（均質(zhì)或似均質(zhì)）和類土質(zhì)邊坡（非均質(zhì)）。
?。ǘr質(zhì)邊坡
巖質(zhì)邊坡可分為：巖石邊坡，破碎巖石邊坡，順層巖石邊坡。
?。ㄈ┒Y(jié)構(gòu)邊坡
二元結(jié)構(gòu)邊坡可分為：陡傾接觸邊坡，緩傾接觸邊坡，破碎接觸邊坡。
?。ㄋ模╊愅临|(zhì)路塹邊坡
類土質(zhì)路塹邊坡可分為：坡殘積土邊坡，風(fēng)化土邊坡，崩滑流堆積邊坡，復(fù)雜結(jié)構(gòu)邊坡。
三、工程地質(zhì)模式（坡體結(jié)構(gòu)）
?。ㄒ唬┢職埛e土邊坡工程地質(zhì)模式
1.坡體結(jié)構(gòu)由上覆坡積土層和下伏殘積土層所組成，坡體變形和破壞一般體現(xiàn)上覆坡幾層沿下伏殘積層的坍滑變形和破壞。這種情況一般其接觸面傾角25°～30°。
2．邊坡坡面揭露地層為坡殘積層，其下基座為基巖（邊坡刷方線以下），組成坡體的坡殘積土層，常常發(fā)生沿基巖頂面的變形和破壞。在這種情況下，基巖頂面產(chǎn)狀一般順傾坡面，傾角為20°～25°。
3．邊坡主體由坡殘積土層及下部風(fēng)化土層組成，如果設(shè)計坡率較陡，或者因為持續(xù)暴雨作用，在防護(hù)工程不及時的情況下，容易產(chǎn)生局部臺階坍塌變形和破壞，甚至有可能在地下水的長期作用和影響下產(chǎn)生較大規(guī)模的滑動變形和破壞。
?。ǘ╋L(fēng)化土邊坡工程地質(zhì)模式
1.邊坡開挖切削巖層風(fēng)化殼，一般為全強(qiáng)風(fēng)化土層，經(jīng)常發(fā)生風(fēng)化殼土層依附其下伏相對風(fēng)化輕微巖層表面的滑動變形和破壞。這種情況，在花崗巖地區(qū)或凝灰?guī)r地區(qū)較為常見；不均勻風(fēng)化界面容易形成地下水和粘性物質(zhì)的聚集，在特定的形態(tài)組合下產(chǎn)生變形和破壞。
2．邊坡主體由坡殘積層及強(qiáng)風(fēng)化土層組成，局部夾強(qiáng)至中風(fēng)化巖體，由于地質(zhì)構(gòu)造作用和影
響，常見一些強(qiáng)烈風(fēng)化軟弱帶，如果其產(chǎn)狀傾向坡面，在邊坡開挖切削坡腳支撐并致使其軟弱帶臨空暴露的情況下，極易產(chǎn)生上覆風(fēng)化巖土體沿其下伏基巖頂面產(chǎn)生較大規(guī)模的滑動變形和破壞。
3．邊坡主體由坡殘積土層及砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層組成，由于其原巖結(jié)構(gòu)面發(fā)育，常見一組或多組陡傾角和緩傾角裂面長大貫通，并存在傾向臨空的緩傾角結(jié)構(gòu)面，在各不利結(jié)構(gòu)面的組合作用下，經(jīng)常發(fā)生陡緩裂面切割塊體沿其下伏緩傾角裂面的變形和破壞。
?。ㄈ┍阑鞫逊e邊坡工程地質(zhì)模式
1．邊坡主體由崩坡積體組成，根據(jù)崩塌地質(zhì)現(xiàn)象的特點(diǎn)與規(guī)律，崩坡積體的自然穩(wěn)定坡角一般為35°～38°，在路塹邊坡的開挖過程中，常見其沿穩(wěn)定坡角面的變形和破壞；或者，依附其堆積界面產(chǎn)生更大規(guī)模的滑動變形和破壞。
