碎裂岩质高边坡现场监测与稳定性评价道路与铁道工程专业毕业设计毕业论文.doc

中 图 分 类 号： 西西 南南 交交 通通 大大 学学 研研 究究 生生 学学 位位 论论 文文 碎裂岩质高边坡 现场监测与稳定性评价 年 级 2004 级 姓 名 闫 振 申请学位级别 工 学 硕 士 专 业 道路与铁道工程 指 导 教 师 陆阳 教授 二七年五月 Classified Index: U.D.C Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis FIELD MONITORING AND STABILITY ANALYSIS FOR REINFORCING ROCK HIGH- SLOPE OF RODE BASE Class: Civil Engineering 2004 Candidate: Yan zhen Academic Degree Applied for: Master of Engineering Major: Road and Railway Engineering Supervisor: Prof. Lu Yang May,2007 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 I 页 摘 要 路堑高边坡的施工，是一个破坏山体原有力学平衡而又用支护工程重建 力学平衡的过程。路堑边坡的开挖必然导致坡体内部应力场的重分布，产生 变形；对此必须采取适当的工程措施，确保边坡的变形收敛、整体稳定。但 是，鉴于边坡地质情况的复杂性、施工过程影响因素的不确定性以及对路堑 边坡的地质勘探水准的限制，对边坡的变形稳定事先准确预测还存在很大困 难。因此，通过重要边坡的现场监测，可以为指导设计施工提供重要的基础 数据，确保路堑高边坡安全。另一方面，通过现场监测可以了解边坡的状态 改变及发展趋势，以检验支护工程效果，为类似工程的设计提供参考借鉴。 论文结合四川省交通厅计划科研项目“深挖岩质边坡稳定性分析及支挡 防护方法研究”(项目编号：99003)，以西攀高速公路 K132472565 高 边坡为依托工点，开展岩质边坡现场监测及施工期稳定性评价。为以后同类 边坡工程的稳定性评价和处理，提供了理论研究和实际参考价值。本论文主 要研究工作如下: (1)在收集有关工程地质和水文地质资料的基础上，根据实际工程地质 条件对边坡的潜在破坏模式进行了初步分析。并对该边坡的岩石进行常规及 三轴试验，结合野外工程岩体结构特点及相关经验性资料，以获得边坡稳定 性评价的岩石力学参数。 (2)针对碎裂岩质边坡施工期的特点，结合 K132 高边坡监测方案的设计 与实施，对碎裂岩质边坡动态监测过程进行了探讨。认为，边坡动态监测综 合考虑了边坡施工过程中多种因素的相互影响，能较全面地把握边坡的内部 变形及坡体应力变化情况，为边坡稳定性判断提供更多更可靠的信息。监测 应用表明:该设计方法全面、可靠，较好地满足了高边坡的动态监测要求。 (3)讨论了安全监测在边坡工程中的重要性，对 K132 高边坡所取得的监 测资料进行了详细的分析，分析了边坡施工期的变形特征，并与所计算的稳 定性和变形量等成果进行了对比。在对测斜数据的处理过程中，为了提高边 坡稳定性评价的准确性，将小波分析应用在边坡水平位移监测曲线的降噪中， 选用小波阈值法对西攀高速公路 K132 高边坡监测数据进行降噪，结果证明 有效。 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 II 页 (4)为配合 K132 高边坡的信息化施工，确立了分阶段实施陡坡路基挖方 工程边坡原位支护结构的应力和变形状态监测方案。监测结果表明，施工第 一阶段，认为边坡岩体整体较稳定，但断层及断层破碎带岩体极为破碎，浅 层稳定性差，适当放缓了边坡开挖坡比，并将第四、五级边坡锚杆长度减短。 第二阶段，通过开挖所揭示的岩层产状及钻孔取样获取的信息，综合深部位 移监测数据分析，确定本阶段两级边坡防护设计按原方案正常施工。第三阶 段，综合监测数据及一级坡面开挖揭示的工程地质条件，将一级边坡原设计 预应力锚索桩改为框架锚索。达到了保证工程安全、降低施工难度、保证工 程措施经济合理的目的。 关键词：关键词：岩质边坡；现场监测；小波降噪；信息化施工；稳定性评价 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 III 页 Abstract Execution for high-slope of rode cutting is a process which inhere mechanical equilibrium is broken and new equilibrium is reconstructed by supporting. Force field will redistribution and distortion will accrue if excavation be adopted. Some engineering measures must be adopted in order to insure slope stability. It is difficult to forecast slope