涂美珍，張正雄，任 超

(1.福建農林大學，福建 福州 350002；2.漳州職業(yè)技術學院，福建 漳州 363000)

公路邊坡穩(wěn)定性分析與防護方法綜述

涂美珍1，張正雄1，任 超2

(1.福建農林大學，福建 福州 350002；2.漳州職業(yè)技術學院，福建 漳州 363000)

文章對目前公路邊坡穩(wěn)定性分析常用方法的基本原理、特點及其適用范圍進行了歸納分析，闡述了預防邊坡失穩(wěn)破壞的3種主要技術措施，指出在邊坡穩(wěn)定性分析和防護技術方面存在的主要問題，并論述了公路邊坡穩(wěn)定性分析與防護等相關問題研究的發(fā)展趨勢。

公路邊坡；穩(wěn)定性分析；防護技術

0 引言

公路工程建設中常常會遇到邊坡穩(wěn)定性的問題。邊坡的失穩(wěn)，會影響工程質量與施工進度，甚至造成人員傷亡和國民經(jīng)濟的重大損失，因此，正確分析公路邊坡的穩(wěn)定性并對其采取防護措施，保證工程建設順利進行，是非常重要的。改革開放以來，我國公路工程建設發(fā)展迅速，邊坡失穩(wěn)問題已成為公路建設中最常見的工程地質問題之一。公路邊坡穩(wěn)定性分析的方法很多，其特點和適用性各不相同。公路的邊坡防護工程包括工程防護、植被防護和生態(tài)防護(綜合防護)。當前，我國仍然以工程防護(如漿砌片石、干砌片石、掛網(wǎng)噴漿等)為主，這些護坡方式雖然能達到穩(wěn)定邊坡的作用，但是不利于環(huán)境保護和生態(tài)平衡。

有的邊坡雖然也有植草，但是草種單一或只是單純的多種草種組合，層次結構簡單，防護效果差，達不到可持續(xù)發(fā)展的目的。因此，正確分析評價邊坡的穩(wěn)定性，并采取科學合理的防護措施，對保證公路正常運行具有重要的意義。本文旨在通過對現(xiàn)有主要的邊坡穩(wěn)定性分析方法及防護技術進行綜合分析，探尋其中的問題，明確未來發(fā)展的趨勢，為實踐中研究解決邊坡問題，正確選擇方法和技術提供參考。

1 邊坡穩(wěn)定性分析的主要方法

1916年，Petterson、S.Hultin[1]在大量的觀測與試驗的基礎上，認識到某些土體在產(chǎn)生滑動破壞時，其滑動面是一個近似圓柱面的曲面，并提出了圓弧滑動面分析法。后來，F(xiàn)ellenius[2]將瑞典圓弧法應用于兼有摩擦力和粘聚力的土質邊坡穩(wěn)定性分析中，在此基礎上提出普通條分法。1955年，Bishop[3]在假設滑動面為圓弧滑動面的基礎上，提出了修正的條分法。Zienkiewicz等[4]初次在土工彈塑性的有限元數(shù)值分析中給出了抗剪強度折減系數(shù)的概念?？档略?0世紀70年代提出了離散元法[5]。我國對邊坡穩(wěn)定性問題的廣泛研究始于20世紀中葉。1988年，石根華提出的DDA法解決了巖體的大變形和大位移問題[6]。1993年，卓家壽等人提出了界面應力元法，它可以描述界面的連續(xù)、開裂和滑移，分析滲流場和應力場的耦合[7]。目前，公路邊坡穩(wěn)定性的分析方法有很多，但歸結起來主要有以下幾類：(1)工程地質類比法；(2)剛體極限平衡法；(3)數(shù)值分析法；(4)概率分析法；(5)其他新的方法。

1.1 工程地質類比法

工程地質類比法是對已有邊坡的巖性、結構、自然環(huán)境、變形主導因素和發(fā)育階段等作全面分析，并與擬建邊坡作出相似性的對比，以此評價擬建邊坡的穩(wěn)定性和發(fā)展趨勢的一種方法。該方法綜合考慮了邊坡穩(wěn)定性的各種影響因素，并能迅速對邊坡的穩(wěn)定性及其發(fā)展趨勢進行評估和預測。工程地質類比法雖然是一種經(jīng)驗方法，但在中小型邊坡工程中是一種較常用的方法[8]。

