魏志远

(新疆生产建设兵团第九师交通运输事业发展中心，新疆 塔城 834601)

0 引 言

在边坡稳定性影响因素分析中在多数情况下是和地质构造情况、地下水位情况、夹层滑动面土体夹层等不良地质情况有关[1]。实际工程中滑坡发生具有随机性，在地震或在其它外力的作用下引发滑坡发生，设计中选用地震和外力常量作为滑坡安全性计算系数，以增加边坡实际工程的安全性和稳定性能[2]。

1 案例分析

1.1 边坡地计算模型及工况分析

某公路边坡高边坡路段长度为100 m，边坡开挖方式为自上而下进行。边坡共三级，每级坡高为8 m，第一级边坡坡率为1∶ 0.75，第二级边坡坡率为1∶ 0.75，第三级边坡坡率为1∶ 1。坡顶3 m处为截水沟。边坡在开挖过程中改变了地层与原地形的倾角。路基开挖时，形成了临空面，使土体处于临空状态，土体会产生局部滑动现象，导致坡体变形，出现裂缝，最终出现边坡失稳的现象。

以实际工程为基础，等比例进行模型建立，边坡简图如图1所示。通过对三级坡率进行变化，设置不同工况。工况情况如表1所示。

表1 工况计算表

图1 边坡坡度示意图

1.2 降雨型式设计

对该地气象观测站30年的观测数据进行统计，结果表明：边坡所处地段年降雨量总体较少，夏季、冬季降水量仅为全年的3%。春、秋季降水量较大且较为集中，占全年总降水量的70%[3]。通过对降雨资料分析，将降雨强度分为两个等级，分别为200 mm/d和400 mm/d。将降雨的持续时间设置为4 d。不同降雨下的滑坡参数如表2所示。

表2 滑坡体参数表

2 边坡稳定性分析

2.1 降雨量对边坡稳定性影响

利用ANSYS对非饱和土边坡的稳定性分析，通过极限平衡原理计算边坡的安全系数。该过程中应考虑降雨对边坡稳定性的影响程度。

(1)搜索危险滑动面

ANSYS软件可对危险滑动面进行搜索，软件计算过程中，首先应对边坡上方的网格进行划分，搜索每个结点的旋转中心。在边坡坡体内确定控制半径切线。以旋转中心为圆心，进行稳定性计算，得到最小安全系数对应的圆弧以及圆心[4]。

(2)边坡应力变化

连续降雨会导致边坡土体的应力发生改变。在雨水作用下，土体的自重增加，增加土体的下滑力[5]。减小坡体的有效应力以及土体的抗剪强度。不同降雨等级下的边坡剪应力变化如表3所示。

表3 边坡剪应力变化表

通过对以上数值进行分析可知：降雨强度越大，边坡剪应力影响范围越大。应力集中主要表现在坡顶平台和坡脚平台处。

(3)边坡位移变化

通过对不同降雨强度下的边坡位移变化进行分析可知：降雨强度越大，边坡产生位移的范围也越大。x方向的最大位移位于坡顶处。y方向位移向坡脚外增大。

(4)边坡塑性变形

当边坡发生塑性变形后，坡顶出现应力集中现象，此时剪应力增大，坡顶土体易发生断裂，最终导致滑坡的产生。

3 边坡治理及稳定性评价

3.1 加固防护措施

针对该边坡进行了加固防护，采用了刷方处理，同时在坡脚位置设置挡土墙。

(1)清理刷方

黄土边坡加固过程中，刷方为最基础的工作，通过减少土体的重量来降低边坡的下滑力。刷方主要是对边坡上的虚土进行清理。

(2)在坡脚设置挡墙

黄土地区的雨水会对边坡坡脚产生冲刷作用，为保证土体稳定性以及边坡的形状、大小，在边坡坡脚位置设置挡土墙。挡墙墙高为4 m，墙宽0.9 m，基础埋深1.5 m，背坡坡率为1∶ 0.25，面坡坡率为1∶ 0.35。

3.2 防护及排水措施

(1)防护措施

对边坡已破坏的坡面进行植草防护。

(2)排水设施

为了便于坡体之外的地表水顺利从坡体外部排出，在边坡设置排水沟来实现，分两类排水沟，边坡坡顶设置Ⅱ型排水沟，边坡坡脚设置Ⅰ型排水沟，其中Ⅱ型排水沟界面尺寸为0.4 m×0.4 m，Ⅰ型排水沟截面尺寸0.5 m×0.5 m。

3.3 稳定性验算

通过对边坡治理后进行稳定性计算，同时考虑暴雨工况的影响。通过计算结果可知安全系数Kz均大于1.05。当降雨强度为200 mm/d，降雨持续时间为96 h时，边坡的安全系数小于1.05。结合工程实际对该工况进行分析：实际工程中该情况发生的概率极小。因此该工况不做为施工考虑的控制雨型。