distortion accurately because complexity of geology, uncertainty of affecting factor of construction work and limit of geological exploration capability. So field monitoring is very important. On one hand, some basic data can be offered which can guide design and execution. On the other hand we can kNow state of high slope and trend of distortion. The complexity of the slope makes it difficult to predict the behavior of the slope. In order to solve this problem, a method that the slop is designed assistant by information and monitor is been inducted. The excavation stability and reinforcement effects of the slope at K132 of Xichang-Panzhihua highway were systematically and profoundly studied. The main study includes four parts as below: (1) Based on the site survey, topographical condition and geologic information achieved before excavation of the rock high-slope. To analyze the failure model of plant back slope by collecting the relevant engineering and hydrologic geology condition; Continuity model of engineering rock masses is built. The schematization method of the continuity of engineering rock mass is reported. At mountain areas the natural slope failure often occur after construction of highways. Conventional tests and clay tests from a sample illustration were conducted which combine the field features of engineering rock and some experimental data in order to obtain the computation parameters for slope stability analysis. The calculation results are provided for nonlinear finite elements (FEM) for analysis of excavated slope. The results showed that it is effective and reasonable way to determine parameters of engineering rock masses. (2) In allusion to feature of construction period for K132 cataclasite slope, some discuss have made on dynamic monitoring process. It is believed that by dynamic monitoring that diversified factors be considered and more credibility information be offered. We can grasp distortion and stress of slope roundly. The result shows that the design of monitor is comprehensive and credibility. (3) Significance of field monitor on slope has been discussed. Detailed analysis on all information of monitoring have been made in order to predict the behavior of the slope and estimate the excavation