（岩土工程专业论文）高速公路高填路堤边坡稳定机理研究.pdf

摘要 高速公路做为一种线状构筑物，具有路线长、涉及面广的特点。修建在膨胀土地区 的高速公路，存在有很多高填方路段，其路基及路面共同承担着行车荷载的作用。由于 其路堤自重相对较小，在潮湿季节不足以抵消向上的膨胀力，在干燥季节又承受着下卧 膨胀土因失水收缩而带来的影响，易使膨胀土路堤表面出现裂缝，裂缝的出现使得大气 降水“有孔可入”，加剧了裂缝的进一步展开。 本文依托郑州至少林寺高速公路实际工程，以郑少高速公路s k 4 2 s k 4 4 高填方路堤 膨胀土边坡为主要对象，在现场调查及室内试验基础上，进行了膨胀土边坡的稳定计算、 膨胀土工程特性对路堤边坡稳定机理的研究、高填方膨胀土路堤的变形破坏模式分析、 敏感性因素对边坡稳定的影响机理研究、膨胀土边坡的f l a c s l o p e 和f l a c ”数值模拟分 析。论文采用基于极限平衡理论分析的m o h r - c o u l o m b 模型，用f l a c 程序模拟路堤在不同 工况下边坡的稳定性，具体分析高填方膨胀土边坡稳定机理，主要得出以下结论： 边坡最危险滑动面产生滑移的最低点较多地出现在第二级或第三级台阶坡脚，模 拟出来的开裂面位置与现场情况基本吻合； 路堤在填筑施工期间曾遭遇雨水浸透，膨胀土的胀缩机理在路面出现大量纵向裂 缝情况下，起着“推波助澜”的作用，经观察发现，裂缝有进一步发展的趋势； 考虑了诸多因素下的不同工况，模拟出了在车辆超载、路堤开裂、路面不均匀沉 降及膨胀土发生胀缩等情况下，边坡稳定系数的变化，从而可以表明各种因素对边坡的 失稳破坏产生不同程度上的影响。 最后，简要叙述了所能采取的诸如预应力锚索框架梁加固、预应力锚索框架梁和抗 滑桩联合加固、抗滑桩加固等边坡稳定治理措施，同时指出郑少高速公路采用预应力锚 索框架梁联合加固的方法来进行边坡稳定治理是适宜的。 关键词：膨胀土，高填路堤，边坡稳定， f l a c ， 膨胀力 a b s t r a c t f e w a y i s o n e k i n d o f l i n e a r b m l d i n g w i t h f e a t u r e o f s t r e t c h i n g l e n g t h i l ya n d i n v o l v i n g v a r i o u s l y i ne x p a n s i v es o i la r e a , e x i s t i n gp l e n t yo f h i g he m b a n k m e n t ，b o t h t h ee x p a n s i v es o i l s u b g r a d ea n dt h ep a v e m e n tb e a rt o g e t h e rv e h i c l el o a do nt h e m b e c a u s et h ee m b a n k m e n th a s c o r r e s p o n d i n g l yl o w e rs e l f - h e a v i n e s s ，c a n n o tb a l a n c et h eu p s w e l l i n gi nd a m ps e l g o u s ，a n d b e a rt h es h r i n k i n go f e x p a n s i v es o i lu n d e ri ti nd r ys e a s o n s ，w h i c hc a u s et h ee x p a n s i v e e m b a n k m e n ts u r f a c et oc r a c k r a i n w a t e rp e n e t r a t e st h ee r a c k i n g s ，a n dw i d e n st h e m t h i sp a p e rd e p e n d e do nt h ep r a c t i c a ls u b j e c tt h a tf r o mz h e n g z h o ut ot h es h a o l i nt e m p l e f r e e w a y , s t u d i e dt h eh i g he x p a n s i v ee m b a n k m e n ts l o p e so f t h ez h e n g - s h a of r e e w a yf r o m s k 4 2t os k 4 4 船m o s t l yo b j e c t o nt h eb a s i so f f i e l di n v e s t i g a t i o na n dl a b o r a t o r yt e s t , c a r r i e d o ns t u d yo f e x p a n s i v es o i ls l o p es t a b i l i t y ，t h ep r o j e c tc h a r a c t e r i s t i co f t h ee x p a n s