公路边坡支护及支护效果模拟分析.docx

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公路边坡支护及支护效果模拟分析

公路边坡支护及支护效果模拟分析

摘要

边坡工程涉及到国民经济建设的各个方面，如露天采矿工程、铁路、公路、水利建设、房屋建筑与市政建设等等，它一方面关系到其所维系的各种构筑物的安全与正常使用，另一方面又影响到构筑物的建设成本。

随着人口的急速增长和土地资源的过度开发，边坡问题己变成同地震和火山相并列的全球性三大地质灾害之一。

在公路方面，长期以来，路基边坡的治理一直是髙速公路建设中的一个薄弱环节，在20世纪80年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，线路选择时深挖髙填较少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路建设的主体工程，甚至在工程中对边坡的治理研究常常被忽视。

20世纪80年代以来，随着我国公路建设的飞速发展，边坡稳定性问题曰益突出，但由于缺乏对边坡治理技术的系统研究，从而为工程埋下隐患，边&失稳将造成交通中断，甚至造成巨大的经济损失和不良的社会影响，同时大大增加了后期维护处治费用。

因此，对于一个具体的边坡，在选择支挡方案时，如何进行有效地支护，并且尽可能地降低工程造价，即对边坡加固方案进行优化设计，这是需要考虑的首要问题。

本文阐述了各种边坡加固技术的设计原理与适用条件：

归纳总结了边坡分类及其加固方案的选择方法；并通过对锚杆（索）作用机理的分折，以锚固角作为关键因子，推导最优化锚固角和最大抗滑力锚固角计算公式；此外运用有限单元法，计算出边坡内部各点的应力、位移和塑性区，用数值模拟对边坡进行稳定性评价。

同时，结合云南某高速公路边坡处治的实际工程，运用上述的理论和方法对K47+475-K47+630右侧边坡加固进行了优化设计,力争做到使用上安全可靠、施工技术上简便可行、经济上合理。

关键词：

公路边坡加固方案比选优化设计有限元锚固

Abstract

Slopeengineeringrelatestoallaspectsofnationaleconomicconstruction,suchastheopenairminingengineering,railroad,highway,waterconservancy,constructionengineeringandcivilconstruction.Ononehanditdeterminesthesafetyandingearuseofallconstructionswhichitsupport,ontheotherhanditinfluencesthecostofthebuilding.Withthequickincreasingofpopulationandexcessexploitationoflandresource,slopeproblemhasbeenoneofthethreebiggestgeologicaldisastersandtheothertwoareearthquakeandvolcano.

Thedisposalofroadbedandslopeisaweaknessinfreewayconstructionforalongtime.Inthemetaphaseof1980%ourhighwayconstructionmostlygiveprioritytolowgraderoad.Forthelowtrafficandsmallinvestment,deepdiggingandhighfillingareinfrequent.Sosloperetainingengineeringisnottheprincipalengineeringinhighwayconstructionandevenbeneglected.Withtherapiddevelopmentofhighwayconstruction,slopestabilityproblemstandsoutincreasinglyinrecentthreedecades.Butbeingshortofsloperetainingresearchbythenumbers,therearealotofhiddendangersinhighwayconstruction.Onceslopeslosetheirstability,thelandslidewillinterruptthetrafficandevenresultinhugeeconomiclossandbringonbadsocialinfluences.Atthesametime,itwillgreatlyincreasetheeveningsloperetainingexpense.Therefore,howtoreinforceslopesefficientlyandtryourbesttoreducetheengineeringcostforapracticalslopewhenweselectretainingprojectisveryimportant.Inanotherword,optimumdesignforsloperetainingprojectisaprincipalconsideredproblem.

Thispaperexpatiatesthedesignprincipleandapplyconditionofallkindsofsloperetainingtechnology;summarizesslopeclassandthemethodshowtoselectslopereinforcementproject;indicatesthekeyfactorofanchoringanglethroughtheanalysisoftheanchoringmechanism,deducetheformulafortheoptimumandthemaximumslideresistantanchoringanglesrespectively;analyzeslopestabilitybyfiniteelementmethodandcalculatestress,displacement,plasticzonethroughc-αreductionalgorithm.