stability. Undulation in displacement monitoring curve of slope both reflect abrupt changes which nature and manpower bring about and reflect influence of ambient noise. Its important to eliminating the noise of slopes displacement monitoring for improve veracity of slope stability evaluation. There are abroad applications in eliminating noise of signal. In this paper, wavelet analysis is used to study the methods for eliminating the noise of 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 IV 页 slopes displacement monitoring dates. The nonlinear wavelet threshold is used for eliminating noise of displacement monitoring dates in Xi-Pan highway K132 slope. The results show this method is effective. (4) Construct with monitoring data is a scientific method. Grading executing, grading choosing all kinds of information and grading perfect designs were adopted in supporting works. With reference to monitoring data, adjust supporting engineering measures timely. To discuss the arrangement principle of safety monitoring instruments in engineering slopes, analyze the deformation data acquired by the monitoring instruments, study the stability of slope during digging and the actual deformation characters of slope and make a contrast with the results acquired by monitoring data. Key Words: rock slope; field monitoring; noise reduction by wavelet; constructing with monitoring data; stability evaluation 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 V 页 目 录 第一章第一章 绪论绪论1 1.1 研究背景与意义1 1.2 国内外应用概况2 1.2.1 边坡处治技术及稳定性研究概况2 1.2.2 道路工程现场监测工作的发展及应用概况4 1.3 本文研究的主要内容7 第二章第二章 边坡概况及岩石物理力学试验边坡概况及岩石物理力学试验9 2.1 现场地质情况9 2.1.1 地形地貌9 2.1.2 地层岩性.10 2.1.3 地质构造及地震.11 2.1.4 水文地质条件12 2.2 岩石力学试验及物理力学性质分析.13 2.2.1 试验岩样描述13 2.2.1 试验目的及试验概况17 2.2.2 岩石单轴抗压强度试验20 2.2.3 岩石三轴压缩强度试验.22 2.3 边坡工程开挖及支护设计.28 第第 3 章章 边坡现场监测系统设计边坡现场监测系统设计30 3.1 监测系统设计概述30 3.2 监测变量的选择.36 3.3 监测仪器的安装.36 3.3.1 监测仪器的选择.36 3.3.2 现场监测仪器的布置.40 西南交通大学硕士 研究生学位论文 第 VI 页 3.3.3 监测仪器的安装.40 第四章第四章 监测数据处理与分析监测数据处理与分析.45 4.1 数据的采集.45 4.2 测斜监测数据分析.46 4.2.1 坡体水平位移分析.46 4.2.2 测斜监测误差分析53 4.2.3 锚杆应力监测与分析.59 4.2.4 锚索应力监测及分析.75 4.2.5 混凝土应变计与剪力筋监测数据分析.78 4.3 K132 高边坡工程现场监测小结81 第五章第五章 深挖碎裂岩质边坡的信息化施工深挖碎裂岩质边坡的信息化施工.83 5.1 边坡信息化施工概述83 5.2 K132 高边坡信息化施工方案设计83 5.2.1 信息化施工阶段的划分83 5.2.2 信息化施工监测技术措施84 5.2.3 防护措施的优化完善85 5.3 K132 高边坡信息化施工实施效果分析86 结结 论论.89 致致 谢谢.92 参考文献参考文献93 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研项目97 发表论文97 参加的科研项目97 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 随着我国经济的快速发展和西部大开发战略的深入推进，国民对交通运 输的需求在质和量上都有迅猛的提升，这一状况推动了我国高等级公路建设 的新浪潮。