i v es o i lh o w t os t u d yo nm e c h a n i s mo f s l o p es t a b i l i t y ，d e f o r m a t i o nd e s t r o ym o d eo f h i g hf i l le x p a n s i v es o i l e m b a n k m e n t ，i n f l u e n c em e c h a n i s ms t u d yo ns e n s i t i v i t yf a c t o rf o rs l o p es t a b i l i t y , u s i n gt h e f l a c s l o p es o f t w a r ea n dt h ef l a c 2 dt os i m u l a t ea n da n a l y z et h ee x p a n s i v es l o p e t h e p a p e ru s e dt h em o l 小c o l l l 咖bm o d e lt oa n a l y z et h ee x p a n s i v es l o p es t a b i l i t yw i t hf l a c 。 m o s t l ye l i c i t e df o l l o w i n gc o n c l u s i o n ： f i r s t , t h em o s td a n g e r o u ss l o p es l i d i n gs u r f a c em o r ea p p e a r si nt h es e c o n dl e v e lo rt h e t h i r dl e v e lo f s t a i r s ，s i m u l a t e dc r a z e s p o s i t i o na n df i e l dc o n d i t i o nt a l l i e sb a s i c a l l y s e c o n d ，t h ee m b a n k m e n ti np l a c e m e n ta n dc o n s t r u c t i o np e r i o do n c ee n c o u n t e r e dr a i n w a t e rt os o a k , t h ee x p a n d i n ga n ds h r i n k i n gm e c h a n i s mo f e x p a n s i v es o i lp l a y e d a d df u e lt o t h ef i r e t h er o l ei nt h em a s s i v el o n g i t u d i n a lc r a c k ss i t u a t i o ni nt h er o a d b e ds u r f a c e ，t h e o b s e r v a t i o ni sd i s c o v e r e dt h a tc m c kh a sf u r t h e rd e v e l o p p i n gt h et e n d e n c y t h i r d ，c o n s i d e r e dm a n yf a c t o r s d i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e s ，s t u d yo nm e c h a n i s mo f e x p a n s i v ee m b a n k m e n ts l o p ef a i l u r e ，s i m u l a t ei nt h es i t u a t i o no f t h ev e h i c l e so v e r l o a d ，t h e e m b a n k m e n td e h i s c e n c e ，r o a ds u r f a c ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta n dt h ee x p a n d i n ga n ds h r i n k i n g m e c h a n i s mo f e x p a u s i v es o i la n ds oo n , s l o p es t a b i l i t yc o e f f i c i e n tc h a n g e d ，t h u sw a sa l l o w e d t o i n d i c a t ee a c h k i n d o f f a c t o r t os l o p e f a i l u r e t o h a v e i n t h e v a r y i n g d e g r e e i n f l u e n c e f i n a l l y , f a c i l i t yr e c i t e dt h a ts l o p es t a b i l