一种针对软岩和松散堆积体边坡进行抗滑桩主动加固方法与流程

本发明属于岩土工程技术领域，更具体涉及一种针对软岩和松散堆积体边坡进行抗滑桩主动加固方法，适用于工程开挖后岩土物理力学参数大幅下降的软岩和松散堆积体边坡，考虑岩土初始状态和变形软化后物理力学参数的变化，对不同状态下的边坡稳定性进行评估，采用抗滑桩进行主动加固能大幅降低边坡加固工程费用。

背景技术：

边坡滑坡问题一直以来在公路建设中屡见不鲜。这些问题在公路建设之前就需要定性研究，或者对其有足够的认识。大部分问题在可研阶段是可以避免的。而建设中的问题，只要按照规范作业，同时辅之以有经验的岩土工程师进行设计和指导，一般也是可以控制的。后期运行中，正常情况下的问题，也是可以防治的。纵观目前的公路建设中出现的边滑坡问题，很少有致命性的、控制性的边滑坡问题在可研阶段还没有发现，也就是避让型的边滑坡一般只要前期工作扎实，是可以做到避让的。但是，工程建设中层出不穷的问题，往往是建设和施工单位严重缺乏有经验的岩土工程师造成的，即没有严格按照规范作业，或者对于盲目建设和作业可能产生的后果认识不足造成的。这两类不利因素的组合，往往形成需要大投入或难以收拾的边滑坡问题。这也就造成建设中问题很多，同时也为公路通车后的运行管理造成了很多隐患。

具体来说，在山区软岩和松散体边坡中，在自然坡条件下，由于风化、雨水软化及软岩、松散体本身的结构特征，容易产生滑坡。现在的公路边坡处治普遍是先切坡，切坡完成后再进行工程加固处治，很多软岩、松散堆积体边坡往往是进行上部部分切坡时，边坡就产生变形失稳迹象，完成部分切坡进行的加固处治不能达到预期效果，已加固的坡体仍产生明显变形，随着时间的发展，变形失稳范围不断扩大，造成已加固的措施被摧毁，这是典型的被动加固处治措施，有些被动加固是既浪费已实施的工程加固措施，又没有即时阻止边坡潜在滑动面强度向不利方向发展，以至滑动范围扩大数倍，同时也浪费了工期，使工程向后延缓。

公路边坡随着人工切坡，改变了原自然坡的状态，使边坡的潜在滑动面强度随着外部条件的改变而发生变化。一方面，切坡改变了坡表的形态，可能使潜在滑动面临空，即使坡体强度不发生变化，也将导致切坡面的稳定性下降，可能产生沿潜在滑动面控制的滑坡。另外，切坡使得坡体变陡，使原自然坡体产生变形，坡表一定范围的变形模量下降，坡体产生随节理裂隙的变形扩展，即节理裂隙扩大。随着时间发展，坡体变形逐渐发展，坡体的强度逐渐下降。另外，在强降雨条件下沿裂隙下渗，潜在滑动面容易软化，在多次干湿交替作用下，强度下降，软岩及松散体边坡的滑动普遍很多都是牵引滑动，当边坡前缘产生变形裂缝时，顺坡向自然坡的后缘坡体也将产生变形，强度下降，滑坡逐级向上向后发展，使一个开始范围较小产生局部滑坡的坡体，在变形和滑坡不断发展的情况下变成一个范围扩大数倍甚至数十倍的滑坡体。

这些贯穿公路整个生命周期的岩土工程问题面临如何科学解决的难题，就摆了广大科技工作者面前，尤其是对于很多不应该出现和可控范围的问题扩大化的问题。这些边滑坡问题的解决，需要引入新的即边主动加固设计理念，若能在工程前期就主动介入，无疑可以使很多问题防患于未然或者处于可控范围，毕竟自然界有其自身的稳定性，失稳是由于人类工程扰动了自然物质本身的平衡造成的。经过对这一理念深入的研究，针对公路建设中的边坡滑坡问题，特形成如下主动加固设计方法。这套方法可以用来指导建设方、设计、施工和管路管养部门围绕公路本身开展与己相关的工作。