1.2 剛體極限平衡法

剛體極限平衡法主要應用于土體邊坡穩(wěn)定性的評價，是最早應用于工程實踐的一種定量分析法。其主要思想是根據(jù)邊坡破壞的邊界條件，假定坡體受各種荷載作用，應用力學分析方法，對有滑動趨勢范圍內的邊坡進行理論計算和抗滑強度的力學分析。剛體極限平衡法在沒有應力作用下結構的變形圖像時，仍能精確評價結構的穩(wěn)定性，然而此方法也有一定的局限性，首先需要事先考慮邊坡中存在的滑動面，而且無法考慮土體與支護結構之間的作用及其變形協(xié)調關系，不能計算邊坡及支護結構的位移情況[9]。目前常用的極限平衡分析法有：瑞典條分法，Janbu普通條分法和Sarma法等。

1.3 數(shù)值分析法

極限平衡法因其計算簡單，在實踐中得到了廣泛應用，但是當邊坡破壞機制比較復雜時，或在邊坡分析中需要求出不同的邊界條件下邊坡的位移場、應力場、滲流場及模擬其破壞過程時，極限平衡法就顯得不適用了，而數(shù)值分析法正好可以克服極限平衡法的局限性，它是目前在巖土力學計算中應用最普遍的分析方法。應用較多的主要有有限元法、邊界元法和離散元法三種。

有限單元法是目前應用最廣泛的數(shù)值分析法，它考慮了邊坡巖體的非均質性和不連續(xù)性，實現(xiàn)了無限自由度和有限自由度結構之間等價體系轉換，能近似地從巖土體的本構關系去分析最容易和最先發(fā)生屈服破壞的部位以及需要進行加固的部位，還能模擬土體與支護的共同作用。它不但能進行線性分析還可以進行非線性分析，幾乎適用于所有的計算領域，但是這種方法在實際工程中受物理參數(shù)選取的影響較大，對大變形及應力集中等問題的求解有困難，還有待改進[10]。

相對于有限元法，邊界元法降低了問題的維數(shù)，從而降低了自由度數(shù)。這種方法適用于處理非連續(xù)介質大變形問題，適合分析被結構面切割的巖質邊坡的變形和破壞過程。但由于求解問題的控制微分方程的基本解需要事先知道，因此對于處理材料的非線性問題以及嚴重不均勻的邊坡問題，邊界元法遠不如有限元法。

離散元法是近年來用于研究邊坡破壞機制的一個新進展，在解決邊坡問題中占據(jù)了越來越重要的位置。該方法是一種應用于不連續(xù)巖體的數(shù)值求解方法，即假設含有不連續(xù)面的巖體是由若干塊剛體組成的，塊體之間的平衡靠角點作用力來維持。離散元法能夠計算巖塊內部的應力分布與變形情況，可以模擬塊體之間接觸面的滑移、分離與傾翻等過程。該方法比較適合于塊狀結構、層狀破裂和一般破裂結構的巖體邊坡[11]。

1.4 概率分析法

邊坡是一種性質極其復雜的地質介質。大量的巖土試驗表明，同類巖土體的強度參數(shù)往往符合某種概率分布，因而人們開始從確定模型轉向概率分析。概率分析法是在定值穩(wěn)定系數(shù)方法的基礎上，以極限平衡原理建立狀態(tài)方程，計算邊坡不穩(wěn)定性概率的方法，它能有效解決邊坡穩(wěn)定性中的不確定性問題，但是需要大量的統(tǒng)計樣本，而且它是基于極限平衡法建立的，因而包含了極限平衡法的缺陷和局限性[12]。

1.5 其他新方法

由于邊坡變形破壞過程的復雜性以及影響邊坡穩(wěn)定性因素的不確定性，加上一些新學科、新理論的引入和交叉，逐步形成了一些邊坡穩(wěn)定性分析的新方法，比如可靠度分析法[13]，模糊數(shù)學分析法[14]，灰色系統(tǒng)分析法[15]以及神經(jīng)網(wǎng)絡分析法[16]等等。

2 預防公路邊坡失穩(wěn)破壞的技術措施

當公路邊坡經(jīng)過穩(wěn)定性分析計算以后，對存在潛在失穩(wěn)的邊坡應采取相應的防護措施，以提高邊坡的穩(wěn)定性，防止邊坡失穩(wěn)破壞。公路邊坡失穩(wěn)的防護方法有多種，主要包括工程防護、植被防護及工程與植被防護相結合的生態(tài)防護(綜合防護)等。