i t yf a t h e rm e a s u r es u c h 嬲p r e s t r e s s e dc a b l ea n d f r a m eb e a mc o m b i n e dr e i n f o r c e ，a d v a n c es t r e s sc a b l ea n df r a m eb e a ma n da n t i s l i d ep i l e c o m b i n e dr e i n f o r c e a n t i s l i d ep i l er e i n f o r c ea n ds oo n s i m u l t a n e i t yi n 渤t e dz h e n g s h a n f r e e w a ya d o p t e da d v a n c es t r e s sc a b l ea n df r a m eb e a mc o m b i n e dr e i n f o r c et of a t h e rs l o p e k e yw o r d s ：e x p a n s i v es o i l ，h i g he m b a n k m e m ，s l o p es t a b i l i t y , f a i l u r em e c h a n i s m , f l a c ， e x p a n s i v ep o w e r 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 论文作者签名：翌叁型2日期：趁qz 。丘2 受 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，l i p ： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本人授权河 南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保 密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 日期：塑旦z 2 旦 日期： 有关知识产权的保证 本人所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果，本人在校期间的研究成果及发表的论文，知识产权归河南工业大 学所有。本人毕业后发表的，以本人在校期间研究成果的基础上完成的论 文、研究报告及其它科研成果，将署名河南工业大学为作者单位。 论文作者签名： 导师签名： 否凤镌 日期： 日期： 丝旦2 12 夕 工咿1 j 、h 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 1 1 论文研究意义 第一章绪论 1 1 1 国外高速公路发展概况 高速公路是为汽车交通提供特别服务的基础设施，是在普通公路的基础上逐渐发展 演变而来的。本世纪二十年代，在交通发达国家中出现了划分行车线的四车道公路；三 十年代中期又开始设置中间分隔带和立体交叉，成为现代高速公路的雏形；到四十年代， 高速公路的基本技术标准已相当完备，设计车速己达到1 2 0 k m h 。 德国是最早修建高速公路的国家，早在1 9 1 9 年通车的越，u s ，是世界上最早设有 上、下行车道、中间设分隔带的公路“1 。1 9 2 8 年1 9 3 2 年德国就建成了从科隆至波恩的 世界上第一条高速公路，目前有1 1 万公里高速公路，总里程位居世界第四；美国1 9 3 7 年修建了第一条高速公路，目前高速公路总里程8 9 万公里，居世界第一；加拿大修建 高速公路1 6 5 万公里，不征收车辆通行费，其总里程位居世界第三。截至目前，全世界 已有8 0 多个国家和地区拥有高速公路，通车总里程超过了2 3 万公里0 1 。 1 1 2 我国高速公路发展概况 高速公路是具有四个或四个以上车道，并设有中央分割带，全部立体交叉并具有完 善的交通安全设施与管理设施、服务设施，全部控制出入口，专供汽车高速度行驶的公 路嘲。它不仅是交通运输现代化的重要标志，同时也是一个国家现代化的重要标志。1 9 8 8 年1 0 月，里程1 8 5 k m 沪嘉高速公路的通车，实现了我国大陆高速公路零的突破：1 9 9 1 年9 月沈阳一大连( 全长3 7 5 k m ) 高速公路的建成通车，揭开了我国修建高标准长距离 高速公路的序幕。2 0 0 3 年3 月2 1 日沈大高速公路进行全线封闭改造，这是中国第一条 八车道高速公路。据2 0 0 6 年1 1 月我国交通部发布的国家高速公路网规划，我国高 速公路发展里程情况见表1 1 。 表1 - ! 我国高速公路发展里程一览表 年份 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 7 里程( 万公里) 0 8 7 3 31 1 6 51 61 9 4 3 72 53 44 14 5 45 世界总里程排名 43322222 1 1 3 边坡稳定问题的提出 在世界各国都在大兴土木、加速修建高速公路的同时，也出现了不少实际问题。