加筋邊坡與加筋材料研究現(xiàn)狀

潘昌樹，敬小非，秦 梨，謝 丹，龔秀蘭，張小順

(重慶科技學(xué)院安全工程學(xué)院，重慶 401331)

0 引言

大量的鐵路、公路在修建過程中會穿過不同構(gòu)造的邊坡，而邊坡穩(wěn)定性問題是巖土工程建設(shè)中難以避免的復(fù)雜問題，如隧道修筑，若不處理好隧道上方邊坡的整體穩(wěn)定性，隧道可能發(fā)生塌方事故，切斷交通路線；路基邊坡如未處理好邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，易發(fā)生沉降、滑坡等事故?？梢姴煌Y(jié)構(gòu)的邊坡，變形破壞方式及在外力作用下的破壞機(jī)理會有明顯差異。

據(jù)統(tǒng)計，2015年全國發(fā)生的8 000多起地質(zhì)災(zāi)害事故中，有約6 000起為滑坡事故，占總數(shù)的68.3%(圖1)?？梢娀率鹿适堑刭|(zhì)災(zāi)害的常見類型，也是邊坡事故最為頻繁的形式之一。如2009年6月5日重慶市武隆縣鐵礦鄉(xiāng)雞尾山發(fā)生的特大山體滑坡事故，主要原因是該山體屬于層狀結(jié)構(gòu)，具有軟弱結(jié)構(gòu)帶和發(fā)育較好的巖溶，在長期降雨入滲和巖溶作用下加之附近礦山開采的影響，使得軟弱帶面積增大并產(chǎn)生較大外向視滑力，繼而使幾百萬立方米危巖向下滑塌，導(dǎo)致26人死亡，87人下落不明(圖2)。2015年11月21日，緬甸北部一玉石礦場附近因礦山開采的擾動影響加之持續(xù)降雨作用而發(fā)生山體滑坡，造成50間房屋被摧毀，75人遇難，100多人失蹤。2015年5月18日，哥倫比亞安蒂奧基亞省因暴雨引發(fā)山體滑坡，摧毀附近多個村莊，造成83人死亡，數(shù)十人受傷，700多人無家可歸。

圖1 全國地質(zhì)災(zāi)害分布(2015年)Fig.1 Distribution of geological hazards (2015)

圖2 雞尾山滑坡后地層分布Fig.2 The strata distribution of Jiwei Mountain after landslide

可見邊坡事故是全球性、破壞性、災(zāi)難性的，對其進(jìn)行深入研究亦是不可怠慢。為此，國內(nèi)外學(xué)者對邊坡加固進(jìn)行了各方面的研究，以增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性，為邊坡防災(zāi)減災(zāi)工作打下基礎(chǔ)。

1 加筋材料研究

加筋邊坡是指原始邊坡經(jīng)不同加筋材料嵌入坡體加固后的復(fù)合邊坡，此類邊坡的安全性能遠(yuǎn)比原始邊坡大。根據(jù)不同的加筋材料可分為土工格柵加固類邊坡、土工織物加固類邊坡及其他筋材加固類邊坡。下面對不同筋材在邊坡加固方面的研究進(jìn)行闡述。

1.1 土工格柵

土工格柵是一種很好的加固材料，能有效減緩?fù)馏w往外擴(kuò)張的趨勢。國內(nèi)外不少學(xué)者對其應(yīng)用于邊坡加固進(jìn)行了諸多研究，但總體可歸納為數(shù)值模擬和模型實驗兩大類。在數(shù)值模擬中以FLAC3D軟件[1-3]和ANSYS軟件[4]分析最為常見，研究學(xué)者以不同的模擬軟件分析了土工格柵長度、間距、筋材強(qiáng)度等因子對加筋邊坡穩(wěn)定性的影響，進(jìn)行了敏感度分析；同時也采用了不同的判據(jù)(塑性區(qū)貫通、突變點位移變化、計算不收斂)對加筋邊坡對比分析。從這些研究中我們可以發(fā)現(xiàn)以下結(jié)論：(1)土工格柵可明顯提高邊坡在荷載作用下的穩(wěn)定性，且隨加筋數(shù)量和筋材強(qiáng)度的增加而增大；(2)加筋間距、頂部加筋材料埋深與荷載寬度的比值對加筋土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性具有顯著影響；(3)只要加筋材料的極限強(qiáng)度足夠大，邊坡便很難因土壤自身的強(qiáng)度損失而發(fā)生破壞。