2.1 工程防護

邊坡的工程防護類型較多，如抗滑樁、擋土墻、錨桿擋墻等。這些支檔結構既能起到防護作用，又有穩(wěn)固坡體的作用。

2.1.1 錨桿(索)加固

邊坡錨桿加固就是利用錨固技術對坡體內潛在的失穩(wěn)或者未來有可能失穩(wěn)的滑體進行加固處理的一種邊坡防護技術。錨固所施加的預應力通過主動改變邊坡巖體的受力狀態(tài)和滑動面上力的不平衡條件，來提高巖土體的整體性，同時增加滑動面上的抗滑力，從而實現(xiàn)加固邊坡、提高邊坡穩(wěn)定性的目的。錨桿(索)加固方式對巖質邊坡和土質邊坡同樣適用，對于地質條件復雜的邊坡宜選用預應力錨桿(索)加固。

2.1.2 擋土墻

擋土墻是一種能夠抵抗側向土壓力，防止墻后土體坍塌、滑坡，提高邊坡穩(wěn)定性的建筑物，在公路工程的路基邊坡治理中得到了廣泛應用。擋土墻作為一種比較常見的邊坡支護模式，可應用于多種不同的地段：(1)路基位于陡坡地段；(2)巖石風化嚴重的路塹邊坡地段；(3)為了避免大量邊坡開挖以及降低切面高度的路塹地段；(4)可能發(fā)生滑坡或塌方的不良地質路段；(5)高填方地段；(6)長期受水浸泡或水流沖刷嚴重的沿河路基地段；(7)為節(jié)約用地，減少拆遷或少占農田地段[17]。

2.1.3 抗滑樁

抗滑樁又稱之為錨固樁，是借助樁身與周邊巖土體的共同作用，把滑坡推力傳遞到穩(wěn)固地層的一種抗滑支擋結構，主要承受側向荷載，適宜設置在滑坡體的前緣緩坡阻滑段或后緣段?？够瑯哆m用于一些中、深層以及抗滑擋土墻難以治理的滑坡。對于某些高度>20 m的甚至更高的邊坡來講，邊坡過高、過長、坡角易出現(xiàn)應力集中，如果恰逢地段的地質條件比較差，那么就應該考慮防止坡體坍塌的情況發(fā)生，這時就應采用抗滑樁來防治和加固，抗滑樁是一種能快速、經(jīng)濟、有效地處治滑坡災害的支擋結構物[18]。

2.1.4 土釘支護

土釘支護是在原位土中布設較為密集的嵌固土釘，并在坡面構筑鋼絲網(wǎng)、混凝土噴射面層，通過土釘、面層和原位土體三者共同發(fā)揮作用來支護邊坡或邊壁[19]。土釘墻適用于具有一定粘結性的粘性土、弱膠結的砂土、粉土以及碎石土等土質邊坡，也可在山坡開挖層高于地下水位情況下使用。對于巖質邊坡，當巖體切割破碎嚴重并存在滑塌可能的挖方邊坡、或坡面風化作用嚴重的巖石坡體，也可采用土釘進行支護。

這些工程防護措施雖然能實現(xiàn)加固邊坡和穩(wěn)定邊坡的目的，但它們的共同不足之處就是外觀上的灰白效果不美觀，且難以實現(xiàn)原邊坡上的自然植被恢復，不能達到既防治水土流失又保護生態(tài)、美化環(huán)境的目的，與可持續(xù)發(fā)展的先進理念不相符。

2.2 植被防護

植被防護主要是利用坡面植物的地下根系加固坡體及地上莖葉保護坡面不受沖刷侵蝕。Maher and Gray[20]進行了大量的試驗，證明生長在沙土中的少量根對沙土的抗剪有顯著的強度。Martin Donat[21]根據(jù)植物根系對土壤穩(wěn)定性的影響，提出了根系-土壤復合強度模型。Finn Krogstad[22]以植物生理學和生態(tài)學理論知識為基礎，對植物根系中主根與側根固土能力的力學機理進行了系統(tǒng)的分析，并建立了計算邊坡穩(wěn)定系數(shù)的模型。杜振東[23]利用有限元分析方法證明，草根的存在能夠明顯提高邊坡的穩(wěn)定性。植被防護主要有草皮護坡、行栽香根草護坡、噴射護坡[24]以及土工三維網(wǎng)植草護坡等多種技術[25]。