对 河南工业大学硕士学位论文 于路线选择，路堤路堑的填挖，路基土质性质，高速公路病害，路基、边坡的排水系统， 下伏煤矿采空区对路堤稳定的影响，路基不均匀沉降，路面纵、横向裂缝治理，以及高 填方路堤边坡稳定问题，都对现有或规划中的高速公路修建与维护，产生着很大的影响 与危害。对边坡稳定课题的研究，历来为工程界所关注，因为大型的水利、交通、高层 建筑物或构筑物工程的兴建，首先涉及到的都是安全问题，而安全问题又必先体现在边 坡工程的稳定上。同时，高速公路边坡工程，尤其是高边坡的稳定，不仅由于它的车速 高、通行能力大，而且由于修建高速公路的投资大、造价高，一旦出现路面裂缝、边坡 失稳、滑坡等问题，可能削弱它所带动的社会效益和经济效益。 高路堤边坡稳定性问题一直是高速公路修建过程中一个普遍问题。对于高填方路堤 而言，不良地质条件、路堤填土不密实、边坡防护工艺不当等因素都会造成路堤边坡失 稳导致路面结构裂缝的出现。因而在高填方路堤的设计、施工中，应当采取措施防止路 基边坡失稳和路面结构开裂，这就有必要在详细调查和了解工程地质条件和外部环境条 件的基础上进行路堤边坡的稳定性分析，根据分析结果进行方案设计和施工工艺的选 择，对于既有高速公路上已经出现的边坡失稳和路面结构裂缝的情况，更应当慎重对待。 为此，对高速公路高填方路堤边坡稳定机理这一课题的研究就显得尤为重要。但是， 高速公路的兴建又由于工程地质等外在条件的差异而遇然不同。本文将在深入理论分析 的基础上，结合河南郑州至少林寺高速公路工程实例，对本课题的研究做出详细的阐述 和精辟的论断。 1 1 4 本课题的研究意义 高速公路做为一种线状构筑物，具有线路长、涉及面广的特点。修建在膨胀土地区 的高速公路，其路基和上部路面共同承担着行车荷载的作用。一方面，由于其路基自重 相对较小，在潮湿季节不足以抵消向上的膨胀力，在干燥季节又承受下卧膨胀土因收缩 带来的影响，易使膨胀土路基表面出现裂缝；另一方面，建设过程中出现高填方边坡和 高挖方边坡，而高边坡治理一直是公路工程的“老大难”问题，膨胀土高边坡尤其如此。 在当前我国国民经济飞速发展的今天，大规模、高投资、全国性的高速公路建设正 如火如茶，而设计、施工、运营及养护等过程中存在的问题和病害也数不胜数。公路路 基的破坏、变形、沉降，边坡工程中边坡的失稳、滑坡、坍塌、特殊土的影响、下伏空 洞的影响等，都对边坡危害严重，高速公路路面出现纵向裂缝、横行裂缝、差异沉降、 路面变形、滑移等，对正在建设或是已经运营中的高速公路，存在着潜在的危害。 本文基于极限平衡理论，定量分析高路堤边坡的稳定性，在考虑了不同工况下，用 f l a c 软件对膨胀土边坡进行数值模拟，探讨了边坡失稳的敏感性因素，研究高填路堤 膨胀土边坡的稳定机理，这些研究工作对工程设计、建设、运营与养护等工作都具有指 2 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 导和借鉴意义，为边坡的加固治理提供了依据，同时提出了一种更为简便快捷的边坡稳 定计算方法。当前，对高边坡稳定尤其是高填方膨胀土路堤边坡的研究，是一个亟待解 决的问题，本文将在仔细勘察现场情况、充分调查地质资料的基础上，进行室内试验、 理论公式推导和数值模拟计算，对本课题进行深入研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 边坡稳定的研究现状 边坡稳定性研究自1 9 1 6 年条分法至今，已经形成了一套相当成熟的理论体系。但 是由于土的复杂性质，现今学者仍在对不同的土质进行针对性的研究分析。对于膨胀土 这种特殊性质的粘土，进行边坡稳定分析时广泛使用的有极限分析法和有限元法。 国外有许多学者对边坡稳定性研究作出了卓有成效的贡献。伍( w m 和克拉夫特 t y , x a t f t ) 等人曾对土质边坡作过典型研究；麦克马洪( m c m a h o n ) 等人论述了概率方法在岩 质边坡中的应用；恩格因( n g u y e n ) 等人报告了矿山排土场的可靠性分析；阿一格里瓦斯 ( a - o r i v a s ) 等对累进破坏的概率分析方法、范马克斯( v a n - m a r c k e ) 等对三维效应的概率分 析方法均作了有益的探讨；坎布( c a m b u ) 等人根据线性一次逼近理论，采用随机有限元 方法进行可靠性分析”。 在我国，8 0 年代祝玉学等人也对边坡工程的稳定性分析作了系统的研究；1 9 9 5 年 华北水利水电学院刘汉东嘲博士系统研究了边坡失稳破坏的机理和定时预报理论；2 0 0 1 年王兰生御教授等人对川西山区公路边坡地质灾害进行了系统的研究；2 0 0 5 年饶为国哪 博士等人结合郑州至少林寺高速公路路基九标路面裂缝的治理与高边坡加固工程，提出 用预应力锚索框架梁和抗滑桩联合加固方案来处理该公路病害。 边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否需要对其进行加固与治理，防 止其发生破坏的重要决策依据。边坡发生破坏失稳是一种复杂的地质灾害过程，由于边 坡内部结构的复杂性和组成边坡岩土性质的不同，造成边坡的破坏具有不同模式，对于 不同的破坏模式就存在不同的滑动面，因此就应采取相应的分析方法及计算公式来分析 其稳定状态。