2．邊坡主體由滑坡堆積體組成，結(jié)合滑坡地質(zhì)現(xiàn)象的特點(diǎn)與規(guī)律，在路塹邊坡的開挖過程中，常因路塹開挖滑坡中下部，致使滑坡坡腳失去支撐，破壞坡體力學(xué)平衡，從而導(dǎo)致滑坡中前部的復(fù)活變形和破壞，如不及時采取有效的治理工程措施，甚至引起更大規(guī)模的滑動變形和破壞。
3．邊坡主體由泥石流堆積體組成，基于泥石流地質(zhì)現(xiàn)象的特點(diǎn)，在路塹邊坡的開挖過程中，由于泥石流堆積體一般含水量普遍較高，地下水豐富，巖土強(qiáng)度較低，較易產(chǎn)生塹坡變形和破壞，如不及時采取有效的治理工程措施，甚至引起大規(guī)模的滑動變形和破壞，即滑坡地質(zhì)災(zāi)害。
第二節(jié) 邊坡破壞形式
一、變形破壞機(jī)制
主要從以下方面分析：力學(xué)基礎(chǔ)，圓弧或似圓弧破壞，平面型破壞，折線型破壞，復(fù)合型破壞，其它形式破壞。
?。ㄒ唬┝W(xué)基礎(chǔ)
主要有：巖土性質(zhì)－重度、摩擦角、粘聚力，極限坡高和極限坡角，不連續(xù)面，有效應(yīng)力定律，非飽和土力學(xué)理論。
?。ǘ﹫A弧或似圓弧破壞
主要有：均質(zhì)土坡，坡殘積土坡，砂土狀強(qiáng)風(fēng)化，碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化（碎裂），不良地質(zhì)堆積體。對于類土質(zhì)路塹邊坡，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，如不考慮地質(zhì)不連續(xù)面的存在和影響，其坡體變形破裂面一般呈圓弧或似圓弧的形狀。邊坡呈圓弧或似圓弧破壞一般發(fā)生在均質(zhì)土坡、坡殘積土坡、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化層、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化層（碎裂結(jié)構(gòu)）、以及不良堆積體內(nèi)部的變形和破壞。
?。ㄈ┢矫嫘推茐?br />
有兩種情況：地質(zhì)不連續(xù)面平行坡面，傾向臨空；兩個或兩個以上不連續(xù)面組合，交線傾向臨空（楔體破壞）。由于地質(zhì)不連續(xù)面走向大體平行于坡面走向并傾向線路，其傾角小于邊坡坡率，且大于其巖土抗剪強(qiáng)度所能維持的穩(wěn)定坡度，這種情況一般發(fā)生平面型破壞。對于具有兩個或兩個以上的地質(zhì)不連續(xù)面組合的情況，一般是以一組不連續(xù)面為主控滑移面，其余為空間控制面，這種情況也可歸納為平面型破壞（在巖質(zhì)邊坡中，常稱之為楔體破壞）。
（四）折線型破壞
一般指不利結(jié)構(gòu)面的組合和崩滑流堆積等不良地質(zhì)介面。在類土質(zhì)路塹邊坡坡體結(jié)構(gòu)中，存在兩個或兩個以上的地質(zhì)不連續(xù)面，其走向大體平行于坡面且傾向線路，由多個地質(zhì)不連續(xù)面組成折線型破裂面，其上巖土以此為依附面產(chǎn)生滑移變形和破壞，這種情況下的邊坡破壞為折線型破壞。
?。ㄎ澹?fù)合型破壞