而在模型試驗方面，大多采用的是室內(nèi)離心模型試驗[5-8]，很少采用原型試驗。對于含砂土層軟土邊坡，他們研究了砂層深度、加固層層數(shù)、筋材長度對邊坡穩(wěn)定性的影響；對于均質(zhì)土坡，研究了坡度、格柵類型、筋帶密度對邊坡穩(wěn)定性的影響，同時也研究了不同條件下(干燥、坡腳浸水)土工格柵加筋邊坡的位移特性及土工格柵的應(yīng)變情況。通過這些室內(nèi)模型試驗可以得出以下結(jié)論：(1)土工格柵可使加筋砂層允許沉降深度大幅減少，且砂-格柵系統(tǒng)的效率隨土工格柵層數(shù)和長度的增加而增加；(2)浸水導(dǎo)致土體推移及地基沉降是邊坡破壞的主要原因，而有無筋帶的增設(shè)對浸水條件下邊坡內(nèi)土壤顆粒的位移特性并無多大影響；(3)加筋帶的存在改變了邊坡的位移場，使滑弧面往坡面后部移動；(4)單層加筋只會提高坡體的承載力，不會改變邊坡的破壞形式，仍然會發(fā)生破壞。

在模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合方面，李波[9]通過研究邊坡的水平位移及坡體沉降量對比分析了土工格柵加筋邊坡的加筋機(jī)理及加筋材料對坡體穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)無加筋邊坡破壞位置發(fā)生在坡肩處，而加筋邊坡的破壞位置發(fā)生在邊坡1/6-1/3高度處。

上述分析可見，研究學(xué)者主要采用模型試驗和數(shù)值模擬兩大方法對土工格柵的物理因素及加筋效果進(jìn)行分析，總結(jié)了土工格柵對邊坡加固的作用效果，肯定了其應(yīng)用于邊坡加固的價值。

1.2 土工織物

土工織物在邊坡加固方面的應(yīng)用得到了不少學(xué)者的深入研究。D.V. Raisinghani[10]對加筋邊坡進(jìn)行滲流性能分析。發(fā)現(xiàn)土工織物可較好地提高低滲透邊坡的穩(wěn)定性，且鋪設(shè)于邊坡下半部分的加筋材料層對消散孔隙水壓力具有重要作用。同時一些學(xué)者采用離心模型試驗分析了土工織物加筋邊坡的穩(wěn)定性。A.N. Sommers[11]發(fā)現(xiàn)筋帶之間的垂直距離越小，邊坡所能承受的荷載越大。B.V.S. Viswanadham[12]發(fā)現(xiàn)不均勻沉降在1 m之內(nèi)，加筋土結(jié)構(gòu)不會發(fā)生垮塌。Yun Hu[13]發(fā)現(xiàn)只有加筋材料的長度大于邊坡的有效加固長度，加筋材料才會起作用，而有效加固長度隨高程的增加而增加，且受邊坡傾角的影響較大。Ching Chuan Huang[14]發(fā)現(xiàn)脆性破壞與輕度加筋破壞面相關(guān)，延性破壞與重度加筋破壞面有關(guān)。

而常學(xué)寧[15]通過拉拔試驗和三軸剪切實驗研究了加筋機(jī)理，對加筋邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)加筋密度較小或單層筋帶加筋時，采用界面摩擦加筋機(jī)理模型計算加筋邊坡的安全系數(shù)更為可靠。數(shù)值模擬方面：魏紅衛(wèi)[16]和喻澤紅[17]對土工織物加筋邊坡屈服區(qū)的剪切特性和破壞模式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)加筋材料拉伸模量很小時，對于邊坡加筋或不加筋或增加加筋密度沒有多大區(qū)別，而當(dāng)加筋材料模量較大時，無需增加加筋密度即可體現(xiàn)出良好的加固效果；且只有筋材模量與土體的彈性模量具有一定的匹配值才能更好地加固邊坡，使邊坡更為穩(wěn)定。

可見學(xué)者們對土工織物的研究主要通過離心模型試驗，其次是利用數(shù)值模擬以及其他方法。通過這些方法他們對土工織物的力學(xué)特性及加筋機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，總結(jié)了土工織物材料特性對加筋效果的影響。

