（地质工程专业论文）黄延高速公路k207690～830段边坡稳定性分析.pdf

论文题目：黄延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 段边坡稳定性分析 专业：地质工程 硕士生：韩飞 指导教师：王贵荣 摘要 ( 签名) ( 签名) 黄延高速公路是国家规划建设的西部开发的八条公路干线之包头一北海公路的重 要路段，是陕西省“米”字形公路骨架的主干线之一。由于西部地区黄土广布，地形地貌 条件复杂，滑坡地质灾害时有发生，不仅给公路的建设和维护带来了巨大的影响，而且 还使脆弱的生态环境遭到破坏。因此，研究公路边坡的稳定性及治理方案具有重大的理 论与实践意义。 本文在详细分析黄延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡的工程地质、水文地质、气 象气候条件、地震动参数等条件的基础上，比较了极限平衡法的各种条分法的优缺点， 选择简布法、摩根斯坦一普赖斯法、斯宾塞法这3 种方法对该边坡在自然状态条件和饱 水状态条件下进行稳定性的计算。分析表明在自然状态条件下，本边坡处于临界稳定状 态，随时有发生破坏的危险；在饱水状态条件下，本边坡处于不稳定状态。 由于考虑到极限平衡法不能考虑边坡岩土体的应力应变关系，故对该边坡在两种 工况条件下进行弹塑性有限元变形分析，从位移、位移矢量、应力、应变方面对该边坡 进行变形分析。模拟结果表明：在自然状态条件下及饱水状态条件下，整个边坡体整体 有向下坡方向的位移，而且位移等值线基本上是沿着基岩与土体的接触面向坡脚方向分 布的，在坡体的顶部达到了最大值。各种应变主要集中在基岩与土体的接触面的中下部， 而且在饱水状态条件下要比在自然状态条件下该边坡相应的点的应变要大的多。 。 本文利用蒙特卡洛法( m o n t e c a r l o m e t h o d ) 分别以j a n b u 法、瑞典法及毕肖普法 为功能函数对该边坡在自然状态条件和饱水状态条件下进行可靠性分析。在自然状态条 件下，该边坡在上述3 种功能函数下的破坏概率分别为：3 0 9 7 、2 0 9 3 、1 6 0 。分 析认为在饱水状态条件下，该边坡以j a n b u 法、瑞典法和毕肖普法为功能函数的破坏概 率分别为1 0 0 0 , 4 、1 0 0 n , 4 、9 9 9 7 ，属于必然要破坏的边坡。 根据该边坡自身特点，选用了重力式挡土墙与摊水措施相结合的复合加固措旅对该 边坡进行治理。 关键词：边坡；稳定性分析：极限平衡法；弹塑性有限元；可靠性分析；加固 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：s t a b i l i t ya n a l y s i so ns e g m e n tk 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0s l o p eo fh u a n g y a n h i g h w a y s p e c i a l t y ：g e o l o g ye n g i n e e r i n g n a m e ：h a nf e i ( s i g n a t u 哟6 竖2 i n s t r u c t o r ：w a n gg u i r o n g ( s i g n a t u r e a b s t r a c t h u a n g y a nh i g h w a yi sai m p o r t a n ts e c t i o no ft h eb a o t o u - n o r t hs e ah i g h w a yw h i c hi s c o n s t r u c t e db yt h ec o u n t r yi nt h ew e s tr e g i o n a tt h es a m et i m e , i ti so n e o ft h eb a c k b 脚o f t h es h a n x ip m 、，i n c e sm a i nr o a ds k e l e t o n b e c a u s eo ft h ev a s tl o e s si nw e s t e r na r e a , a n dt h e t e r r a i nl a n d f o r mc o n d i t i o ni sc o m p l e x ，t h el a n d s l i d eg e o l o g yd i s a s t e ro c e u r e df i _ i e q u e n t l y i tn o t o n l yh a db r o u g h tt h eh u g ei n f l u e n c ef o rt h er o a dc o n s t m c f o na n dt h em a i n t e n a n c e , b u ta l s o m a d et h ee n v i r o n m e n tt ob ef i a i l e r t h e r e f o r e , s t u d yt h et h es t a b i l i t yo f t h er o a ds i d es l o p eh a d t h es i g n i f i c a n tt h e o r ya n dt h ep r a c t i c es i g n i f i c a n c e ，一 b a s e do i lt h ed e t a i l e da n a l y s eo ft h ee n g i l - 1 4 t i n gg e o l o g yc o n d i t i o n 、h y d r o l o g y g c o l o g y c o n d i t i o n 、m e t e o r o l o g yc l i m a t i cc o n d i t i o na n dt h es e i s m i cp a r a m e t e ro ft h eh u a n g y a n h i g h w a ys l o p e t h e nc o m p a r e dw i t hs t r o n g p o i n ta n ds h o r t c o m i n go fa l lk i n d so ft h el i m i t e q u i p o i s em e t h o d s c h o s e nj 幽m e t h o d 、m o r g e n s t e m - p r i c em e t h o da n ds p e n s e rm e t h o dt o c a l c u l a t et h i ss l o p e ss t a b i l i t yc o e 伍c i e n to nt h en a t u r a ls t a t ec o n d i t i o na n dt h e f u l lw a t e r c o n d i t i o na tl a s t t h ea n a l y s i sr e s u l ti n d i e a t e d t m d e rt h a t , t h i ss l o p ew a si nt h em a r g i n a ls t e a d y s t a t eo nt h en a t u r a ls t a t ec o n d i t i o n , b u ti tw a sa tt h en o n - s t e a d ys t a t eu n d e rt h ef u l lw a t e r c o n d i t i o nc o n d i t i o n ml i m i te q u i l i b r i u mm e t h o