目前用于边坡稳定性分析的方法大体上可分为定性分析方法和定量分析方 法两大类。定性分析方法包括工程类别法和图解法，定量分析方法主要有极限平衡法、 极限分析法( 见表1 2 、表1 3 ) 。 极限平衡理论是根据边坡上的滑体的力学平衡原理，来分析边坡各种破坏模式下的 受力状态，运用边坡滑体的抗滑力和下滑力之间的比值即安全系数，来评价边坡的稳定 性。工程中常用的基于极限平衡理论进行边坡稳定性分析的计算方法见表l - 4 。 河南工业大学硕士学位论文 表1 - 2 数值模拟方法比较 模拟方法基本原理 求解方式 离散方式使用条件 有限元( f e l i )最小势能原理解方程组 全区域划分单元连续介质、不均匀材料 边界元( b 删)b e t t i 互等定理解方程组边界上划分单元均质连续介质、小变形 离散元( d 础) 牛顿运动定理 显式差分 全区域划分单元不连续介质、大变形、低应力 有限差分( f 脚)牛顿运动定理显式差分全区域划分单元 连续介质、大变形 表i - 8 数值模拟方法分类 分析的问题或理论 数值方法数值模拟分析法 基础 有限差分法( f 珊，1 9 8 6 )着重分析岩土介质 连续变形有限单元法( f 咖，1 9 9 6 )的连续变形特性，以有限 分析方法 边界单元法( b 删) 差分法和有限单元法应 无限单元法( i 尉) 用最为广泛 离散元法( d f 强i ，1 9 7 0 ) 刚体弹簧模型( r b s m ) 或刚体有限单元法( r f 蹦)其中非连续变形方 非连续变形流形方法( 埘，1 9 9 0 )法、流形方法、无单元方 分析方法 无单元方法 法，无网络伽辽金法及耦 无网络伽辽金法及耦合方法 合方法均基于块体理论 块体介质不连续变形分析方法( d d a ，1 9 8 5 ) 表1 - 4 部分极限平衡理论下的分析方法 分析方法假设条件 力学分析应用范围及特点 8 ) 滑动面为圆弧 a ) 圆弧画面滑坡 1 ，f e l l e n j u s 法 b ) 定转动中心 整体力矩平衡 ( 1 9 2 7 ) c ) 垂宣条分滑体 b ) 不考虑条间作用力 d ) 稳定系数偏小 a ) 不考虑条间切向力 a ) 任意形状滑面 2 b i s h o p 法 整体力矩平衡b ) 垂直条分滑体， ( 1 9 5 5 ) 与静力平衡较适用于土坡 b ) 条问作用力水平 c ) 稳定系数稍大 4 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 a ) 滑块可为不规则形状a ) 适用于折线形滑面 3 分块极限a ) 分块力矩平衡 b ) 滑块与分块界面同时达到极 b ) 垂直条分 平衡法b ) 分块力平衡 限状态c ) 稳定系数偏大 a ) 滑动面可为不规则形状 a ) 垂直条分滑体 b ) 适用于非均质土坡 4 j a n b u 法 b ) 条问力位置离滑面上h 3 处 a ) 分块力矩平衡 c ) k 值介于b i s h o p 法 ( 1 9 5 4 ) b ) 分块力平衡 c ) 考虑条间作用力 与分块极限平衡法 之间的解答 a ) 滑体先破裂成相互错动的块 a ) 任意形状滑面 5 s a m 法 体才能滑动 a ) 分块静力平街b ) 任意条分滑体 ( 1 9 7 3 ) b ) 滑面与侧面都达到极限状态b ) 分块力矩平衡c ) 适用于岩质或 c ) 滑体作用临界水平加速度 土质滑坡 a ) 条间力合力方向与上一 a ) 任意形状滑面 6 传递系数法 块滑面平行( 即与滑面倾a ) 各分块力平街 b ) 垂直条分滑体 角一致)b ) 考虑分条面上 ( 不平衡推力法)c ) 适用于岩质滑坡，且 b ) 本条块间作用合力为负值， 的剪力 滑动面倾角不宜过陡 则记向下块传递的推力为零 a ) 相邻条块间法向力e 与切向 7 m o r g e n s t e r n 力z 存在与水平方向坐标的a ) 分块力矩平衡a ) 任意形状滑面 - - p r i c e 法函数关系( 列e = 2 ，g ) )b ) 分块切向力平b ) 垂直条分滑体 ( 1 9 6 5 ) b ) 条间力作用点位置随滑面倾 衡与法向力平衡c ) 适用于土坡 角连续变化 8 s p e n c e r 法a ) 滑动面为圆弧a ) 分块力平衡可用于岩质或土质滑 ( 1 9 6 7 ) b ) 铆e ) 为一常数 b ) 分块力矩平衡坡，垂直条分滑体 a ) 受结构面或软弱面控制形成 a ) 适用于岩质楔形体 9 楔形体法的楔形体滑面，且各滑面均为a ) 整体静力平衡 滑坡 平面 a ) 滑体为平面滑动a ) 平面滑动滑坡 1 0 平面直线法a ) 整体力平衡 b ) 岩质滑坡或砂性土 b ) 滑体作刚体运动 滑坡 5 河南工业大学硕士学位论文 在工程实践中，主要是根据边坡破坏滑动面的形态来选择极限破坏法。例如平面破 坏滑动的边坡，可以选择平面破坏计算法来计算；圆弧形破坏的滑坡可以选择f e l l e n i u s 法或b i s h o p 法来计算；复合破坏滑动面的滑坡可以采用j a n b u 法、m o r g e n s t e m p r i c e 法、 s p e n c e r 法来计算；对于折线形破坏滑动面的滑坡可以采用传递系数法、j a n b u 法等来分 析计算；对于受岩体控制而产生的结构复杂的岩体滑坡可选择s a r m a 法等方法来计算， 此外还可以采用h o v l a n d 法和l e s h - c h i n s k y 法等对滑坡进行三维极限平衡分析。