淺談黃土邊坡穩(wěn)定性分析及防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

王婷茹

摘要：本文通過(guò)對(duì)近年來(lái)黃土邊坡穩(wěn)定性分析方法和防治技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，得出目前對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性分析和防治技術(shù)的局限性，以及今后的發(fā)展方向。

Abstract： Based on the analysis and summary of the research status of the stability analysis method and prevention and control technology of loess slope in recent years， this paper obtains the limitation of the current stability analysis and prevention technology of loess slope， and the development direction in the future.

關(guān)鍵詞：黃土邊坡;穩(wěn)定性分析;防治技術(shù)

Key words： loess slope;the analysis of stability;prevention technology

中圖分類(lèi)號(hào)：TU444? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）34-0214-02

0? 引言

黃土邊坡是指在黃土地區(qū)由自然重力或人工作用下形成的具有一定坡度的臨空面[1]。近年來(lái)，隨著中國(guó)“一帶一路”建設(shè)方針的引領(lǐng)，西北地區(qū)各大城市開(kāi)始不斷開(kāi)展地鐵、鐵路、公路以及各建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作，而黃土在我國(guó)的分布遍及甘、陜、晉的大部分地區(qū)以及豫、寧、冀等部分地區(qū)，此外，新疆和魯、遼等地也有局部分布，因此施工中經(jīng)常能遇到的是黃土邊坡問(wèn)題。

黃土邊坡目前是各類(lèi)建設(shè)工程的主要結(jié)構(gòu)型式之一。但由于黃土本身的特性較為復(fù)雜，使得邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題目前仍處于探索研究階段。本文根據(jù)黃土邊坡工程的建設(shè)中經(jīng)常能遇到各種由于土體特性而產(chǎn)生的工程問(wèn)題，進(jìn)行總結(jié)分類(lèi)，比較目前在建設(shè)過(guò)程中針對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行的分析方法，分析目前較為合理的防治措施現(xiàn)狀，為進(jìn)一步的黃土穩(wěn)定性研究提出理論依據(jù)。

1? 國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

隨著科技信息的發(fā)展，利用各種數(shù)值模擬軟件和數(shù)值分析方法對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行研究已經(jīng)是一種趨勢(shì)，而邊坡防治技術(shù)也在不斷改進(jìn)。

1.1 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析研究現(xiàn)狀

極限平衡法最初由瑞典學(xué)者K.E.Pettersson和S.Hultin提出，并首次應(yīng)用于分析邊坡穩(wěn)定性。在此之后，瑞典學(xué)者W.Fellerius初步探索了最危險(xiǎn)滑裂面的變化規(guī)律，得出瑞典條分法的雛形。上世紀(jì)30、40年代，國(guó)外學(xué)者對(duì)于邊坡穩(wěn)定性的研究，主要集中在最初的瑞典圓弧法的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了不斷的修改和補(bǔ)充，并進(jìn)一步對(duì)其計(jì)算方法進(jìn)行了修正，這使得瑞典圓弧法能夠更加實(shí)際、更加真實(shí)地解決實(shí)際問(wèn)題[3]，也為后面的學(xué)者開(kāi)展邊坡穩(wěn)定性研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。隨著有限元計(jì)算模型的建立以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用，一種新型的邊坡穩(wěn)定方法應(yīng)運(yùn)而生，這就是數(shù)值分析法。1966年，美國(guó)學(xué)者Clough和 Woodward成功的應(yīng)用有限元法完成了首例土坡穩(wěn)定性問(wèn)題的分析，標(biāo)志著有限元法在邊坡穩(wěn)定性問(wèn)題中正式得到應(yīng)用。

利用數(shù)值分析方法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，首先需要根據(jù)邊坡的參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，模型的建立又基于不同的算法，如有限單元法（Finite Element Method）、邊界元法（Boundary Element Method）、離散元法（Distinet Element Method）、拉格朗日差分法（Fast Lagrangian Analysis of Continua）、不連續(xù)焚形分析法（Discontinuous Deformation Analysis）等[4-5]。這些計(jì)算方法的參數(shù)側(cè)重點(diǎn)有所不同，因此應(yīng)用于不同環(huán)境下的邊坡穩(wěn)定計(jì)算，如邊界元法常用于地下洞室穩(wěn)定性的評(píng)價(jià);離散元法作為一種動(dòng)態(tài)方法，能解決滑坡非均質(zhì)、大變形以及非連續(xù)問(wèn)題[6]-[7]。為解決由于邊坡的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，專(zhuān)家學(xué)者們還提出了各種非確定性方法，例如模糊數(shù)學(xué)法[8-9]、可靠度評(píng)價(jià)法[10]等。

國(guó)內(nèi)學(xué)者近年來(lái)在黃土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析應(yīng)用方面也有很多突破，通過(guò)對(duì)大量文獻(xiàn)的閱讀對(duì)比分析后得出，發(fā)展方向依然集中于數(shù)值分析的計(jì)算方法和模擬軟件應(yīng)用方面，主要表現(xiàn)為利用不同的數(shù)值模擬軟件，結(jié)合不同的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定進(jìn)行定量分析，得出邊界條件。

近年來(lái)常用的模擬軟件和計(jì)算方法如圖1所示。

1.2 黃土邊坡防治技術(shù)研究現(xiàn)狀

只針對(duì)黃土邊坡防治技的研究，國(guó)外資料較少，生態(tài)學(xué)家Donald（2007）提出過(guò)利用植物本身的特點(diǎn)，再結(jié)合建筑物構(gòu)建一種生態(tài)式邊坡防護(hù)。此方法也為后來(lái)的黃土邊坡防護(hù)提供了一種思路。