分為：平面型和圓弧型的復(fù)合，折線型和圓弧型的復(fù)合，崩滑流堆積等不良地質(zhì)介面。由于邊坡物質(zhì)組成和坡體結(jié)構(gòu)的特殊性和復(fù)雜性，單一破壞形式的發(fā)生往往較少，或者其規(guī)模相對較小，一般的邊坡變形和破壞是上述幾種基本破壞類型的復(fù)合，故稱之為復(fù)合型破壞。復(fù)合型破壞可以簡單地歸納為平面型和圓弧型的復(fù)合和折線狀復(fù)合形式，崩滑流等不良地質(zhì)堆積體的變形和破壞，屬于復(fù)合型破壞。
（六）其它形式破壞
主要表現(xiàn)為風(fēng)化剝落、流石、流泥和崩塌落石。
二、 土質(zhì)路塹邊坡的變形破壞類型
土質(zhì)路塹邊坡一般高度不大，多為數(shù)米到二三十米，但也有個別的邊坡高達(dá)數(shù)十米（如天蘭線高陽—云圖間的黃土高邊坡）。邊坡在動靜荷載、地下水、雨水、重力和各種風(fēng)化營力的作用下，可能發(fā)生變形和破壞。根據(jù)人們的觀察和分析，變形破壞現(xiàn)象可分為兩大類：一類是小型的坡面局部破壞，一類是較大規(guī)模的邊坡整體性破壞。
?。ㄒ唬┢旅婢植科茐?br />
坡面局部破壞包括剝落，沖刷和表層滑塌等類型。表層土的松動和剝落是這類形破壞的常見現(xiàn)象。它是由于水的浸潤與蒸發(fā)、凍結(jié)與融化、日光照射等風(fēng)化應(yīng)力對表層土產(chǎn)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用所導(dǎo)致。邊坡沖刷是當(dāng)雨水在邊坡面上形成的徑流，因動力作用帶走邊坡上較松散的顆粒，形成條帶狀的沖溝。表層滑塌是由于邊坡上有地下水出露，形成點(diǎn)狀或帶狀濕地，產(chǎn)生的坡面滑塌現(xiàn)象，這類由雨水浸濕，沖刷也能產(chǎn)生。上述這些變形破壞往往是邊坡更大規(guī)模的變形破壞的前奏。因此，應(yīng)對輕微的變形破壞及時進(jìn)行整治，以免進(jìn)一步發(fā)展。對于因徑流引起之沖刷，應(yīng)作好地面排水，使邊坡水流量減少至最少程度。對已形成之沖溝，應(yīng)在維修中予以嵌補(bǔ)，以防繼續(xù)向深處發(fā)展。對因地下水引起的表層滑塌，應(yīng)作好截斷地下水或疏導(dǎo)地下水工程，疏干邊坡，以制止邊坡變形的發(fā)展。
?。ǘ┻吰抡w性破壞
邊坡整體崩塌和滑坡均屬于這類變形破壞。土質(zhì)邊坡在坡頂或上部出現(xiàn)連續(xù)的拉張裂縫并下沉，或邊坡中、下部出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，都是邊坡整體性破壞和滑動的征兆。一般地區(qū)這類破壞多發(fā)生在雨季中或雨季后。對于有軟弱基底的情況，邊坡破壞常與基底的連同在一起。對于這類破壞，在征兆期應(yīng)加強(qiáng)預(yù)報，以防措手不及；一旦發(fā)生事故，在處理前必須查明產(chǎn)生破壞的原因，切忌隨意清挖，以免進(jìn)一步坍塌，造成破壞范圍擴(kuò)大。當(dāng)邊坡上層為土，下層為基巖，且層間接觸面的傾向與邊坡方向一致時，有時由于水的下滲使接觸面潤滑，造成上部土質(zhì)邊坡沿接觸面滑走的破壞。因此，在勘測、設(shè)計過程中必須要對水體在路基中可能引起的不良影響予以充分重視。
由上述可知，第一類邊坡變形破壞，只要在養(yǎng)護(hù)維修過程中，采用一定措施就可以制止或減緩
它的發(fā)展，其危害程度也不如第二類邊坡破壞嚴(yán)重。第二類變形破壞，危及行車安全，有時造成線路中斷，處理起來也較費(fèi)事。因此，在勘測設(shè)計階段和施工階段，應(yīng)分析邊坡可能發(fā)生的變形和破壞，防患于未然。對于高邊坡更應(yīng)給予重視。