1 。 极限平衡理论下的各种计算方法，尽管每种分析方法都有它适用范围及假定条件， 且得出的计算公式所涉及的因素各不相同，但将它们都归结为极限平衡法，其大前提是 相同的，所以极限平衡法都有三个前提，e p - ( 1 ) 滑动面上实际土体提供的抗剪强度f 与作用在滑面上垂直应力盯存在以下关系： f = c + 盯t a n ( 1 - 1 ) 或t = 一十( 盯一“) 切n 7 ( 1 - 2 ) ( 2 ) 稳定系数f ( 安全系数) 的定义为沿最危险破坏面上作用的最大抗滑力( 或力矩) 与下滑力( 或力矩) 的比值，即： f = 抗滑力下滑力 ( 1 - 3 ) ( 3 ) - - 维( 平面) 极限分析的基本单元是单位宽度的分块滑体。 极限平衡分析除了上述几点共同前提外，还具有基本相似的分析计算步骤： ( 1 ) 在断面上绘制滑面的形状。根据滑坡外形及滑坡中段的滑面深度、坍塌情况、破 坏方式( 平面、圆弧、复合滑动等) ，推测几个可能的滑动面现状： ( 2 ) 推定滑坡后裂缝及坍塌带的深度，计算或确定其产生的影响； ( 3 ) 对滑坡的滑体进行分块，分块的数目要根据滑坡的具体情况确定； “) 计算滑动面上的空隙水压力，可采用地下水监测等方法确定； ( 5 ) 采用合适的计算方法，计算稳定系数。 1 2 2 公路高填路堤的研究现状 国内外在公路高填路堤方面已进行了大量的研究，现有的研究成果主要集中在以下 几个方面： ( 1 ) 高路堤纵向裂缝产生原因：通常认为高路堤纵向裂缝的产生一般与路基与地基的 沉降变形有关，根据产生的原因不同可将纵向裂缝分为变形稳定性失稳产生的不均匀变 形裂缝及强度稳定性失稳产生的整体活动裂缝两类，上述两种类型的破坏需要分别对 待。 ( 2 ) 高路堤边坡破坏机理：主要集中于研究路堤破坏原因、路堤设计叫和施工“”中存 在的问题，如路堤内部的排水“、地基土和路堤土的试验方法“”、稳定性计算方法“” 6 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 和计算参数的选取等方面。 ( 3 ) 高填路堤沉降变形：主要的研究方向集中在高填方路基主要病害分类及其特征描 述，路堤沉降的计算方法，高路堤工后沉降的预测模型以及高路堤填土压实技术等方面。 “) 高路堤边坡支护方法：主要研究方向集中在边坡分类方法“”及指标、边坡支护设 计基本理论、边坡支护“”措施设计计算方法及边坡支护设计计算机软件系统等方面。 ( 5 ) 高填路堤纵向裂缝治理技术：主要研究集中在封缝材料的性能和裂缝封闭或修补 施工的工艺等方面。 ( 6 ) 高填路堤边坡稳定分析：主要对路堤边坡进行稳定性分析“8 “3 与验算嘲，计算边 坡最危险滑动面及边坡稳定系数。 ( 7 ) 高填路堤边坡加固治理：对高速公路路面、路堤或边坡出现的横向、纵向裂缝、 滑移、失稳等边坡问题，进行加筋土脚剜、支挡桩、抗滑桩。“捌、土工格栅。封、注浆 锚管恤1 、锚杆、预应力锚索4 1 ，预应力锚索和普通锚杆构成的锚固格子梁结构加固一、 框架梁、锚杆框架梁嘲、锚索地梁“叮、锚索锚杆框架地梁“、预应力锚索和框架梁联合 加固“蜘、锚索框架梁和抗滑桩联合加固等方法。 1 2 3 边坡治理工程进展 我国曾在贵昆线二梯岩滑坡治理中采用沉井式挡土墙，在成昆线建设中成功地使用 大截面挖孔钢筋混凝土抗滑桩。7 0 年代后期，日本开始应用1 5 3 5 m 的挖孔抗滑桩， 欧美国家和俄罗斯多用钻孔混凝土灌注桩。防治工程在采用小直径抗滑桩的同时，为治 理大型滑坡，开始采用大直径的挖孔抗滑桩。抗滑支挡结构的另一个特点是锚索工程在 滑坡治理中的大量应用。锚索可以与抗滑桩联合使用，或在加反力梁或锚墩的条件下单 独使用。因为锚索工程不开挖滑体，又能机械化施工，比抗滑桩工程节省造价5 0 u ”。 铜川黄陵高速公路k 1 4 2 + 7 3 0 k 1 4 2 + 9 4 0 段路基左侧的西河滑坡，滑坡体的下方 ( 路基右侧) 就是西河水库，挡护工程采用预应力锚索框架梁和钢筋混凝土桩联合支护。 浙江省宁波市象山县丹城镇东北角的龙泽名园，沿山坡修建时，开挖的人工边坡全长约 9 8 6 m ，坡高6 1 m ，坡度为1 ：0 1 1 ：0 2 ，边坡用预应力锚索+ 框架梁结构进行治理。成 都重庆高速公路引入重庆段的谢陈路k 1 + 5 2 0 k i + 7 3 0 处，路堤顶面宽度3 4 m ，中 心最大填高1 8 5 m ，最大边坡高度约2 4 m ，1 9 9 4 年路堤填筑完毕通车不久路面距路肩3 1 8 m 处就下沉、开裂，边坡发生坍塌，最后经过设计方案比较，采用以预应力锚索加固 路堤为主，辅以其它综合措施的整治方案。2 0 0 5 年郑州少林寺高速公路路基九标路面 裂缝的治理，采用预应力锚索框架梁和抗滑桩方案来加固阴。 