Furthermore,incombinationwithapracticalslopeengineeringwhichliesinonefreewayinYunnanprovince,thispaperusetheuppertheoryandmethodstocarryouttheoptimumdesignforslopereinforcementprojectforapracticalslopewhichliestherightsideofK47+475-K47+630,andtrytomakethisengineeringsafe,feasibleandeconomical.

Keywords:

highwayslope,reinforcement,projectselection,optimumdesign,FEM，anchoring

目录

1概述1

1.1边坡工程概论1

1.2边坡分类与边坡破坏类型2

1.2.1边坡分类2

1.2.2岩质边坡破坏类型3

1.2.3自然斜坡破坏类型4

1.2.4滑坡的类型和特征4

1.3影响边坡稳定的主要因素4

1.4边坡稳定性分析的理论方法及进展概述6

1.4.1安全系数的计算6

1.5边坡加固工程的研究和应用现状7

1.5.1边坡加固工程技术发展历史7

1.5.2边坡加固处埋措施8

1.6本文选题及主要任务10

2边坡锚固工程的设计及应用11

2.1岩土锚固的基本原理11

2.2土钉支护技术11

2.2.1土钉概述12

2.2.2土钉支护的优缺点及适用范围12

2.2.3土钉设计的一般原则13

2.2.4土钉抗力及其设计14

2.2.5土钉墙稳定性验算15

3边坡加固的优化设计22

3.1加固方案设计的原则、方法及步骤23

3.1.1加固方案设计的原则23

3.2边坡分类及其加固方案选择25

3.2.1边坡基本类型分析25

3.2.2边坡的破坏形态25

3.2.3各类边坡的加固处治方案26

3.4边坡工程的有限元分析27

4工程实例28

4.1工程概况28

4.1.1工程地质条件及水文地质条件28

4.2边坡稳定性分析29

4.3加固方案选择32

4.4边坡的数字模拟分析34

5结论与建议37

致谢39

参考文献40

1概述

1.1边坡工程概论

我国是个多山的国家，各类地形占全国陆地面积的比例大致为：

山地33%,髙原26%，盆地19%,平原12%,丘陵10%«通常说的山区，包括山地、丘陵以及比较崎岖的高原，约占全国陆地面积的2/3，除个别的省、市以外，大多数省、市、自治区的山区面积达到90%以上。

山区的自然灾害多与边坡有关，坠石、崩塌、滑坡、山崩、泥石流，都是危害人民生命財产安全的重大自然灾害。

山体斜坡上的岩士体在重力作用下失稳，沿着坡体内部一个（或多个）软弱面（带）发生的有一定规模的整体性顺坡下滑现象，包括其过程和结果，称为滑坡。

滑坡是很多山区常见而多发的主要地质灾害之―。

滑坡发生时，由于其运动能量巨大，因而极具毁坏力。

滑坡运动不仅造成山区局部环境破坏，还危害与威胁山区人民的生命财产安全与经济建设：

冲毁或淤埋道路、桥涵，破坏水利、电力、通讯设施及农田，甚至冲毁城镇、工矿区、风景旅游区和居民区，造成大量人员伤亡和重大财产损失。

据有关资料介绍，近20年来，仅意、日、美、俄、印度、中、捷克及奥地利、瑞士等0,各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失，平均达15〜20亿美元，总和平均每年可达120〜160亿美元。

随着经济建设的不断发展，人类活动不断向山区扩展，人类在利用自然和改造自然的过程中，遇到的滑坡问题越来越多，滑坡灾害的影响范围和程度日趋扩大，滑坡灾害及其防治工程的分析研究也日益引起世人的普遍关注。

如：

1989年第42届联合国大会第168号决议，把20世纪最后十年确定为“国际减轻自然灾害十年”（1990〜2000年，简称“国际减灾十年”），滑坡即是其重要的减灾内容之一。

我国目前正处在经济建设髙速发展的时期。

滑坡给水利、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。

1989年1月10曰在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑坡，不仅耗资近亿元进行了治理，而且使这个150万kW的水电站推迟发电近一年，给云南省经济建设的整体安排带来了困难。

1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处，中断行车2个月，抢建费用达2.56亿元，抚顺西露天『自1914年投产以来，为保持边坡稳定，共剥离岩石1亿立方米。