三、巖質(zhì)邊坡變形破壞的基本形式
我國是一個多山的國家，地質(zhì)條件十分復(fù)雜。在山區(qū)，道路、房屋多傍河而建或穿越分水嶺，因而會遇到大量的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定問題。邊坡的變形和破壞，會影響工程建筑物的穩(wěn)定和安全。
巖質(zhì)邊坡的變形是指邊坡巖體只發(fā)生局部位移或破裂，沒有發(fā)生顯著的滑移或滾動，不至于引起邊坡整體失穩(wěn)的現(xiàn)象。而巖質(zhì)邊坡的破壞是指邊坡巖體以一定速度發(fā)生了較大位移的現(xiàn)象，例如，邊坡巖體的整體滑動、滾動和傾倒。變形和破壞在邊坡巖體變化過程中是密切聯(lián)系的，變形可能是破壞的前兆，而破壞則是變形進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果。邊坡巖體變形破壞的基本形式可概括為松動、松弛張裂、蠕動、剝落、滑動、崩塌落石等。
?。ㄒ唬?-------松動
邊坡形成初始階段，坡體表部往往出現(xiàn)一系列與坡向近于平行的陡傾角張開裂隙，被這種裂隙切割的巖體便向臨空方向松開、移動。這種過程和現(xiàn)象稱為松動。它是一種斜坡卸荷回彈的過程和現(xiàn)象。
存在與坡體的這種松動裂隙，可以是應(yīng)力重分布中新生的，但大多是由沿原有的陡傾角裂隙發(fā)育而成。它僅有張開而無明顯的相對滑動，張開程度及分布密度由坡面向深處逐漸變小。當(dāng)保證坡體應(yīng)力不再增加和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不再降低的條件下，斜坡變形不會劇烈發(fā)展，坡體穩(wěn)定不致破壞。
邊坡常有各種松動裂隙，實踐中把發(fā)育有松動裂隙的坡體部位，稱為邊坡卸荷帶；在此，可稱為邊坡松動帶，其深度通常用坡面線與松動帶內(nèi)側(cè)界線之間水平間距來度量。
邊坡松動使坡體強(qiáng)度降低，又使各種應(yīng)力因素更易深入坡體。加大坡體內(nèi)各種應(yīng)力因素的活躍程度，是邊坡變形與破壞的初始表現(xiàn)。所以，劃分松動帶，確定松動帶范圍，研究松動帶內(nèi)巖體特征，對論證邊坡穩(wěn)定性，特別是對確定開挖深度或灌漿范圍，都具有重要的意義。
邊坡松動帶的深度，除與坡體本身的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)外，主要受坡體與坡形原始應(yīng)力狀態(tài)控制。顯然，坡度愈高、愈陡、地應(yīng)力愈強(qiáng)，邊坡松動裂隙便愈發(fā)育，松動帶深度也愈大。
?。ǘ?-------松弛張裂
松弛張裂是指邊坡巖體由卸荷回彈而出現(xiàn)的張開裂隙現(xiàn)象。它與上述邊坡松動現(xiàn)象并無十分嚴(yán)格的區(qū)別。這是在邊坡應(yīng)力調(diào)整過程中的變形。例如，由于河谷的不斷下切，在陡峻的河谷岸坡上形成的卸荷裂隙；路塹邊坡的開挖可使巖體中原有的卸荷裂隙得到進(jìn)一步發(fā)展，或者由于開挖形成了新的卸荷裂隙。這種裂隙通常與河谷坡面、路塹邊坡面相平行。而在坡頂或塹頂，則由于卸荷引起的拉應(yīng)力作用形成張裂帶。邊坡愈高愈陡，張裂帶也愈寬。如通過大渡河谷的成昆鐵路，有的路塹邊坡頂緊接著高陡的自然山坡，分布其上的張裂帶寬度可達(dá)一二百米，自地表向下的深度也可以達(dá)百米以上。一般說來，路塹邊坡的松弛張裂變形多表現(xiàn)為順層邊坡層間結(jié)合的松弛、邊坡巖體中原有節(jié)理裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展以及巖塊的松動等現(xiàn)象。