经中国专利网与相关论文网站检索，目前尚无有关边坡主动加固方法的专利，对于软岩和松散堆积体边坡加固的设计，通常都是在边坡开挖后的被动加固，岩土本身的初始强度没有得到充分调动，失去了边坡加固的最佳时机，坡体变形发展后岩土强度下降，被动加固的工程量增加，且有引发边坡失稳的风险。因此，建立一种快速、简便、准确的边坡主动加固设计方法就显得尤为迫切。

技术实现要素：

针对当前软岩和松散堆积体边坡的加固滞后于边坡开挖所带来诸如边坡变形持续增长和影响范围持续扩大等一系列后续问题的现状，提出了一种针对软岩和松散堆积体边坡进行抗滑桩主动加固方法，可有效解决此类边坡工程开挖后再被动加固常常导致边坡失稳问题，改善了目前边坡问题设计方法单一、保守的现状，提高了在工程实践中边坡问题处治的水平，并可大量节约工程成本。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种针对软岩和松散堆积体边坡采用抗滑桩进行主动加固的方法，具体实现步骤如下：

步骤1、主动加固对象的定性判别：综合考虑岩性、地形、工程开挖等条件，潜在滑动面包括以下情况：若坡体发生变形软化后的强度大幅下降，需考虑进行主动加固；若边坡延伸较远，一旦开挖易导致牵引滑坡向上发展，产生较大规模破坏，则需进行主动加固；若边坡的汇水面积较大，则需进行主动加固；若切坡高度大、坡度陡，边坡开挖对坡体的扰动大，开挖后坡体的卸荷变形大，则需采取主动加固手段；

主动加固对象的岩性条件定量判别：边坡开挖前对潜在滑动面的岩土样本进行实验，获取岩土物理力学参数，包括：岩土初始状态的物理力学参数、岩土变形软化后的物理力学参数，物理力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比。若岩土变形软化后的粘聚力或内摩擦角或抗拉强度较岩土初始状态强度下降幅度超过20％，则进入步骤2，否则不需要进行主动加固；

所述的对潜在滑动面的岩土样本进行实验，获得岩土物理力学参数，其中，所述的实验包括环刀实验、三轴实验、直剪实验、巴西劈裂实验、单轴压缩实验等。

步骤2、根据地形和工程切坡条件、岩土物理力学参数进行几何建模，建立二维边坡地质概化模型；

所述的几何建模采用点-线-面自下而上的方式采用几何建模及网格划分软件进行建模；

上述二维边坡地质概化模型中岩土的本构模型可以选取mohr-coulomb理想弹塑性模型，二维边坡地质概化模型的输入参数包括：容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量、泊松比；

步骤3、设置二维边坡地质概化模型的边界条件；

边界条件包括：二维边坡地质概化模型的底部及四周设置法向约束条件，在二维边坡地质概化模型上施加重力条件；

步骤4、在加入了边界条件的二维边坡地质概化模型上，采用岩土变形软化后的物理力学参数，通过数值方法(如有限元方法fem或有限差分方法flac等)对开挖后边坡进行数值计算，运用强度折减方法得到开挖后边坡的安全系数f1，如果f1≤1，表明边坡开挖前不采取主动加固措施，开挖后必然失稳，需采进行主动加固，进入步骤5；如果f1>1，表明边坡开挖后能维持稳定，无需进行主动加固，然而这种情况极少出现；

步骤5、抗滑桩加固方案设计：边坡开挖之前就进行抗滑桩施工，加固后再开挖边坡。抗滑桩设置在开挖边坡的坡脚，在穿过边坡潜在滑动面后锚固在滑动面以下的稳定地层的设定深度处，以抵抗滑坡推力的作用，凭借抗滑桩与周围岩土的共同作用，将滑坡体的推力传递到滑动面以下的稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡边坡下滑推力，可控制开挖后坡体的变形，从而避免岩土强度的大幅下降；