据统计1到 2005 年底，全国交通运输线路中，铁路里程达到 7.5 万公里，公路里程达到 193 万公里，并且这个发展速度越来越快。在国 家规划重点建设的公路骨干网和各地政府支持建设的公路中，越来越多的公 路所处的地质环境逐渐劣化，许多公路建设将穿过山区和丘陵地带，而这些 地带众多的地质问题将给公路建设带来很大的困难，同时也提出了一些新的 岩土工程课题，深挖路堑岩质边坡的稳定性问题即为其中之一。 重点工程中的岩质高边坡的失稳一般都会产生严重的后果，国内外边坡 发生破坏的事故也很频繁2：1903 年阿尔伯达州的龟山发生了大滑坡，造成 70 余人的伤亡，淹没铁路长达 2300 米；1963 年意大利的瓦若依昂拱坝左岸 的岩质边坡发生破坏，约 2.3 亿 M3的岩石沿斜坡滑动，造成了 2600 多人死 亡的重大事故；1985 年 6 月 12 日在三峡工程坝址上游的的新滩小镇，在大 规模的山体滑坡中完全消失，滑坡体冲入长江，使长江航道受到阻碍。在人 们的日常生活中，边坡失稳破坏也经常出现。2004 年 5 月 1 日重庆市武隆县 发生的山体滑坡造成了 79 人死亡；2004 年 5 月 28 日，四川崇州发生山体滑 坡，8 人死亡。 我国西南地区是一个多山的地区，在山区修建高等级公路，深挖路堑岩 质边坡不可避免，随着建设工程中所遇到的岩质边坡问题的增多，这些边坡 工程的稳定性及其对周边环境的影响已引起了人们的极大关注。四川地区作 为西部大开发地区之一，公路延伸路段以高山峡谷、陡峻斜坡地形居多，工 区地质构造复杂，交通资源分布不均匀，致使交通运输能力受限，满足不了 近年经济快速发展的需要，严重制约着四川尤其是川西南地区经济的发展。 为了改变这种局面，扩大经济发达地区的经济辐射能力，加快经济发达地区 与边远贫困山区的经济交流，推进边远山区的脱贫致富，四川省政府决定建 设西(昌)攀(枝花)高速公路，打通四川出海出省通道。建设中的西攀高速公 路穿越地区地形地貌复杂，历史上曾多次发生山体滑坡、泥石流等自然灾害； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 2 页 该公路线长面广，路堑边坡规模不一，但种类繁多，山区岩石和土的类型也 多种多样，岩体节理裂隙发育程度迥异。已有研究3将边坡岩体按结构特征 分为四大类：块状结构类型边坡、层状结构类型边坡、碎裂结构类型边坡、 散体结构类型边坡。按路堑坡体结构又可粗分为七大类4：土质路堑边坡、 类土质路堑边坡、二元结构路堑边坡、多元结构(差异风化)路堑边坡、碎裂 结构岩质边坡、岩质路堑边坡、不良地质(滑坡、岩堆、错落体、泥石流等) 路堑边坡。其中碎裂结构岩质边坡的结构岩体主要有三类：等厚层状、不等 厚层状、块状，其中最常见的是等厚层状碎裂结构岩体。长久以来，相对于 其它类型边坡，岩土工程届对碎裂岩质边坡的认识很有限，导致对此类边坡 的设计和施工存在较大的盲目性，使得这类边坡在施工中或运行中的失稳事 故时有发生。 碎裂岩质路堑高边坡的施工，是一个破坏山体原有力学平衡而又用支挡 支护工程重建力学平衡的过程。而路堑边坡的开挖必然导致坡体内部应力场 的重分布，产生变形；对此必须采取适当的工程措施，确保边坡的变形收敛、 整体稳定5。但是，鉴于边坡地质情况的复杂性、施工过程影响因素的不确 定性以及对路堑边坡的地质勘探水准的限制，对边坡的变形稳定事先准确预 测还存在很大困难。因此，通过对重要边坡的现场监测，可以为指导设计施 工提供重要的基础数据，确保路堑高边坡安全。另一方面，通过现场监测可 以了解边坡的状态改变及发展趋势，以检验支护工程效果，为类似工程的设 计提供参考借鉴。为了保证高速公路建设的顺利进行，并为以后类似的建设 提供一定的指导依据，西南交通大学公路工程研究所和四川省交通厅公路规 划勘察设计研究院合作，进行了“碎裂岩质边坡支护技术及施工工艺”的课 题研究6，现场监测及稳定性评价是该研究课题的一个重要的组成部分。本 文正是基于这一课题，对西攀高速公路 K132 碎裂岩质高边坡施工期现场监 测进行了设计、分析和总结，并对该边坡稳定性进行了系统评价。 1.2 国内外应用概况 1.2.1 边坡处治技术及稳定性研究概况 边坡治理是一项技术复杂、施工困难的灾害防治工程。在 20 世纪 50 年 代，我国治理边坡主要采用地表排水、清方减载、填土反压、抗滑挡墙及浆 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 3 页 砌片(块)石等处治措施，但工程实践经验表明在很多情况下，上述措施仅能 使边坡处于暂时稳定状态，如果外界条件发生变化，边坡仍有可能失稳。20 世纪 60 年代末期，我国首次在铁路建设中使用抗滑桩技术并获得成功。