7 河南工业大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容和研究思路 本文结合郑州至少林寺高速公路实际工程，以该标段s k 4 2 s k 4 4 为主要对象，研 究影响高速公路高填方路堤边坡稳定的机理，从边坡变形破坏的内因、外因两个方面入 手，详细阐述膨胀土对路堤边坡稳定的影响，进行室内试验，运用理论分析与计算机数 值模拟相结合的方法，力争作出初步的成绩，以期为今后进一步的理论研究与实践生产， 做出应有的努力。 本论文将要开展的主要工作有： ( 1 ) 为土质边坡的稳定分析提供理论基础一极限平衡理论。 ( 2 ) 室内试验：由郑少高速公路s k 4 2 s k 4 4 段取回土样，进行室内试验，得出该研 究标段填土的各个物理性质指标和试验参数，为理论分析与计算做好准备工作。 ( 3 ) 理论计算：采用理论分析、公式推导的方法，使得理论计算切实可行。考虑不同 工况下的路堤边坡计算分析嘲，得出与实际工程现场状况差异较小的结果。本文拟采用 路面开裂状况下的折线型路堤边坡破坏模式来分析高填方膨胀土路堤边坡的稳定性。 “) 高边坡失稳主要原因分析：从客观环境出发，探析造成高路堤边坡发生破坏的真 正原因。边坡滑动失稳的原因大体上有两种：一是外界力的作用破坏了土体内原来的应 力平衡状态，如路堤填筑或土坡面上作用外荷载时，以及土体内部水的渗流力、地震力 的作用，会破坏土体原来的应力平衡状态，促使土坡坍塌；二是土的抗剪强度，由于受 到外界各种因素的影响而降低，促使边坡失稳破坏，如由于外界气候等自然条件变化， 使土时干时湿、收缩膨胀、冻结、融化等，从而使土变松强度降低；边坡内因雨水的浸 入使土湿化，强度降低。 ( 5 ) f l a c 程序模拟高路堤边坡稳定：f l a c ( f a s t l a g r a n g i a n a n a l y s i s o f c o n t i n u a ) 是由 美国i t a s c a 公司开发的显式有限差分程序，能较好地模拟材料在达到强度极限或屈服极 限时发生破坏或塑性流动力学行为，分析渐进破坏和失稳，特别适用于模拟大变形。 论文的研究思路： 以郑州少林寺高速公路为契机，对s k 4 2 + 1 5 0 - - 4 2 + 4 5 0 段高填方边坡出现的失稳问 题，在全面剖析高边坡失稳的影响因素之下，着重考虑该标段路堤所填筑的弱膨胀性土 和汽车车辆超载的最不利情况下，通过理论计算分析边坡稳定性；在工地取土进行室内 试验的基础上，用f l a c 法模拟边坡最危险滑动面，分析影响边坡稳定的敏感性因素；通 过分析不同工况下路堤边坡的稳定性，研究高速公路高填方膨胀土路堤边坡的稳定机 理：最后，针对高填方路堤的破坏模式，指出治理路堤边坡失稳的加固措施。 8 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 第二章土体边坡稳定理论及其计算方法 2 1 土体边坡稳定理论 土坡系指具有倾斜坡面的土体。由于土坡表面倾斜，在本身重量及其外力作用下， 整个土体都有从高处向低处滑动的趋势，如果土体内部某一个面上的滑动力，超过土体 抵抗滑动的能力，就会发生滑坡。边坡稳定性分析是确定边坡是否处于稳定状态，是否 需要对其进行加固与治理，防止其发生破坏的重要决策依据h 町。 2 1 1 土体变形 土是散粒体，其本构关系比其它材料复杂得多。试验结果表明，土体的变形特性 是很复杂的，主要有以下几点： ( 1 ) 土体变形有明显的非线性特性。在受轴向拉压时，应力应变关系初始阶段为直 线，材料处于弹性变形阶段；当应力达到某一临界值时，应力应变关系明显转为曲线， 材料同时存在弹性变形和塑性变形。对于松砂和正常固结粘土，几乎没有直线阶段，从 加荷一开始就呈非线性。这种非线性变化的产生是因为除弹性变形以外还出现了不可恢 复的塑性变形。 ( 2 ) 土体不仅有显著的塑性体积变形，而且剪应力会引起塑性体积变形，这叫剪胀性， 另外球应力也会产生剪应变。 ( 3 ) 土体的应力应变关系曲线有硬化和软化两种类型。硬化即是变形随应力而不断 增加，软化是应力应交关系曲线存在峰值，过了峰值后应力虽然减小，变形仍在增加。 “) 应力路径、应力历史、中主应力和固结应力等，对变形均有显著影响。 ( 5 ) 土体变形是各向异性的。不仅存在原生的由土体结构的各向异性带来的变形各向 异性，且对于结构上各向异性的重塑土，在受力不同时，也会产生新的变形各向异性。 2 1 2 极限平衡理论 土体边坡稳定理论即是极限平衡理论，它近似地把土体看作塑性材料，计算坡体在 破坏面上达到极限平衡时的安全系数，以判断其稳定性。求算安全系数时，系将材料的 强度下降到坡体开始失稳( 满足极限平衡条件) 为止，而材料强度的降低倍数即为安全 系数。通俗地讲，即是检算几个可能破坏面上滑动土块力的平衡，求出在极限状态下的 抗剪强度与实有剪应力之比称为安全系数。此概念由费里纽斯( w f e l l e n i u s1 9 2 7 ) 首先 提出沿用至今。安全系数最小的剪切面就是最危险的滑动面。目前该法已经广泛地应用 于各项岩土边坡工程中，其主要思想是将滑体视为刚体，不考虑其本身变形。 9 河南工业大学硕士学位论文 土体边坡发生滑动的破坏面可为已知的，如各种地质界面等；也可为未知的，如均 质土坡的破裂面等。当可能的滑动面不止一个时，应分别计算各自的安全系数，取最小 值作为该坡体实有的安全系数。