2001年5月1FI，重庆武隆县发生滑坡，将一幢9层高的住宅楼房摧毀，当场死亡69人。

在公路方面，长期以来，路基边坡的治理一直是髙速公路建设中的一个薄弱环节。

在20世纪80年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，线路选择时深挖高填较少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路建设的主体工程，甚至在工程中对边坡的治理研究常常被忽视。

但是，随着国民经济建设的发展，公路交通事业日新月异，公路等级越来越高，高填深挖已经不可避免，复杂地形条件下修建高等级公路的情况日益增多，如清连一级公路、坪乳线二级公路都是在粤北山区复杂地形条件下兴建的。

京珠高速公路粤境小塘至甘塘（韶关以北）段也经过复杂的地质地形，髙大边坡的数量增多，规模扩大，人工削坡、深切路基对边坡稳定性的影响增强。

国内外已有许多公路边坡失稳的事例，如深汕高速公路K64+835~K65+050段边坡滑坡，坪乳线二级公路洋碰西滑坡，国道107线请新段滑坡等⑷。

由于公路边坡失稳不仅影响行车安全，甚至掩埋公路、中断交通，迫使放弃己成公路的使用，造成不可估量的经济损失。

因此，研究边坡稳定性和边坡支护的方法非常必要。

1.2边坡分类与边坡破坏类型

1.2.1边坡分类

边坡一般分类见表1.1、表1.2。

表1.1边坡分类表

分类依据

名称

简述

成因

自然边坡

（斜坡）

由自然地质作用形成地面具有一定斜度的地段，按地质作用可细分为剥蚀边坡、侵蚀边坡、堆积边坡

人工边坡

由人工开挖、回填形成地面具有一定斜度的地段

岩性

岩质边坡

（岩坡）

由岩石构成，按岩石成因、岩体结构乂可细分

土质边坡

（土坡）

由土构成，按土体结构又可细分为：

单元结构、多元结构、土石混合结构、土石叠置结构

坡高

超高边坡

岩质边坡坡高人于30m.土质边坡坡高大于15m

高边坡

岩质边坡坡高15~30m,土质边坡坡髙10~15m

中高边坡

岩质边坡坡髙8-15m,土质边坡坡高5~10m

低边坡

岩质边坡坡高小于8m,土质边坡坡高小于5m

坡长

长边坡

坡长大于300m

中长边坡

坡长100~300m

短边坡

坡长小于100m

坡度

缓坡

坡度小于15°

中等坡

坡度15°—30°

陡坡

坡度30°—60°

急坡

坡度60°—90°

倒坡

坡度大于90°

稳定性

稳定坡

稳定条件好，不会发生破坏

不稳定坡

稳定条件差成已发生局部破坏，必须处理才能稳定

己失稳坡

已发生明显的破坏

表1.2岩质达坡分类表

分类名称

亚类名称

简述

岩石类别

岩浆岩边坡

由岩浆岩构成，可细分为侵入岩边坡及喷出岩边坡

沉积岩边坡

由沉积岩构成，可细分为碎屑沉积岩边坡、碳酸盐老边坡、粘十岩边坡、特殊岩（夹有岩盐、石膏等）边坡

交质若边坡

由变质岩构成，可细分为正变质岩边坡、副变质岩边坡

岩体结构

块状结构边坡

边坡岩休甩块状结构，岩体较完整，由岩浆岩休、厚层或中厚层沉积岩或变质岩构成

层状结构边坡

边坡岩体呈层状结构，由层状或薄层状沉积岩或变质岩构成

碎裂结构边坡

边坡岩体里碎裂状结构，由强风化或强烈构造运动形成的破碎岩体构成

散体结构边坡

边坡岩体呈敗状结构，由全风化或大断层形成的极破碎岩体构成

岩层走向、倾向

与坡面走向、倾向的关系

顺向坡

两者基本一致

反向坡

两者的走向基本一致，但倾向相反

斜向坡

两者的走向成较大角度（>45°）相交

1.2.2岩质边坡破坏类型

岩质边坡的破坏类型见表1.3

表1.3岩质边坡破坏类型

破坏类型

示窓图

特征

平面破坏

主要结构面的走向，倾向与坡面基本一致.结构面的倾角小于坡角且大于其摩擦角

—个滑动平面和一个块体

一个滑动平面和一条张裂隙