抗滑桩加固方案具体设计参数包括抗滑桩截面尺寸、抗滑桩长度、抗滑桩嵌入稳定地层的长度、布置形式、抗滑桩间距：

抗滑桩的截面尺寸可以为预定值，预定值可为2m×3m；

抗滑桩长度根据潜在滑动面的深度以及嵌入稳定地层的埋深确定；抗滑桩嵌入稳定地层长度分为两种情况：潜在滑动面为软岩的情况下，抗滑桩锚固在稳定地层长度为设计抗滑桩的长度的三分之一；潜在滑动面为松散堆积体的情况下：抗滑桩锚固在稳定地层长度为抗滑桩的长度的二分之一；

抗滑桩的布置形式可以为阵列竖直分布；

抗滑桩间距可取抗滑桩的截面宽度的3～5倍，以保证岩土不在桩间挤出为原则。

步骤6、在加入了边界条件的二维边坡地质概化模型上，采用岩土初始状态的物理力学参数，并采用步骤5确定的抗滑桩加固方案具体设计参数进行主动加固；通过数值方法(如有限元方法fem或有限差分方法flac等)对主动加固后的边坡进行数值计算，运用强度折减方法得到开挖后边坡的安全系数f2；

步骤7、如果安全系数f2满足预先设定的工程稳定性要求，表明步骤5中确定的抗滑桩加固方案具体设计参数有效；如果安全系数f2不满足工程稳定性，则重复步骤5、6，调整抗滑桩加固方案具体设计参数，直至满足预先设定的工程稳定性要求。

步骤8、主动加固时机：如果边坡尚未开挖，采用上述抗滑桩加固方案在边坡开挖前进行主动加固施工，这是预先防范阶段；如果边坡已经开挖，并发生小规模破坏，则采用抗滑桩加固方案对边坡重新进行主动加固，这是补救阶段，此时岩土物理力学参数已经发生下降，针对小规模破坏后的边坡，重复步骤1～8，对边坡进行补救加固；如果边坡已经开挖，并发生大规模破坏，原有加固措施失效，边坡加固困难极大，加固工程费用也大大增加，这是应该极力避免的。

本方法集成了现场调查、室内实验、数值分析等多种手段，考虑了工程开挖前后岩土物理力学参数的变化，是一种针对软岩和松散堆积体边坡的主动加固设计新方法。该方法通过现场调查及室内实验获取边坡的基本几何形态、初始状态和变形软化后岩土物理力学参数等，通过数值分析方法计算边坡在不同状态下的安全系数，采用抗滑桩在边坡开挖前进行主动加固，使开挖后边坡稳定性满足工程要求。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

本发明建立了一个快速、简单的设计方法应用于边坡加固与评估，与现有技术相比其有益效果是：

1)考虑了工程开挖前后的岩土物理力学参数变化，开挖前对采用抗滑桩对边坡进行主动加固，充分利用岩土初始状态的强度，避免开挖后坡体变形软化导致岩土强度大幅下降；

2)充分利用边坡原有抗滑力，减少加固力，降低工程造价；

3)避免滑动范围扩大，治理难度增加；

4)有效保护山区植被资源不受破坏。

附图说明

图1-1为实施例1中边坡全貌图；

图1-2为实施例1中边坡局部图；

图2为实施例1采用抗滑桩进行主动加固再开挖的边坡计算模型；

图3为实施例1采用抗滑桩进行主动加固边坡计算模型边界条件；

图4-1为坡顶裂缝图；

图4-2为边坡破坏图。

具体实施方式：

下面结合工程实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

(1)维德二级公路公泗隧道出口边坡坡表主要为残坡积层，下部为强-弱风化岩层。切坡顶之外还有较高的自然坡，自然坡坡度较陡，边坡开挖后采用锚喷方式加固防护。边坡破坏前照片见图1-1～图1-2。

步骤1、主动加固对象的定性判别：综合考虑岩性、地形、工程开挖等条件，本实施例中，边坡的残坡积层较厚，汇水面积较大，切坡陡峭，坡比大部分在1:0.3～1:0.5，根据这种岩性条件和地形地貌条件以及岩体类比参数经验值，其稳定性难以保证。随着时间发展，坡体变形逐渐发展，坡体的强度发生弱化。另外，由于残坡积层变形产生的裂缝，也加剧了雨水下渗的不利作用，雨水下渗软化坡体，残坡积层的强度还将继续下降，进而导致滑动范围还将进一步扩大。随着边坡前部变形的发展，后部临空，边坡呈现出明显的牵引特性，若不及时采取加固措施，滑动范围会逐渐扩大，导致加固和治理费用增加，且影响工程进度，因此应采用抗滑桩进行边坡主动加固设计方法。