当降雨强度为200 mm/d时，危险滑移面位置与自然状态下的滑面位置大致相同，此时边坡稳定性较好。随着降雨时间的不断增长，危险滑动面开始向浅层移动，安全系数也开始降低。

通过对该现象的原因进行分析可知:入渗强度与渗透能力达到平衡状态。随着降雨时间的增长，土壤的孔隙水压力开始增大，渗透能力增强，从而导致浅层土体的含水量过大，土体的容重增加。通过极限平衡原理可知，土条所受剪力增大，边坡的安全系数减小，危险滑动面向浅层移动。

当降雨强度为400 mm/d时，依据相同的方法进行分析，最终得出：随着降雨时间的持续增加，边坡的安全系数降低，最危险滑动面的位置向浅层边坡移动。

4 边坡剥落治理分析

4.1 边坡的优化设计

高速公路边坡设计对坡型坡比、坡高等进行设计。

(1)坡型

公路的坡型确定前应对自然边坡的稳定形态进行分析，边坡形式有以下几种：台阶式、滑动型、直立式、天然式斜坡等。高边坡坡型对坡面是否产生剥落有直接影响。通过调查分析可知黄土边坡设计时，常采用阶梯状。

(2)坡比

当边坡的稳定性不足时，坡比不宜过大，防止坡面发生剥落病害。合理的坡比能够满足边坡的可靠性以及稳定性要求。公路边坡的坡比设计时，应先选取综合坡比，然后对单级坡比和坡高进行选择，通常通过对相邻两级边坡平台的宽度进行调整，进行不同方案组合。方案应满足以下要求。

①减少边坡中部和上部的荷载，间接提高坡脚土体刚度。

②边坡确实时，应通过支挡和防护进行配合，同时做好各级边坡的排水。

③边坡养护时，应做到边坡与环境协调统一。

⑶坡高

坡高的影响因素主要有年降水量、土质特征、边坡坡度等。水量较充足，土质稳定性较差、坡比较陡时，并对坡高进行调整，并对边坡稳定性进行分析计算，保证边坡的安全系数满足设计要求。

4.2 坡面防护

植物防护主要植被为草丛、灌木。通过种植植物使边坡坡面的水流减缓，通过根茎的吸收减少雨水对坡面的冲刷，起到固坡护坡的作用。植物防护的优点为：吸收雨水较多，护坡效果较好，对环境起到保护作用，且达到了经济节能的效果。植物防护类型主要有以下几类。

①种草防护

黄土坡面进行种草是最有效保护的一种有效方法。在合适的气候和地质条件下选择适宜的草籽，能过形成有效覆盖层。

②铺设草皮

黄土边坡铺设草皮能够起到一定的保护作用，但相比于坡面植草防护效果较差。为改善保护效果，在草皮上种植树木，形成保护系统。铺设草皮防护是采用适当的施工方法将生成的草挖掉，覆盖于需保护的边坡坡面上。铺设草皮适用于土壤较为贫瘠、边坡受侵蚀较为严重地区。

③骨架植草防护

骨架植草防护是通过浇筑混凝土框格，然后在框格内进行植草或喷播草籽来对边坡进行防护。提高边坡的稳定性，防止边坡发生剥落病害。骨架植草防护的圬工结构主要是浆砌片石或锚杆混凝土框架。

④三维网植草防护

铺设草皮对边坡进行防护时，由于雨水作用或坡面径流的影响，导致边坡表层发生剥落病害，甚至出现边坡坍塌。此时可通过三维网植草对边坡进行防护。三维网植草对土壤进行固结的主要原理是通过几层凸、凹不一致地塑料网和高强度地平面网形成复合网格结构，由于该结构的表面凹凸不平，因此可通过草籽和砂砾进行填充。通过土工试验表明通过三维网对土壤进行固结的效果明显优于单一的平面网。三维网表面的涡流具有消能作用，使坡面得到更好的保护。

⑤圬工防护

对黄土边坡进行圬工防护时，主要分为两种形式，一是锚杆挂网+混凝土喷浆；二是直接通过混凝土进行喷浆。圬工防护的主要优点为：施工简单、工程造价低，防护效果好，边坡稳定性强。缺点为：与环境的协调统一性较差，道路景观差。圬工防护施工时应保证自然环境与人文景观之间的相互结合。边坡平台或碎落台可通过攀藤植物进行绿化。

5 结 语

(1)依据实际工程，设置不同工况，说明不同降雨强度下边坡的变化规律：应力集中主要表现在坡顶平台和坡脚平台处。随着降雨强度的增加，边坡位移线向两侧扩大。

(2)针对该边坡，通过刷方处理及设置挡墙进行加固，同时配合防护(植草防护)和排水(截水沟)设施。通过对稳定性进行计算可知，随着降雨强度的增加，最危险滑动面向浅层移动，但边坡安全系数满足设计要求。