我國(guó)黃土面積較廣，因此黃土邊坡一直是國(guó)內(nèi)學(xué)者研究的重點(diǎn)，由于黃土的受力、變形破壞具有很多不確定性，因此目前沒(méi)有一種較為認(rèn)可的普遍方法。根據(jù)黃土的濕陷性，防治措施的研究也集中于兩方面，即防水和換填土。

對(duì)大量文獻(xiàn)的研究后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用較廣的方法主要有漿砌護(hù)面方法、錨索、抗滑樁、地表排水溝和植物護(hù)坡聯(lián)合使用的防治措施。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同區(qū)域黃土邊坡問(wèn)題，采用上述措施后結(jié)果顯示邊坡穩(wěn)定性系數(shù)顯著提高。充分證明此類(lèi)方法是最直接有效的，另外，部分學(xué)者也將換填土及防水治理方法相結(jié)合，制定高危型黃土邊坡的治理措施，也取得了較好的結(jié)果，如崔麗鵬等通過(guò)研究山西省煤礦區(qū)邊坡參數(shù)（坡高、坡率）和邊坡穩(wěn)定性（穩(wěn)定系數(shù)）的相關(guān)性，建立了煤礦區(qū)黃土邊坡防治的上限方程，根據(jù)上限方程建立“削坡+空心六棱磚+植物防護(hù)+截排水”組合的多種防治技術(shù)[11]。

2? 存在的問(wèn)題

綜上所述，大部分學(xué)者開(kāi)展的黃土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析都是針對(duì)某一區(qū)域開(kāi)展的研究，而黃土又是一種特殊性材料，存在相當(dāng)廣泛。就我國(guó)地質(zhì)情況來(lái)說(shuō)，各個(gè)地區(qū)地質(zhì)地貌、氣候條件等自然因素都不相同，每種方法都有其適用范圍。因此對(duì)不同類(lèi)型的邊坡，無(wú)法用統(tǒng)一的分析方法針對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)性、濕陷性等特點(diǎn)，系統(tǒng)性提出解決方案。另外在分析力學(xué)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，假定土體為均質(zhì)、各向同性的同一種土，而實(shí)際上同一土層也具有很大的不均勻性、差異性。

①邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值分析方法是建立在單一模型基礎(chǔ)之上，應(yīng)用較多的方法是有限元法，有限元法作為一種數(shù)值分析方法，基本思想是根據(jù)解給定的泊松方程化為求解泛函的極值問(wèn)題。而有限元法之所以能應(yīng)用在廣泛的邊坡穩(wěn)定性分析的原因是由于其中有流體力學(xué)加權(quán)數(shù)的考慮。如果將黃土邊坡的變化過(guò)程單一用流體力學(xué)的理論去解釋?zhuān)苊黠@是不妥的，無(wú)法考慮現(xiàn)實(shí)情況中的具體問(wèn)題。因此此方面的研究在一定程度上存在片面性。

②黃土濕陷性的機(jī)理是由于粘性顆粒含量較少，針對(duì)濕陷性機(jī)理的研究目前較少。黃土邊坡的失穩(wěn)事故80%都與黃土的濕陷性有關(guān)。在邊坡防治技術(shù)中強(qiáng)調(diào)的是防水與加固，深層次的問(wèn)題就是杜絕黃土的濕陷性造成的危害。而目前的研究還未建立成熟的黃土濕陷性數(shù)值模型，無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估濕陷性的影響。

③我國(guó)地理?xiàng)l件復(fù)雜，黃土分布面積較廣。同一種地區(qū)也有不同種類(lèi)的黃土結(jié)構(gòu)。目前的學(xué)者研究都是針對(duì)某一地區(qū)的黃土邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，相互之間不能進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，無(wú)法形成較為統(tǒng)一的研究標(biāo)準(zhǔn)，因此也在一定程度上限制了黃土邊坡穩(wěn)定性分析和防治技術(shù)的理論發(fā)展。

3? 結(jié)論

結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，在已有的研究基礎(chǔ)上，對(duì)于黃土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析和防治技術(shù)研究上從以下方面發(fā)展的趨勢(shì)較為明顯：

①未來(lái)邊坡穩(wěn)定性評(píng)估的一個(gè)方向是系統(tǒng)性研究邊坡穩(wěn)定性。針對(duì)不同黃土邊坡類(lèi)型開(kāi)展系統(tǒng)性的研究，如以黃土濕陷性的結(jié)構(gòu)體系分類(lèi)，開(kāi)展自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土的邊坡穩(wěn)定性分析，弱化地域差異，強(qiáng)調(diào)黃土的特性特征。

②隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用逐漸成熟，利用計(jì)算機(jī)形成智能評(píng)價(jià)系統(tǒng)，是未來(lái)研究邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)趨勢(shì)。

③利用黃土微觀結(jié)構(gòu)理論，建立黃土濕陷性機(jī)理模型，將成為研究黃土邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)發(fā)展方向。黃土的微觀分析目前已經(jīng)有大量學(xué)者在進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證階段，能夠建立統(tǒng)一的黃土濕陷性機(jī)理模型，那么對(duì)今后的黃土邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析將提供重要的理論基礎(chǔ)。

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