1.3 其他筋材

用于邊坡加固的加筋材料除了土工格柵和土工織物以外還有許多，如Ting Kai Nian[18]、孫書偉[19]和A.H. Al-Defae[20]對抗滑樁進(jìn)行了深入研究；發(fā)現(xiàn)無論是均質(zhì)邊坡還是含軟弱帶土質(zhì)邊坡，其破壞形式與微型樁的加固位置有著非常大的關(guān)系；邊坡在地震作用下的變形受抗滑樁剛度特性、樁間距和滑動面深度的強(qiáng)烈影響。呂韜等[21]通過瀝青處理竹筋，利用竹筋對邊坡進(jìn)行加固，并通過實際案例及數(shù)值分析驗證了竹筋用于土質(zhì)邊坡加固的可行性。Saeed Alamshahi[22]分析了網(wǎng)格錨對構(gòu)建在沙質(zhì)邊坡上的剛性條形基礎(chǔ)承載力的影響。發(fā)現(xiàn)剛性條形基礎(chǔ)的承載能力因網(wǎng)格錨網(wǎng)層的存在而急劇增加，且增加的幅度很大程度上取決于網(wǎng)格錨的分布。土工袋是近幾年新起的邊坡加固材料，王艷巧[23]通過相似模型試驗，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加固寬度不變時，邊坡坡度越陡，土工袋的加固效果越為明顯；當(dāng)坡度恒定不變時，加固寬度越大，邊坡破壞面越深。廢舊輪胎肆意堆放，將對環(huán)境造成嚴(yán)重影響，而李麗華[24]和楊超[25]將其應(yīng)用于路堤邊坡加固，研究了其加固路堤邊坡的抗震性能。發(fā)現(xiàn)廢舊輪胎能使邊坡的穩(wěn)定性大為提高，具備較強(qiáng)的抗震性能。邊坡整體雖在加筋材料作用下增強(qiáng)了穩(wěn)定性，但坡面仍會發(fā)生破壞。故在坡體內(nèi)部鋪設(shè)筋帶的同時，應(yīng)在坡面鋪設(shè)類似面板的結(jié)構(gòu)才能更好的加固邊坡[26]。范剛[27]對預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡進(jìn)行了地震性能研究，發(fā)現(xiàn)錨索軸力的變化體現(xiàn)了坡體穩(wěn)定性的發(fā)展過程。

可見，應(yīng)用于邊坡加固的材料除土工格柵與土工織物外，還有抗滑樁、竹筋、網(wǎng)格錨、土工袋、預(yù)應(yīng)力錨索等，部分筋材加筋示意圖見圖3。這些筋材都有其加固優(yōu)勢，對于不同類型的邊坡可采用不同的筋材對其進(jìn)行加固，以達(dá)到最優(yōu)加固效果。

圖3 筋材加固模型Fig.3 Reinforcement model

2 “筋-土界面特性”研究

對于圖3(e)所示加筋材料的加固模型，在考慮加筋邊坡穩(wěn)定性問題時，筋-土界面特性是一個必不可少的關(guān)鍵問題，它是加筋材料與土體顆粒之間的力學(xué)特性關(guān)系，主要表現(xiàn)為兩者之間的摩擦阻力限制土體往外擴(kuò)張，使干燥土顆粒之間存在一種相互吸引力，以提高邊坡的穩(wěn)定性[28]。同時它受到許多因素，如筋材表面的粗糙程度，筋材的強(qiáng)度及彈性模量等因素的影響。因此對其進(jìn)行有效分析才能更好的研究加筋邊坡穩(wěn)定性，筋-土界面特性可由摩擦加筋原理進(jìn)行分析(圖4)。對于這方面的研究周健[29]、劉動[30]及介玉新[31]通過相似模型試驗或數(shù)值模擬做了大量研究，發(fā)現(xiàn)筋土界面處的應(yīng)力場會嚴(yán)重影響界面處顆粒之間的作用方式；而且邊坡加筋穩(wěn)定性并非是筋帶數(shù)量上的疊加效應(yīng)；邊坡的穩(wěn)定性與筋-土界面特性有著很好的關(guān)系，隨筋材模量的增加而增加，但當(dāng)增加到一定數(shù)值后，改變筋材模量對提高邊坡穩(wěn)定性并無實質(zhì)性的意義。

圖4 摩擦加筋原理Fig.4 Friction reinforcement principle

董士杰[32]基于安全系數(shù)原理結(jié)合地震作用，提出了動點安全系數(shù)分析法分析加筋邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)筋土界面的穩(wěn)定性及坡體的下沉量主要受地震的豎直應(yīng)力影響。同時高文華[33]和溫煦[34]采用FLAC3D研究了筋帶密度和長度對土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分析了筋-土界面處最大剪應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律。發(fā)現(xiàn)邊坡破壞時滑弧面的形態(tài)隨荷載加載位置及填料強(qiáng)度的變化而變化。