由 于抗滑桩具有布置灵活、施工简单、圬工体积少、承载能力大等多种优点， 在工程界得到迅速推广应用，并逐步形成以抗滑桩支挡为主，结合地表排水、 清方减载的边坡综合处治技术。20 世纪 80 年代以来，由于锚固技术理论研 究和凿岩机械突破性的发展，锚喷防护技术、压力注浆防护手段及框架锚固 结构越来越多地应用于高边坡处治防护工程中。锚固技术是一种边坡的深层 加固处治技术，能解决边坡的深层加固及稳定性问题，达到根治边坡的目的， 因而是一种极具广泛应用前景的高边坡处治技术7。 对岩质边坡进行稳定分析的方法是多种多样的，对于接近整体结构的岩 质边坡，宜使用分析应力应变特征的有限元和其它非连续介质的方法；对风 化、破碎的岩体，则可采用类似土质边坡稳定性分析的极限平衡方法8，这 一方法假定滑坡发生时，存在着一个发生剪切破坏的滑裂面，在这个滑裂面 上，土体处处达到了极限平衡，通过分析土体在破坏那一刻力的平衡来求得 问题的解。但在大多数情况下，问题是静不定的，极限平衡方法处理这个问 题的对策是引入一些简化假定，从而使问题变得静定可解，这种处理，使得 方法的严密性受到了伤害。Sarma 法在岩质边坡极限平衡分析领域具有重要 地位，此法采用斜条分法，假定条块倾斜界面之间也达到了极限平衡，这样， 静力平衡方程和未知数的数目恰好匹配，也就是说，求解安全系数可变成静 定的问题。由于岩体内通常都存在着一组陡倾角的结构面，在发生滑动破坏 时，一方面沿底滑面滑动，一方面也沿这些陡倾角的结构面错动，因此 Sarma 法是一个分析岩质边坡稳定较为合理的方法。Hoek 教授对 Sarma 法进 行了推广，并亲自编写了 Sarma 程序(1987)8、9、10。我国潘家铮教授在对 极限平衡法的理论基础做出的解释中指出，滑坡发生时，内力会自动调整， 以发挥最大的抗滑能力。因此传统的极限平衡法中包含的静不定问题可以通 过引入求解安全系数的最大值这一约束条件来解决。孙君实(1984)应用模糊 数学理论来实现这一约束条件。潘氏理论同时指出，真实地滑裂面又是提供 最小的抗滑能力的那个89。陈祖煜在深入研究潘家铮“最大最小原理”时 发现，这一原理实际上是塑性力学上、下限定理的另一种表达方式，并给出 了具体的证明。 对岩质边坡进行稳定性评价中，安全系数、应力、变形的分析是主要的 评价方式。目前国内外进行边坡稳定性评价的主要方法有11： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 4 页 1) 刚体极限平衡法 刚体极限平衡法是半经验性的计算方法，因其有长期的工程实际经验， 采用的抗剪强度指标和安全系数相配套，所以目前国内外工程界仍主要沿用 该方法作为判断边坡岩体稳定性的主要手段。但这种方法比较粗略，需要进 一步发展完善。 2) 刚体弹簧元法12 刚体弹簧元法能处理岩体错动、断裂失稳时所反映出的非连续介质的特 点。利用刚体弹簧元可直接求出交界面面力的特点，在边坡分析中，克服了 传统位移型有限元法单元间的应力跳跃缺陷和位移有限元法难以直接求出抗 滑安全系数的缺点，从而使得最危险滑动面的搜索成为可能。国内有多家研 究单位在刚体弹簧元的应用上做了很多工作，如四川大学，河海大学等。但 该方法也存在着一定的不足，如位移精度较低；未考虑单元自身变形；不能 直接求出单元应力张量的全部分量，应力张量必须由交界面面力间接求得等。 3) 有限元法13-17 近十年以来，有限元法已广泛应用于边坡的稳定性分析之中，积累了大 量经验，由于有限元法是建立在连续介质力学的基础上，所以能直接求得单 元应力张量的全部分量，可直接求得研究范围内边坡岩体的应力场和位移场， 通过计算所得的应力场，与刚体极限平衡法结合，可以计算边坡关键部位的 点安全系数或块安全系数，真实反映了地下水等环境因素作用效应和加固处 理措施的工程效果等。 4) 可靠度分析18 由于作用荷载、岩体力学参数等并非定值，而是服从一定的概型分布， 边坡稳定性分析的一个发展方向是基于概率统计的可靠度理论。可靠度理沦 是一种迅猛发展的新方法，自 70 年代应用于边坡工程以来，受到了国内外 岩土界的高度重视。可靠度分析优于安全系数定值评价，然而对岩土材料， 其最大的困难在于确定其物理力学参数比较困难，此外，可靠度分析是一个 非线性程度很高的课题，远比定值分析困难，其中还有很多问题有待深入研 究。 1.2.2 道路工程现场监测工作的发展及应用概况 岩土工程是修建于岩土体上或岩土体中的地质工程。其物质组成，结构 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 5 页 以及它们所处的环境是如此复杂，以至于单纯靠数学、力学方法是很难以工 程设计要求的精度对工程岩土体的变形破坏过程进行预测的。可行的方法是 以理论分析和专家经验为基础进行初步设计，然后以监测手段逐步对其修正， 以便向更合理、更真实的实际情况逼近，达到优化设计的目的。现场监测的 发展是随着岩土工程失事造成的巨大损失为人们提供教训后，不断的寻求解 决方法而逐步发展完善起来的。在此之前，岩土工程主要依靠结构物的可靠 度设计来保证其安全，但由于岩土体的复杂性和不确定性，加之岩土力学又 是一门新的科学，尚属半经验半理论的性质，这就使岩土工程具有很大的风 险性。