2.3 生態(tài)防護(綜合防護)

生態(tài)防護是將工程防護與植被防護有機結合起來，共同進行邊坡防護的一種綜合性防護方式。生態(tài)防護技術通常采用混凝土、漿砌片石、卵石等材料做骨架形成框格，框格內采用植被防護措施。這種綜合形式不僅能顯著提高坡面的地表粗糙度系數(shù)，降低坡面徑流速度，防止降水對坡面的沖刷、侵蝕，而且實現(xiàn)了坡面綠化，具有良好的景觀效果。

2.3.1 錨桿混凝土框格植物防護

錨桿混凝土框格植物防護主要是利用植入邊坡中的錨桿來增強混凝土框架的穩(wěn)定性，然后采用在混凝土框架中進行人工植草、土工三維網(wǎng)噴播植草等方式進行綜合防護。它既保留了錨桿對邊坡的主動加固作用，能有效防止邊坡經(jīng)開挖或爆破后產(chǎn)生的破壞；同時其又借鑒了混凝土骨架植物防護技術，具有方便綠化、外形美觀的優(yōu)點，對土質邊坡以及坡體中無不良結構面且風化破碎嚴重的巖質邊坡同樣適用。但其造價較高、施工難度較大。常用的錨桿混凝土框格植物防護模式主要有：錨桿混凝土框格+人工植草(噴播植草)、錨桿混凝土框格+土工三維網(wǎng)+噴播植草、錨桿混凝土框格+混凝土空心塊+噴播植草等[26]。

2.3.2 混凝土框格植物防護

水泥混凝土(漿砌片石)骨架植物防護技術實際上是將長、大的邊坡坡面劃分成若干個由骨架支撐的小塊土坡，采取分而治之的有效措施。它能有效防止邊坡受到雨水沖刷、侵蝕，減小降水在土質坡面產(chǎn)生溝槽的可能，增強對風化層巖土體的穩(wěn)固支撐，且具有規(guī)則的幾何形狀，外形美觀，待骨架之間植物長起來后，綠白相間，視覺效果良好。該技術適用于邊坡坡度緩于1∶0.75的土質邊坡或強風化巖質邊坡。其常見的主要形式有拱形骨架框格植物防護、方格(菱形)骨架框格植物防護、人字形骨架框格植物防護等形式[27]。

2.3.3 蜂巢式網(wǎng)格植物防護

蜂巢式網(wǎng)格植物防護是指在整治好的坡面上進行正六邊形混凝土框磚拼鋪形成蜂巢式網(wǎng)格，并在網(wǎng)格內進行植物綠化的一種邊坡綜合防護措施。蜂巢式網(wǎng)格植物防護具有造型美觀、施工簡便、耐久性和穩(wěn)定性好、抗沖刷能力強等優(yōu)點，主要適用于邊坡坡度緩于1∶0.75的土質邊坡以及風化作用嚴重的巖質邊坡，在邊坡高度不大的坡面防護中常被采用。

3 存在的主要問題

雖然我國在邊坡穩(wěn)定性分析和防護技術等方面的研究取得了豐碩成果，并在實踐中得到了廣泛的應用，但由于邊坡問題自身的復雜性和現(xiàn)有研究方法手段的局限性，在公路邊坡穩(wěn)定性分析與防護技術方面仍然存在一些不完善之處，邊坡防護技術還不能完全適應當今公路建設的發(fā)展要求，綜合現(xiàn)階段的有關理論及防護技術研究，存在的主要問題有以下幾個方面：

(1)邊坡穩(wěn)定性評價方法自身存在不完善之處。定性分析方法的主觀性強，不能客觀反映邊坡的時效變形和邊坡變形的累積過程；定量分析方法為了解決一些問題而進行人為的簡化，參數(shù)的選取也是按定值進行考慮的。

(2)對邊坡變形破壞機理的認識不足。目前，對邊坡失穩(wěn)機理并未形成統(tǒng)一的認識，在邊坡的穩(wěn)定性評價中往往只注重計算，忽略了理解機理的重要性。而正確理解邊坡的失穩(wěn)機制是建立精確力學模型的基礎。

(3)對邊坡穩(wěn)定性的智能化預測水平較低。目前的邊坡穩(wěn)定性評價大多數(shù)是靜態(tài)評價，反映的是某一時刻的穩(wěn)定狀態(tài)，而邊坡的穩(wěn)定性問題是動態(tài)的，因此有必要對邊坡進行全過程的動態(tài)監(jiān)測，提高智能化預測水平。