綜上分析可知，對于加筋邊坡筋-土界面特性的研究主要是國內(nèi)學(xué)者在進(jìn)行探索與分析，而國外少有學(xué)者對其進(jìn)行研究。國內(nèi)學(xué)者在研究界面處摩擦機(jī)理的同時也發(fā)現(xiàn)界面處的應(yīng)力場會嚴(yán)重影響加筋邊坡的整體穩(wěn)定性。

3 加筋邊坡穩(wěn)定性分析方法

在分析加筋邊坡穩(wěn)定性方面，不同學(xué)者基于不同的理論提出了不同的研究方法。如蔣薇[35]、M. Khosravizadeh[36]、Ning Luo[37]和Emad Ghazavi Baghini[38]基于極限平衡理論，對水平條分法進(jìn)行修正，以更好地確定滑弧面位置和形狀，打破了傳統(tǒng)思路。最后發(fā)現(xiàn)土工合成材料加固層增設(shè)于人工邊坡中，可大幅度減少邊坡破壞的概率；同時加固力隨著水平地震加速度的增加而增加，而且隨著邊坡坡度的增加，破壞面的形狀由曲線逐漸向平面發(fā)展。楊昕光[39]基于極限上限定理提出了一種分析地震工況下加筋土石壩穩(wěn)定性的上限分析法，并通過該方法計算實際案例發(fā)現(xiàn)土石壩在加筋以后其抗震性能較未加筋條件提升了19%～20%，且加筋長度對抗震性能具有較大影響。Yi He[40]和Yufeng Gao[41]基于偽靜態(tài)方法框架的運動學(xué)理論，結(jié)合 Newmark分析法提出了排樁加固邊坡地震穩(wěn)定性的三維極限分析法。同時發(fā)現(xiàn)對加筋土邊坡使用二維穩(wěn)定分析法產(chǎn)生的結(jié)果比考慮三維效應(yīng)的結(jié)果更保守，在實際情況下，三維效應(yīng)對所需加筋材料長度的影響可能會超過材料的拉伸強(qiáng)度。

龐聰[42]和季大雪[43]基于正交分析法采用GRNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對影響加筋邊坡穩(wěn)定性的各因素進(jìn)行了敏感性分析，將各因素的影響程度進(jìn)行了排序，這對加筋邊坡防護(hù)考慮主次因素具有很好的借鑒意義。董建華[44]提出了一種求解類錨固邊坡地震穩(wěn)定性的計算法，并通過實際案例驗證了該方法的可行性，這種方法可以有效的計算邊坡滑弧面的圓心，且可對錨固邊坡在動力作用下的最小安全系數(shù)進(jìn)行自動尋優(yōu)，具有很好的科學(xué)意義。

可見，不同學(xué)者都在根據(jù)不同的理論或多學(xué)科交叉結(jié)合的方法對加筋邊坡穩(wěn)定性分析進(jìn)行新方法探索，并通過實際案例進(jìn)行了驗證。這對加筋邊坡穩(wěn)定性分析的研究提供了新的思路，多學(xué)科交叉結(jié)合可能更利于分析邊坡的穩(wěn)定性。

4 加筋邊坡研究之不足

通過上述分析可知，不少研究學(xué)者盡管在邊坡穩(wěn)定性、加筋材料、筋-土界面特性方面做了大量研究，同時也獲得了卓有成效的成果。但是加筋邊坡的穩(wěn)定性評價理論及監(jiān)測監(jiān)控理論方面仍有諸多問題尚未解決，如海堤邊坡加固后在波浪場作用下的位移場變化情況及坡腳受水流侵蝕情況；邊坡內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)對其穩(wěn)定性的影響；加筋邊坡在降雨入滲作用下的穩(wěn)定性及破壞機(jī)理；加筋邊坡在多場耦合作用下的穩(wěn)定性及破壞機(jī)理；不同氣候條件下(溫度極寒或極熱)加筋邊坡的穩(wěn)定性評價；這些方面的問題均尚未形成規(guī)范的界定、甚至還未進(jìn)行開發(fā)研究。而在邊坡加固后的監(jiān)測監(jiān)控方面，監(jiān)測指標(biāo)及參數(shù)目前尚未明確的規(guī)范進(jìn)行界定，仍處于萌芽期；加筋邊坡的滲流場、位移場都是動態(tài)變化的，濕潤鋒深度、孔隙水壓力大小等監(jiān)測指標(biāo)也都是不斷發(fā)展的，如何現(xiàn)場布置觀測點監(jiān)測濕潤鋒變化規(guī)律及孔隙水壓力與加筋邊坡穩(wěn)定性有機(jī)地聯(lián)系起來也是目前應(yīng)解決的問題。