20 世纪 50 年代以来，工程界逐步认识到，岩土工程事故大多是由于 基础失稳引起的，对基础进行现场监测，及时得到基础信息并采取相应的防 范补救措施，可以预报、预防事故的发生，减少或防止财产损失和人员伤亡 的现场监测方法逐渐得到重视。20 世纪 70 年代以来，对现场监测项目的确 定，监测仪器的选择、布置，监测仪器的埋设技术，以及观测方法和观测资 料的整理分析等方面的研究工作大大加强。进入 20 世纪 90 年代，现场监测 的硬件和软件迅速发展，范围不断扩大，监测自动化系统，数据处理系统， 资料分析系统，安全预报系统不断完善，工程设计采用新的可靠度设计理论 方法以来，现场监测作为必要手段，成为提供设计依据，优化设计和可靠度 评价不可缺少的一部分19、20。 我国从 20 世纪 80 年代开始，结合一些大型工程项目对工程中存在的问 题进行研究，提出了一些考虑地质条件，岩体性质，监测空间和时间连续性 要求监测布置原则和方法21、22、23、24，促进了监测设计和监测方法的发展。 在充分研究了监测仪器的使用效果和经验，仪器的种类和技术性能，质量评 定标准的基础上，确认了一批供现场监测选用的仪器25，同时对这些仪器 的技术指标、适用条件、稳定性等也有了评定标准26。对现场监测仪器安 装埋设与观测的标准化、程序化和质量控制措施也在逐步的形成和完善之中 27、28。由于道路工程发生破坏时产生的灾害性后果和社会影响相对于水电 站、矿山、桥梁、隧道等其它工程低，且在发生破坏后可以采取一定程度的 补救措施，从而客观上降低了人们对道路工程危险性的重视程度，影响到现 场监测在道路工程中的应用。现场监测工作首先是由于安全监测的需要，在 一些大型的矿山和水电工程中得到应用，如湖北大冶矿露天采场边坡作过多 点位移计、测斜仪、锚杆应力计等监测，四川二滩电站库首滑坡作了变形网、 钻孔测斜仪、渗压计、平洞位移、应力等监测，湖北三峡工程茅坪溪防护工 程泄水洞进口高边坡作了钻孔测斜仪、多点位移计、测缝计、和锚杆应力计 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 6 页 等监测，这些工程中现场监测的成功应用和监测取得的成果为现场监测在其 它工程中的应用起到了良好的示范推动作用。随后在一些可靠度要求高的工 程中，逐渐开展了现场监测的应用，如：基坑开挖29、30、31、地下工程 32、33的建设中等等。现场监测在道路工程中的应用开始于上世纪末，在桥 梁34、35、隧道36、37、38、39、高边坡40、41、42、43、44等易发生安全事故的部 位开展了一些现场监测工作，如对桥梁、隧道及边坡进行变形监测以预防其 发生失稳破坏。其中出现了许多较新的现场监测方法，如在变形监测中控制 网的重要性不言而喻，如控制点发生变化则无法保证监测结果的正确性，文 献45针对这一情况提出一种在作业条件困难的情况下以相对固定点为已知 点,用后方交会的方法建立一个近似于施工坐标系的独立坐标系统作为变形 监测的参考网，为变形区域较大的地区现场监测工作的开展提供了借鉴。 由于起步较晚，加之道路工程自身的复杂性使得现有的现场监测方法仍 有许多不足之处。表现为缺少经验，面对现有的众多的监测方法和监测仪器， 无法针对被监测对象的具体特点，充分考虑各种有效的监测方案和监测仪器 的性能特点，选择最有效的监测方案和监测仪器，使得在面对具体工程和结 构时监测结果的代表性低，同时无法确保监测结果在时间上和空间上的连续 性要求，影响现场监测在道路工程中的应用与发展。现阶段，随着我国国民 经济快速发展对道路工程的要求不断提高，使现场监测在道路工程中得到应 用与发展。同时也对道路工程的现场监测提出了新的要求，这种要求有几个 方面：一是对道路工程安全性的要求，随着新建道路等级的提高和对旧有道 路的改建，道路沿线的桥梁、隧道、高边坡、高填方等工程也不断增加，为 确保这些工程施工及运行中的安全，现场监测被广泛采用。二是对道路工程 路用性的要求，它要求针对道路工程中的如路基沉降、路面开裂等问题开展 科学研究，提出解决办法。三是一些新的施工工艺、方法如加筋土挡墙、锚 杆、锚索等的应用，也迫切需要通过科学研究提供理论依据和支持。要开展 这些科研工作，需要应用现场监测方法，取得工程的实际数据，这也从一个 方面推动了现场监测在道路工程中的应用。四是道路工程的维护保养是在规 模道路工程建设后的一个重要的工作内容，借助现场监测方法，可以对道路 的运行状态进行科学的评价，为道路工程的维护保养提供依据，是道路工程 现场监测的一个发展方向。上世纪九十年代以来，在许多大型工程的设计、 施工中46大量运用现场监测方法，基本实现了现场监测的自动化、标准化， 出现了监测自动化系统47、48、数据处理分析系统46、安全预报系统50、51 和一批新的具有优良性能的现场监测仪器。文献52对虎门大桥应用 GPS 现 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 7 页 场监测方法进行介绍，比较了几种常用的位移监测方法，其实时性和自动化 程度高，受外界影响小的特点，显现了广阔的应用前景。文献53中介绍的 “深基坑工程监测数据处理与预测报警系统” 是一个集监测数据处理、图 形绘制与管理、变形预测及险情分析判别于一体的专家集成系统，也是深基 坑工程监测数据处理与预测报警的有效工具。