若干滑动平面和横节理

一个主要滑动平面和主动、被动两个滑动块体

楔形破坏

两组结构面的交线傾向坡面，交线的傾角小于坡角且大于其摩擦角

圆弧破坏

节理很发育的破碎若体发生旋转破坏

倾倒破坏

岩体被陡傾结构面分荆成一系列岩柱。

当为软岩时，岩柱产生向坡面弯曲，当为硬岩时，岩柱可再被m交节理切割成岩块，向坡面倾倒

1.2.3自然斜坡破坏类型

斜坡在自然条件下破坏变形的形式见表

表1.4斜坡破坏形式分类

类型

特征

滑坡

斜坡在一定自然条件下，部分岩（土）体在重力作用下，沿着一定的軟弱面（带），緩慢地、整体地向下移动.滑坡一般具有蠕动变形、滑动破坏和渐趋稳定三个阶段。

有时也具有高速急剧移动现象.因下伏岩层压缩，斜坡沿岩（土）体内较陡的结构面发生整体下坐（错）位移，称为坐（错）落.組成斜坡的岩（土），常不发展连续的滑动面，而顺斜坡方向发生塑性变形称为倾倒.

崩塌

整休岩（土）体脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落下来，并順斜坡猛烈翻转、跳跃，最后堆落在坡脚，规模巨大时，称为山崩，规模小时称为塌方；悬崖陡壁上的个别岩块突然下落，称为坠落的岩块（或危石）。

剥落

斜坡表层岩（土长期遭受风化，在冲刷和重力作历下，岩（土）屑（块）不断沿斜坡滾落，堆积在坡脚.

1.2.4滑坡的类型和特征

按滑坡体的受力情况，可分为两类:

（1）推移式滑坡--由于边坡上方加载所引起，上部先动推动下部一起滑动。

（2）牵引式滑坡--由于坡脚卸荷（挖方或冲刷）引起，下部先滑，牵动上部一起滑动。

按滑动面与岩（土）层关系，又可分为:

（1）均质滑坡--发生在均一的岩（土）层中，滑动面呈圆弧形。

（2）顺层滑坡--沿软弱夹层或层面滑动，常为岩土接触面与坡面倾斜一致时出现。

（3）切层滑坡--滑动面切割不同的岩（土）层，一般沿地质构造带（面）发滑坡地带都有独特的地貌特征，而且不同的滑坡发育阶段又各有不同的外貌。

切层滑坡的外形呈扁平簸箕状，斜坡面有几级错距不大的平台。

上部有明显滑壁，下部一股I®起：

坡体和两侧出现裂隙，甚至沟谷纵横，参差不齐,并随滑坡的发展而逐渐增多：

滑动面或粗糙或光滑.有明显擦痕：

顺层滑坡中滑坡床的表面多呈平面或台阶状，滑动面光滑，有明显擦痕；滑坡壁一般上陡下缓，两侧有明显擦痕；滑坡体的上部和中部有横向裂缝。

1.3影响边坡稳定的主要因素

1.岩土性质

岩土的成因类型、组成的矿物成分、岩土结构和强度等是决定边坡稳定性的重要因索。

由坚硬（密实）、矿物稳定、抗风化性好、强度较髙的岩土构成的边坡，其稳定性一般较好：

.反之就较差。

2.«体结构

岩体的结构类型、结构面性状及其与坡面的关系是岩质边坡稳定的控制因索。

3.水文地质条件

“十个边坡九个水”这句话形象地反映了边坡失稳往往与地下水的活动有密切关系这一客观事实。

水文地质条件包括地下水的赋存、补给、径流、排泄条件。

由于岩土体的力学性质受水的影响很大，地下水富集程度的提高一方面增大坡体下滑力：

另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪程度，引起孔隙水压力上升，降低滑动面的有效正应力，导致滑动面的抗滑力减小此外，地下水的渗流将对岩土体产生动水力，水位的升髙将产生浮托力：

地表水对岸坡的侵蚀使其失去侧向或底部支撑等，这些都对边坡的稳定不利。

4.地震

地震对边坡稳定性的影响极大，地震往往伴随有大量的边坡失稳。

地震作用导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力.当水平地震附加力的作用方向不利时，边坡的|下滑力增大，滑动面的抗滑力减小。

另外，在地震作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低，也对斜坡的稳定不利.