同時分析上述文獻(xiàn)可知，近幾年在加筋邊坡方面的研究(模型試驗及數(shù)值模擬)主要針對土質(zhì)邊坡的加筋加固，而很少有對巖質(zhì)邊坡、類土質(zhì)邊坡坡體進(jìn)行加筋加固研究，對這兩類邊坡的加固也主要針對坡面防護(hù)，可見巖質(zhì)邊坡及類土質(zhì)邊坡的模型試驗研究是一項難點問題。而且過去的研究較為理想，未考慮到邊坡中軟弱帶的存在，一味的加筋并未體現(xiàn)軟弱帶對邊坡穩(wěn)定性的影響，加筋位置應(yīng)當(dāng)進(jìn)行研究，是將筋帶鋪設(shè)于軟弱帶上或邊坡土體上效果較好，還是鋪設(shè)于軟弱帶與邊坡主體土壤界面處效果較好應(yīng)當(dāng)進(jìn)行仔細(xì)研究；同時加筋的數(shù)量也得進(jìn)行深入研究，過多的加筋必然會影響坡體內(nèi)部滲流場的穩(wěn)定，故邊坡加筋加固并非數(shù)量上的疊加效應(yīng)，應(yīng)結(jié)合軟弱帶位置進(jìn)行研究，以提出更好的加筋方案。結(jié)合以上研究之不足，對于加筋邊坡應(yīng)進(jìn)行如下研究工作：(1)動荷載作用下加筋邊坡的孔壓及殘余應(yīng)變的演化特性；(2)不同雨強(qiáng)作用下加筋邊坡的孔隙水壓力及濕潤鋒變化規(guī)律；(3)含軟弱帶邊坡的加筋方案研究；(4)多學(xué)科交叉理論在加筋邊坡穩(wěn)定性方面的研究；(5)多場耦合作用下加筋邊坡的穩(wěn)定性分析；(6)加筋邊坡失穩(wěn)判據(jù)分析；(7)建立地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)、群防群測系統(tǒng)、信息系統(tǒng)對加筋邊坡進(jìn)行適時監(jiān)控。

5 結(jié)論

本文對國內(nèi)外學(xué)者在加筋邊坡穩(wěn)定性、加筋材料、筋-土界面特性、加固后監(jiān)測系統(tǒng)等方面的研究進(jìn)行了分析，得出了以下結(jié)論：

(1)國內(nèi)外學(xué)者大多通過離心模型試驗或數(shù)值模擬對邊坡的抗震性能進(jìn)行研究，而很少有見研究學(xué)者對加筋邊坡在滲流作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，可見加筋邊坡降雨工況穩(wěn)定性研究是一發(fā)展趨勢。

(2)對于加筋邊坡穩(wěn)定性研究方面，國內(nèi)外學(xué)者大多研究單場(地震場、條形荷載場等)作用下的穩(wěn)定性，很少有對其進(jìn)行多場、多因素耦合作用下的穩(wěn)定性分析。

(3)國內(nèi)外研究學(xué)者雖對加筋邊坡的加筋材料(土工格柵、土工織物、抗滑樁、纖維網(wǎng)等)進(jìn)行了一系列研究，但未將這些不同類型的筋材進(jìn)行對比分析，總結(jié)何種筋材適用于何種類型的邊坡加固。

(4)對于筋-土界面特性方面的研究，研究學(xué)者大多以相似模型試驗或數(shù)值模擬單方面對界面進(jìn)行分析；而這兩種方法均存在不同的缺點(模型試驗：存在尺寸效應(yīng)；數(shù)值模擬：一些環(huán)境因素?zé)o法模擬)，應(yīng)結(jié)合這兩種方法的相互驗證對加筋邊坡進(jìn)行研究。

(5)目前很少有研究學(xué)者對加筋邊坡的監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，而加固并不等于絕對穩(wěn)固，亦可在惡劣條件下發(fā)生破壞。因此，應(yīng)進(jìn)行加筋邊坡監(jiān)測監(jiān)控方面的研究，才能更好地落實邊坡防災(zāi)減災(zāi)工作。

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