道路工程现场监测将在吸收这 些成果的同时，总结、发展和完善适合于自身特点的现场监测方法，推动道 路工程的发展。 岩土工程监测技术研究和实施有以下几点发展趋势54： 1) 在监测仪器方面向“可移动监测”和“高档化”方向发展。可移动 监测，是指可多次利用仪器(或仪器的测读部分)对岩土工程进行重复性测试 的一种监测方式。利用这类仪器，在完成某点某次监测以后，可根据需要以 携带方式将仪器(或仪器的测读部分)移走以便进行下一测点或同一测点下一 次监测。正因为是可移动的，即仪器可用于重复监测的，所以即使仪器(包 括专门测座)价格较高，但其单次单点的量测费用却相对较低，这就为采用 先进高科技监测手段制造高价格的高档监测仪器提供了重要理由。各种 GPS、全站仪、各种钻孔测斜仪以及自动监测系统等都代表了当前监测技术 的发展方向。 2) 在监测系统设计方面则越来越重视以各种信息综合集成结果为基础 的设计方法。越来越多的研究者主张根据各种工程信息(包括设计意图、设 计方法、工程尺寸、形状、各部分布局以及施工方法)、地质条件(包括工程 地质条件、水文地质条件和环境地质条件等)的评价、岩土体的力学性质、 气象资料、专家群体经验、数值分析的结果、已经发生的各种工程事故及其 所用监测仪器的性能等各方面信息的综合集成结果进行监测系统设计。理论 研究和岩土工程实践表明，这种以多方面信息综合集成为基础的监测系统设 计方法，是今后发展的方向。 3) 在信息反馈方面越来越重视工程监测的实用性。虽然各类岩土工程 乃至各个具体岩土工程的监测条件各不相同，但是其监测结果都必须及时反 馈到主管工程师手中这一点上却是相同的。尽管越来越重视“信息反馈”和 选择最符合本工程的反馈途径的研究动向，但某些岩土工程确实也存在着 “重监测、重仪器、轻(信息)反馈”的倾向。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 8 页 1.3 本文研究的主要内容 本工段高边坡坡体由强、弱风化石英闪长岩组成，强风化岩体内节理极 为发育，呈散体状结构和碎裂状结构。本文将结合科研项目，以西攀高速公 路 K132 高边坡为依托工点，通过岩质边坡现场监测试验，对边坡稳定性评 价中的一些重点方向进行研究，为设计、生产工作提供一定的理论依据。岩 质边坡的地质条件复杂多变，要在工程设计阶段准确无误地预测岩体的基本 状况及其在施工、运行过程中的变化，这在目前几乎不可能。解决这一难题 的途径之一是引入信息设计方法，它基于施工期逐步明朗的地质条件及监测 结果，对岩体工程进行动态设计。信息设计的前提是要根据现场施工监测资 料对原设计进行正确的反演分析，及时掌握岩质边坡的工作状态，达到优化 设计结果。本课题采用信息设计的原理，将监测与理论分析及实际工程结合 起来，研究适合碎裂结构岩质边坡的支挡防护设计方法。课题拟解决的关键 技术为： 1)碎裂结构岩质边坡的基本地质原型条件下，岩石(体)物理力学指标、 结构特性指标的试验测定及反分析确定方法；结合岩石强度参数的测试，为 陡坡路基挖方工程边坡支护区应力及变形状态的数值计算模拟提供基础数据 及验证。 2)研究岩质边坡监测系统的合理设计及布置，开展现场监测，对施工 期边坡稳定及变形状况实施动态跟踪，以验证设计加固措施并为设计的适当 修正提供数据支持；确保试验路段陡坡路基挖方工程边坡原位支护结构的稳 定，取得设计施工经验，为边坡支护技术及施工工艺研究提供相应数据及参 数，为后续相关工程作出示范。 3)评价预应力加固技术对岩质边坡稳定性的影响，就岩体内部应力等 对环境、施工过程的敏感性进行分析；测试陡坡路基挖方工程边坡原位支护 结构的应力和变形状态，掌握边坡的变形特征及发展规律，对边坡的施工及 长期稳定性作出评价。 本课题将数值模拟与监测系统设计及监测手段结合，对碎裂结构岩质边 坡的稳定性加以评价，适合目前工程设计现状，其研究成果对岩质边坡的预 应力加固处理具有指导意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 9 页 第二章 边坡概况及岩石物理力学试验 2.1 现场地质情况 2.1.1 地形地貌 边坡区属安宁河左侧中山斜坡地貌，地形切割强烈，高程约在 10801380m，相对高差 300m，地表多被第四系崩坡积层掩盖，斜坡平均坡 度约 45，植被发育，灌木丛生，无耕地。边坡南北均为冲沟，北为梁子田 2 号桥，南为枣子林小桥，边坡坡向北西。边坡路段设计路面高程为 12311232m，实际地面高程为 1244.801252.50m。边坡开挖前远景图如 图 2-1 所示。 图 2-1 边坡施工前远景图(04 年 4 月) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 10 页 2.1.2 地层岩性 经地表工程地质测绘和桥位钻孔揭露，地层主要为第四系崩坡积层，侏 罗系益门组、三叠系白果湾组及前震旦系会理群，现分述如下： (1) 第四系全新统崩坡积层(Q4dlc) 边坡区大面积分布为粉土、角砾土和碎石土。 粉土：分布于 ZK1 号钻孔及附近，黄色，稍湿，松散，碎石含量约 10%，砂粒含量约 10%，粉粒含量约 55%，余为粘粒。颗粒成分为强风化砂岩、 粉砂岩、泥岩及千枚岩，呈次棱角状、棱角状。钻孔揭露厚度 2.22m。 