主动加固对象的岩性条件定量判别：边坡开挖前对潜在滑动面的岩土样本进行实验，获取岩土物理力学参数，包括：岩土初始状态的物理力学参数、岩土变形软化后的物理力学参数，物理力学参数包括容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量和泊松比。若岩土变形软化后的粘聚力或内摩擦角或抗拉强度较岩土初始状态强度下降幅度超过20％，需进行主动加固；

所述的对潜在滑动面的岩土样本进行实验，获得岩土物理力学参数，其中，所述的实验包括环刀实验、三轴实验、直剪实验、巴西劈裂实验、单轴压缩实验等。

在本实施例中，潜在滑动面为松散堆积体，岩土变形软化后的粘聚力、内摩擦角、抗拉强度较岩土初始状态强度均下降幅度超过20％，试验结果见表1，需要进入步骤2。

步骤2、根据地形和工程切坡条件、岩土物理力学参数进行几何建模，建立二维边坡地质概化模型；

所述的几何建模采用点-线-面自下而上的方式采用几何建模及网格划分软件进行建模；

上述二维边坡地质概化模型中岩土的本构模型选取mohr-coulomb理想弹塑性模型，二维边坡地质概化模型的输入参数包括：容重、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度、弹性模量、泊松比，具体输入参数见表1；

表1边坡岩土物理力学参数

采用抗滑桩主动加固再进行开挖的二维边坡地质概化模型见图2；

步骤3、设置二维边坡地质概化模型的边界条件；

边界条件包括：二维边坡地质概化模型的底部及四周设置法向约束条件，在二维边坡地质概化模型上施加重力条件，见图3。

步骤4、在加入了边界条件的二维边坡地质概化模型上，采用岩土变形软化后的物理力学参数，通有限元方法fem对开挖后边坡进行数值计算，运用强度折减方法得到开挖后边坡的安全系数f1＝0.97，f1≤1，表明边坡开挖前不采取主动加固措施，开挖后必然失稳，需采进行主动加固，进入步骤5；边坡失稳后坡顶裂缝和坡面破坏情况见图4-1和4-2。

步骤5、抗滑桩加固方案设计：边坡开挖之前就进行抗滑桩施工，加固后再开挖边坡。抗滑桩设置在开挖边坡的坡脚，在穿过边坡潜在滑动面后锚固在滑动面以下的稳定地层的设定深度处，以抵抗滑坡推力的作用，凭借抗滑桩与周围岩土的共同作用，将滑坡体的推力传递到滑动面以下的稳定地层，利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡边坡下滑推力，可控制开挖后坡体的变形，从而避免岩土强度的大幅下降；

抗滑桩加固方案具体设计参数包括抗滑桩截面尺寸、抗滑桩长度、抗滑桩嵌入稳定地层的长度、布置形式、抗滑桩间距：

在本实施例中，抗滑桩的截面尺寸为预定值2m×3m；

抗滑桩长度根据潜在滑动面的深度以及嵌入稳定地层的埋深确定，在本实施例中，抗滑桩桩长20m；

在本实施例中，潜在滑动面(残坡积层)为松散堆积体：抗滑桩锚固在稳定地层(强-弱风化岩层)的长度为抗滑桩的长度的二分之一；

抗滑桩的布置形式可以为阵列竖向分布；

抗滑桩间距为抗滑桩的截面宽度的3倍，即6米；

抗滑桩布置在坡脚。

步骤6、在加入了边界条件的二维边坡地质概化模型上，采用岩土初始状态的物理力学参数，并采用步骤5确定的抗滑桩加固方案具体设计参数进行主动加固；通过有限元方法fem对主动加固后的边坡进行数值计算，运用强度折减方法得到开挖后边坡的安全系数f2＝1.20；

步骤7、边坡的安全系数f2＝1.20，满足预先设定的工程稳定性要求，表明边坡开挖后能维持稳定，设计的边坡抗滑桩加固方案有效，无需调整。