(4)防護措施單一，針對性不強。目前專門針對公路邊坡綜合防護的研究較少，缺乏系統(tǒng)的防護方案、措施研究和綜合設計；在實際工程中，不能根據(jù)公路邊坡的具體類型及其穩(wěn)定性情況，采取有針對性的防護設計和措施。尚未針對各種特殊的自然、地理環(huán)境和地質條件下的邊坡開展專門性的防護研究，缺乏系統(tǒng)的綜合防護設計理論與方法，未形成針對性的地區(qū)性防護措施。

(5)生態(tài)防護技術措施不完善，防護效果不佳。目前我國公路邊坡生態(tài)防護方式大多是借鑒國外的模式，選用的植物種類以外來的牧草種居多，適應性差，植物養(yǎng)護成本較高，易出現(xiàn)外來物種入侵的現(xiàn)象，且草種單一，易退化，導致坡面人工植物群落的生態(tài)穩(wěn)定性差；另外，選擇植物類型時存在較大隨意性，沒有充分考慮當?shù)氐牡刭|、土壤、氣候等條件，違背了適地適樹的原則；對各種技術措施的區(qū)域適應性缺乏深入的分析評價與試驗研究，未形成地區(qū)性的典型植物防護形式，邊坡防護投資大，固坡效果不佳。

4 結語

公路建設發(fā)展在國民經(jīng)濟中占據(jù)著越來越重要的地位，保持公路邊坡的穩(wěn)定性是保證公路能正常使用的前提。盡管我國在公路邊坡穩(wěn)定性分析與防護方面取得了許多研究成果，但在實際應用中仍然存在一些不足，需要進一步研究與完善。因此，建議今后應在以下幾個方面進一步深入開展研究。

(1)針對邊坡工程的巖土體參數(shù)及地質條件都具有多變性、隨機性和模糊性等特點，應注重發(fā)展模糊分析方法。邊坡工程的穩(wěn)定性評價具有較大的隨意性和不確定性，而模糊分析方法可以考慮影響邊坡穩(wěn)定的多種因素，并可以根據(jù)其影響大小賦予不同的權重。

(2)進一步加強實驗研究，采用正確的分析方法，分析邊坡的破壞機理，但是在實驗過程中應注意擾動土與原狀土的偏差以及計算參數(shù)的選取。

(3)隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，可將不同的數(shù)值分析方法結合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，取長補短，以解決更復雜的邊坡工程問題。

(4)應盡可能采用綜合效益較好的生態(tài)防護技術(綜合防護技術)，并深入開展針對各種特殊的自然、地理環(huán)境和地質條件的邊坡防護研究，形成針對性的地區(qū)性防護措施。

(5)應加強邊坡監(jiān)測，尤其是要重視開展對邊坡變形全過程的監(jiān)測，為提高邊坡穩(wěn)定性分析和防護技術水平提供基礎。

(6)在選擇邊坡的防護方式時，應在正確分析邊坡失穩(wěn)機制的基礎上，采用科學的評價方法，合理選擇針對性強、效果顯著的防護措施。

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Highway Slope Stability Analysis and Protection Methods Overview

TU Mei-zhen1，ZHANG Zheng-xiong1，REN Chao2

(1.Fujian Agriculture and Forestry University，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian，350002；2.Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou，F(xiàn)ujian，363000)

This article summarized and analyzed the basic principles，characteristics and application scope of current commonly used highway slope stability analysis methods，described three main technical measures to prevent the slope collapse，pointed out the main problems existing in the slope stability analysis and protection technologies，and discussed the development trend about the research on high-way slope stability analysis and protection and other relevant issues.

Highway slope；Stability analysis；Protection technology

涂美珍(1990—)，碩士生，研究方向：道路與建筑工程；張正雄(1961—)，教授，博導，主要研究方向：道路工程、建設工程環(huán)境影響評價；任 超(1988—)，碩士研究生，研究方向：道路交通規(guī)劃與管理。

福建省高校產(chǎn)學重大項目(2010H6003)；福建省林業(yè)廳科學基金資助項目(閩林科[2012]函2號、閩林科[2014]2號)

U416.1+4

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.07.001

1673-4874(2015)07-0001-06

2015-06-06