?。ㄈ?-------蠕動
蠕動是指邊坡巖體在重力作用下長期緩慢的變形。這類變形多發(fā)生于軟弱巖體或軟硬互層巖體，常形成撓曲型變形。如反坡向的塑性薄層巖層，向臨空面一側(cè)發(fā)生彎曲，形成“點(diǎn)頭彎要”，很少折斷。邊坡蠕動大致可分為表層蠕動和深層蠕動兩種基本類型。
?。?）表層蠕動
邊坡淺部巖土體在重力的長期作用下，向臨空方向緩慢變形構(gòu)成一剪變帶，其位移由坡面向坡體內(nèi)部逐漸降低直至消失，這便是表層蠕動。
破碎的巖質(zhì)邊坡及疏松的土質(zhì)邊坡，表層蠕動甚為常見。當(dāng)坡體剪應(yīng)力還不能形成連續(xù)滑動面時，會形成一剪變帶，出現(xiàn)緩慢的塑性變形。
巖質(zhì)邊坡的表層蠕動，常稱巖層末端 “撓曲現(xiàn)象”，系巖層或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)面較發(fā)育的巖體在重力長期作用下，沿結(jié)構(gòu)面滑動和局部破裂而成的撓曲現(xiàn)象。
表層蠕動的巖層末端撓曲，廣泛分布于頁巖、薄層砂巖或石灰?guī)r、片巖、石英巖，以及破碎的花崗巖體所構(gòu)成的邊坡上。軟弱結(jié)構(gòu)面愈密集，傾角愈陡，走向愈近于坡面走向時，其發(fā)
育尤甚。表層蠕動使松動裂隙進(jìn)一步張開，并向縱深發(fā)展，影響深度有時年個竟達(dá)數(shù)十米。
（2）深層蠕動
深層蠕動主要發(fā)育在邊坡下部或坡體內(nèi)部，按其形成機(jī)制特點(diǎn)，深層蠕動有軟弱基座蠕動和坡體蠕動兩類。
坡體基座產(chǎn)狀較緩且有一定厚度的相對軟弱巖層，在上覆層重力作用下，致使基座部分向臨空方向蠕動，并引起上覆層的變形與解體，是“軟弱基座蠕動”的特征。軟弱基座塑性較大，坡腳主要表現(xiàn)為向臨空方向蠕動、擠出；而軟弱基座中存在脆性夾層，它可能沿張性裂隙發(fā)生錯位。軟弱基座蠕動只引起上覆巖體變形與解體。上覆巖體中軟弱層會出現(xiàn)“揉曲”，脆性層又會出現(xiàn)張性裂隙；當(dāng)上覆巖體整體呈脆性時，則產(chǎn)生不均勻斷陷，使上覆巖體破裂解體。上覆巖體中裂隙由上向下發(fā)展，且其下端因軟弱巖層向坡外牽動而顯著張開。此外，當(dāng)軟弱基座略向坡外傾斜時，蠕動更進(jìn)一步發(fā)展，使被解體的上覆巖體緩慢地向下滑移，且被解體成的巖塊之間可完全喪失聯(lián)接，如同漂浮在下伏軟弱基座上。
坡體沿緩傾結(jié)構(gòu)面向臨空方向緩慢移動變形，稱為坡體蠕動。它在卸荷裂隙較發(fā)育并有緩傾結(jié)構(gòu)面的坡體中比較普遍；有緩傾結(jié)構(gòu)面的巖體又發(fā)育有其他陡傾裂隙時，構(gòu)成坡體蠕動的基本條件。若緩傾結(jié)構(gòu)面夾泥，抗滑力很低，便會在坡體重力的作用下產(chǎn)生緩慢的移動變形。