5.地貌因素

不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并导致坡顶出现张裂缝；在坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低了边坡的稳定性。

平面上呈凹形的边坡较呈凸形的稳定。

6.风化作用

风化作用使岩土的抗剪强度减弱。

裂隙增加、扩大，影响斜坡的形状和坡度：

并且透水性增加，使地面水易于浸入，改变地下水的动态等，沿裂隙风化时，可使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。

7.人类的工程活动因素

随着人类工程活动规模的日益扩大，它对边坡稳定性的影响越来越显著，不当的人类工程活动引起的边坡失稳事故频频发生，使得人们不得不重视人类工程活动对边坡稳定性的影响。

（1）削坡。

不当的削坡往往使坡脚结构面或软弱夹层的覆盖层变薄或切穿，减小坡体滑动面的抗滑力.而边坡的下滑力却没有相应地减小，于是边坡的稳定性降低。

（2）坡顶加载。

坡顶加栽一方面增加了坡体下滑力，而没有成比例地增加滑动面的抗滑力：

另一方面加大坡顶张应力和坡脚剪应力集中程度，使边坡岩土体破坏.降低强度，因而引起边坡稳定性降低。

（3）地下开挖。

地下开挖主要包括采矿和开掘铁路、公路隧道，它引起的地表移动与边坡失稳常具有下列特征：

①受地下开挖位置影响。

地下开挖越接近边坡面，地表移动和边坡失稳越强烈，但其范围却显著减小：

当地下开挖埋深较大时，地表移动和失稳的范围比较大，失稳往往是整体的。

②受地下开挖规模影响.地下开挖规模越大，边坡的应力场改变就越大，在坡顶和坡脚引起的应力集中也越强烈，边坡稳定性的降低也就越大。

③受边坡地质条件影响。

地下采掘工程平行于边坡走向，开挖活动往往切割边坡的锁固段，降低了边坡稳定性，甚至使其失稳。

如果地下工程垂直与边坡走向，地下工程对边坡的影响就要小得多。

④具有先沉陷、后开裂、再滑动的活动规律。

1.4边坡稳定性分析的理论方法及进展概述

边坡稳定是一个非常复杂的问题，分析方法主要包括两个步骤：

一是计算已知滑动面上的安全系数，常用的方法有：

极限平衡法、极限分析法、有限元法、可靠度法和边坡专家系统方法：

二是搜索对应最小安全系数的临界滑动面。

1.4.1安全系数的计算

1.极限平衡法

极限平衡法是土坡稳定分析中最早采用的方法，主要方法有：

Fellenius法Bishop法.Janbu法、Morgenstern&Price法|、Spcncer法、Sarma法、不平衡推力传递法等.严格地讲，边坡稳定性分析是一个三雄问题，特别是对于具有复杂几何形状的情况更是如此。

但在工程实践中通常作为二维问越來处埋。

国内外皆有入对此进行研究，如ChenandChameau（1982），HutchinsonandSarma（1985），xing（1988）andHungr{1987,1989），极限平衡法土坡稳定分析作为岩土工程中的经典方法，虽已经历了数十年的研究与应用，但上述各法均没有考虑材料应力—应变关系，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度，求出的条间力和滑条底部反力也不是产生滑移变形时真实存在的。

2.塑性极限分析法

1952年杜拉克（Drucker）和普拉格（Prager）提出塑性极限分析法，其最大优点是考虑了材料应力——应变关系，并以极限状态时自重和外荷载所做的功等于滑裂面上阻力所消耗的功为条件，结合塑性极限分析的上下限定理，求得边坡极限荷载与安全系数。

3.有限元法

有限单元法甩数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法，也是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题,其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、应变大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点，可近似地拫据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制：

但它还不能很好地求解大变形和位移不连续问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不太理想|。

4.可靠度法

土坡稳定分析中有许多的不确定因素：

岩上层面及边界条件的不确定性、岩土性质的变异性、荷载及分布的不确定性和计算模型的不确定性。

而现行定值设计方法未深入考虑这种不确定性，使得土坡安全系数的可靠性往往受制于人为经验。

传统上，一直以安全系数作为边坡工程榜定性的评价指标，然而，安全系数不是一个常数，而是一个由设计因素的变异性所决定的随机变量，20世纪7