除楔型滑块外，平面型、圆弧型均简化为平面问题，选 取有代表性剖面进行计算，边坡岩土体破坏遵从库仑一摩尔定律；根据稳定系数计算公 式只= 求得稳定系数，并根据不同的边坡确定不同的稳定系数，一般稳定 系数取1 3 1 5 ，同时认为当边坡的稳定系数只= 1 时，滑体处于极限平衡状态。 ( 1 ) b i s h o p 法 毕肖普晦刚( 1 9 6 0 ) 考虑了条件力的作用，并将土坡稳定安全系数只定义为沿整个 滑裂面的抗剪强度f ，与实际产生的剪应力f 之比，即只- - - - t ，r ，于1 9 5 5 年提出了一个安 全系数计算公式。如图2 1 所示，局及五分别表示法向及切向条间力，形为土条自重， q j 为水平作用力，、r ，分别为土条底部的总法向力( 包括有效法向力及孔隙应力) 和切向力，其余符号见图2 - 1 。 ( a ) 作用力( b ) 力矢多边形 图2 - 1作用于土条上的各种作用力 根据每一土体垂直方向力的平衡条件有 彬+ 置一以l zs i n w , 一i c o s q = 0 或 m c o s q = 形+ 墨一以l 一霉s i n a i 按照安全系数的定义及摩尔一库仑准则，t 。可用下式表示 互昨移= 鲁+ 嘶) 警 l o ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 代八瓦【2 1 ) ，求得土条厩邵思云同刀为： m = 卜阮岷) 一半+ 喇去 c z - s ， 式中 埘讲= c o s a f + t a n q = s i n a , ( 2 4 ) 极限平衡时，各土条对圆心的力矩之和应为零，此时条间力的作用将互相抵消，得 形而一z 震+ q 巳= o ( 2 5 ) 将式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 代入( 2 5 ) ，且五= r s i n a i ，最后得到安全系数的公式为： e ：兰圭丝：堕：竺：竖：型型6 ， 嘭s i i l q + q 量 式中6 f 是土条宽度，是土条沿滑动面长度，q 、科是土体强度参数，q 是滑动面 切线与水平方向的夹角，“。是负孔隙水压。为使问题求解，毕肖普又假定各土条之间的 切向条间力均略去不计，即假定条间力合力是水平的，这样式( 2 - 6 ) 可简化为： 只：兰壶坠：竖：竺竺! - - 形s i i l q + mq l 夤( 2 - 7 a ) 将非饱和土的总凝聚力q = + 甜，t a n 钆和虬= u a 代入式( 2 6 ) 得到 只；三圭垦竺：竺竺! 二竖：! ! = ! ! 竺竺! 。2 一，b ， - - 彤s i n + mq 詈 土坡与大气相通，= 0 ，式( 2 7 b ) 变为 e ：三圭丝：! 竺竺：兰型 。， 翻s i n a , + q f 詈 ( 2 ) f r e d l u n d 澎i f r e d l u n d ( 1 9 9 3 ) 考虑了非饱和土负孔隙水压( 基质吸力) 对土坡稳定性的影响， 导 h 了非饷和+ 仂垃力矩平衡和水平力平街的寄伞紊粒。力矩平衡的安伞系数为： 河南工业大学硕士学位论文 兄：生熹善尊必 。， 驴j 上_ 瓦砭瓦葛旷二l 一 心。9 水平距离，是法向力作用线至转动中心的垂直距离，是土条底面上的总法向力： ：二g矿二!,!二型、二工ctsina：jpsin二a_竺,n 也；0 ) ，( 2 - 1 0 ) = l j 二_ 一l 甜 =l ，() 瓦= ( 2 - 1 i ) 如果土坡坡顶无张性裂缝，水平力4 = q f ，同时假设土坡沿圆弧滑动，则厂= 0 。 考虑土条同时满足力平衡和力矩平衡，则只= 只，对于饱和土妒= 矿，由滑动体的几 何关系知，t = r is i n t z , ，岛= 屈c o s o t t ，式( 2 一1 1 ) 为 e ：己：三壶丝：竖：竺竺竺! 。也， 彬s i n o l + q f 善 式( 2 - 1 2 ) 与毕肖普土坡稳定性安全系数公式( 2 8 ) 完全一致。 ( 3 ) j a n b u 法 对于松散均质土体边坡，由于受基岩面的限制而产生两端为圆弧、中间为平面或折 线的复合滑动，分析具有这种复合破坏面的边坡稳定性可用j a n b u 法。 图2 - 2d a n b u 法力学模型 1 2 暖 1 矿 高速公路高填路堤边坡稳定机理研究 j a n b u 法的力学模型如图2 2 所示。j a n b u 法假设垂直条件侧面上的作用力位于滑面 之上1 3 条块高处，并且作用于条块的重力、反力通过条块底面的中点。由图2 - 2 可知， 条块上作用力有：分块的重量形；作用在分块上的地面荷载q ；作用在分块上的水平 作用力( 如地震力) 旦0 ；条间作用力的水平分力五；条间作用力的垂直分力e ；条块 底面的抗剪力( 抗滑力) s ；条块底面的法向力m 。j a n b u 法计算稳定系数的特点是计 算准确但步骤复杂，主要适用于复合破坏面的边坡，既可用于圆弧滑动，也可用于非圆 弧滑动，但条块分割时要求垂直分条分。 j a n b u 法满足平衡的条件有：条块水平方向力平衡；条块垂直法向力平衡； 条块绕分块底滑面点力矩平衡。因此，由垂直方向力平衡yj ，= 0 ，得 形+ 奶一mc o s a j s ss i l l q + z 一鬈+ l = 0 ( 2 1 3 ) 由水平方向力平衡y x = 0