角砾土：分布于 ZK3 号钻孔及以南斜坡地带，黄灰、紫灰色，石质成分 为强风化泥岩、砂岩、千枚岩等，呈棱角状。各粒级含量：块石约占 15， 碎石约占 10，角砾约占 50，其余为粉粘粒。结构不均匀，松散，稍湿。 密实度根据相邻梁子田 2 号桥相同土层、相同深度 N120动力触探资料确定。 钻孔揭露厚度 14.55m。 碎石土：分布于 ZK4 号钻孔及以北斜坡地带，黄灰色，石质成分为强风 化砂岩、粉砂岩，呈棱角状。一般粒级组成：块石约占 15%，碎石约占 55%，角砾约占 20%，余为砂及粉粒。结构不均匀，松散，稍湿。密实度根据 相邻梁子田 2 号桥相同土层、相同深度 N120动力触探资料确定。钻孔揭露厚 度 2.00m，在钻孔以北斜坡，推测厚度可达 56m。 (2) 侏罗系下统益门组(J1y) 除 ZK1 号钻孔以外，其余路段均为益门组，其岩性以泥岩为主，夹砂岩。 泥岩：紫红色，泥质结构，薄层状构造，夹粉砂岩，单层厚 0.400.80m，具水平层理，抗风化能力弱，失水后易产生裂纹。强风化带 裂隙较发育，岩芯破碎呈碎块状，颜色暗淡，手掰可折断；常见岩芯暴露一 天后产生裂纹。经钻孔揭露，强风化厚度 3.606.41m，强弱风化界线埋深 6.4118.15m。弱风化带岩芯多呈柱状，一般节长 520cm，最长40cm，颜 色较新鲜，岩芯暴露两天后失水并产生裂纹。 砂岩：灰色，中粒结构，厚层状构造，矿物成分为长石，石英，岩屑， 岩质坚硬。强风化带呈黄灰色，主要为泥岩中之夹层，岩芯呈碎块状，颜色 暗淡，多被铁锰质浸染。弱风化带岩芯呈柱状，一般节长 1219cm，最长 61cm，裂隙较少，岩芯较完整。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 11 页 (3) 三叠系上统白果湾组(T3bg) 主要组成那尔坝断层破碎带，为断层破碎岩、糜棱岩及构造透镜体。其 原岩为深灰色泥岩、炭质泥岩、粉砂岩及细砂岩，岩芯多呈 24cm 碎粒及 碎块，少许呈 626cm 柱状；细粒砂岩较完整，岩芯一般节长 1049cm，最 长 78cm，岩芯上见擦痕及磨光镜面，挤压揉皱明显，含次生方解石脉，钻孔 揭露厚度为 46m。 (4) 前震旦系会理群组(Pt1hl) 分布于线路左侧、那尔坝断层上盘，钻孔未揭露该层。经工程地质测绘 和相邻工点钻孔揭露，岩性为片岩，浅黄色、灰白色，显微变晶结构，片状 构造，结构致密，岩质较硬、性脆。 2.1.3 地质构造及地震 边坡处于区域昔格达深大断裂带，那尔坝断层(F7)通过边坡区，断层走 向北 3060东，倾向南东，倾角 72。断层破碎带宽度 2030m(垂距)， 常见糜棱岩，磨光镜面、擦痕，挤压揉皱明显。断层面波状起伏，断距较大， 上盘为前震旦系会理群(Pt1hl)，下盘为侏罗系益门组(J1y)，断层破碎带由 三叠系白果湾组(T3bg)泥岩、炭质泥岩及细砂岩组成，其中砂岩常形成构造 透镜体。 断层自路线左侧 30m(K132525 横剖面处)通过边坡区，向北东方向延 伸，断层带宽度 36m(剖面上斜距)。受其影响，岩层裂隙发育，岩芯破碎， 岩层倾角较陡，倾角为 6185(岩芯量测倾角)。通过工程地质测绘，断层 上、下盘岩层产状差异较大，上盘片岩走向北东，倾向南东，倾角 6382； 下盘砂泥岩走向北东，倾向北西，倾角4568。 边坡基岩中发育节理两组，J1组节理走向北 85西，倾向南西，倾角 4060，节理面平直、光滑，节理多紧闭至微张，岩芯测得其宽度 3mm，倾角 67，无充填，节理延伸长度 0.62.0m，条数 1315 条/m；J2组节理走北 30西，倾向北东，倾角 4568，节理面平直、光滑，紧闭至微张，无充 填。节理延伸长度 1.52.0m，条数56条/m。 关于昔格达深断裂的活动性问题，中国地震局地壳应力研究作此项工作 (西攀路 K132K137 段两桥、两隧工程场地地震安全性评价报告)，其 结论：昔格达断裂在新九以北是晚更新世活动断裂，场区所在的昔格达断裂 段全新世不活动；场区的其它断裂均为新九以北昔格达断裂的次级断层，这 西南交通大学硕士研究生学位论文 第 12 页 些断层全新世不活动；未来百年场区断层不会发生形成地表错位的构造活动。 经对区内地震危险性分析，其结论：本公路段的地震基本烈度为度。 又据 2001 年出版的中国地震动反应谱特征周期区划图 ，地震动反应谱特 征周期为 0.45s。 评价报告结论中还指出，估计未来百年与过去百余年的地震活动水平大 致相同，但应该考虑来自远场的影响。 2.1.4 水文地质条件 边坡区水文地质条件简单，地表斜坡坡度大，地表水排泄条件好，降雨 经斜坡汇入梁子田 2 号桥和枣子林小桥冲沟，而后流入安宁河。边坡区未见 泉水出露，地下水位埋藏较深，勘察期间地质 ZK1、ZK2 号钻孔未见水位， 地质 ZK3、ZK4 号钻孔揭露，地下水位埋深为 14.6821.04m。 地下水类型主要有崩坡积层孔隙水和基岩裂隙水两种，孔隙水赋存于崩 坡积土层中，接受大气降水补给，经短距离运移，部分补给基岩裂隙水，部 分于地形低洼处以浸水的形式排泄。崩坡积层具透水性好、富水性差的特征。 基岩裂隙水主要赋存于浅部裂隙发育带，补给条件差，地下水贫乏，弱 风化带以下含水甚微，可视为相对隔水层。 因边坡区无泉水出露，钻孔水有大量循环水混入，地表冲沟水均为孔隙 水、裂隙水渗流汇集而成，其水质基本能代表地下水水质，故