dd i d l l tc o n s i d e rt h es l o p e ss t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s t h e r e f o r e , ia n a l y s e dt h es l o p eb yt h ee l a s t o - p l a s t i c if i n i t ee l e m e n tm e t h o du n d e rt w ok i n do fo p e r a t i n g m o d e sc o n d i t i o n s 1 1 圮c a l c u l a t i o n a lr e s u l ti n d i c a t e d t h a t , t h ee n t i r es l o p eb o d y h a d d i s p l a c e m e n tt ot h ed o w n h i l ld i r e c t i o n , a n dt h ed i s p l a c e m e n te q u i v a l e n tl i n ew a sb a s i c a l l y a l o n gt h ei n t e r f a c eb e t 3 e e nb e d r o c ka n dt h es o i l e a c hk i n do fs t r a i nm a i n l yc e n t r a l i z e di nt h e i n t e r f a c eb e t w e e nb e d r o c ka n dt h es o i l h o d y a n dt h es l r a i nv a l u ew a s b i g g e ru n d e rt h ef u l l w a w rc o n d i t i o nc o n d i t i o nt h a ni tu n d e rn a t u r a le s t a t ec o n d i t i o n 1 1 l i sa r t i c l ec h o s e nt h em o n t ec a r l ol a wt h a tt o o kt h ej a n b um e t h o d 、o r d i n a r ym e t h o d a n db i s h o pm e t h o da st h ef u n c t i o nt oc a l c u l a t et h es l o p e s , | e p e n d a b i l i t ym o d u l u su n d e rt h e n a t u r a ls t a t ec o n d i t i o na n dt h ef u l lw a t e rc o n d i t i o n u n d e rt h en a t u r a ls t a t ec o n d i t i o n , t h i s s l o p e sd e p e n d a b i l i t ym o d u l uw a s3 0 9 7 ，2 0 9 3 ，1 6 0 u n d e rt h ea b o v e3k i n d so f f u n c t i o n u n d e rt h ef u l lw a t e rc o n d i t i o n , t h i ss l o p e sp r o b a b i l i t ym o d u l u sw a f t1 0 0 ， 1 0 0 9 9 9 7 u n d e rt h ea b o v e3k i n d so f 如n c 6 0 n i tb e l o n g e dt oi n e v i t a b l yd e s t r o y e ds l o p e b a s e do nt h ec h a r a c t e ro ft h i ss l o p e ，c h o s e ng r a v i t yr e t a i n i n gw a l la n dd r a i n e dd i t c ht o t e h l f o r c et h e s l o p e k e y w o r d s ：s l o p e s t a b i l i t ya n a l y s i s l i m i tf q u i | i b r i u mm e t h o d e l a s t o - p l a s t i c i f i n i t ee l e m e n t d e p e n d a b i l i t ya n a l y s i s r e i n f o r c e t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入或集体已经公开发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：舞吣日期：2 y 7 铲2 j f 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阕和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 ：。毒茹 指导教师签名： 采叠? 壁? 洳7 年孕具6e t 1 绪论 l 绪论 1 。1 选题背景及研究意义 加快西部地区交通基础设施建设是实施西部大开发战略的重点。新中国成立5 0 多 年来，特别是改革开放2 0 年来，我国西部地区交通事业也得到了较快的发展。然而， 由于整个西部地区的地质条件的复杂性，给公路的建设带来了诸多不便，同时许多公路 边坡的失稳给公路运输带来了巨大的损失。因此，研究公路边坡的稳定性及治理方案具 有重大的理论与实践意义。 黄一延高速公路是国家规划建设的西部开发的八条公路干线之包头一北海公路的 重要路段，是陕西省“米”字形公路主骨架中纵贯全省，连接陕北、关中和陕南的纵向 运输主干线的重要组成部分。是陕西省高等级公路进入黄土山区里程最长、投资最多的 工程建设项目，总投资约6 3 7 亿元。 黄延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡，正好位于国道路2 1 0 路基的下方和新建黄 延高速公路的上方，如果该边坡发生剧烈的滑动破坏，不仅要影响到国道2 1 0 的正常运 行，还会阻碍黄延高速公路的建设，给工程建设造成巨大的损失。因此，对该边坡稳定 性进行研究迫在眉睫。 本课题拟用极限平衡分析方法和岩土工程数值模拟方法以及边坡可靠性分析方法 分自然状态和饱水状态两种工况对其稳定性进行分析，最后给出适合该边坡的防治措 施，以达到比较好的治理效果。 本文的研究成果具有一定的理论意义和实践意义。在本地区还分布有大量的类似边 坡，因此，通过对本边坡的稳定性评价及其治理措施的研究将对本区其他类似边坡的稳 定性评价和治理具有很强的指导性意义。 1 2 国内外边坡稳定性研究与治理研究现状 1 2 1 边坡稳定性研究现状 尽管边坡稳定性分析研究由来已久，但一直是岩土工程界的一个古老而崭新的问 题。从其发展过程来看，主要有以下几个阶段：二十世纪初至5 0 年代，边坡稳定性分析 计算是建立在刚体极限平衡基础上的定性研究阶段；二十世纪6 0 年代至7 0 年代，边坡稳 定性研究进入力学机制和边坡内部作用机制相结合的研究阶段；二十世纪8 0 年代以来， 边坡稳定性研究已经步入了系统工程分析研究阶段，可以利用计算机定量或半定量的模 拟边坡从开挖至破坏的全过程。此外，一些新理论、新方法，诸如系统论方法、信息论 西安科技大学硕士学位论文 方法、模糊数学、灰色理论和数量化理论等被引入边坡稳定性研究，为定量评价和预测 边坡稳定性开辟了更为广阔的前景。但是，我国边坡稳定性的研究工作与国外相比起步 是比较晚的。目前我国边坡稳定性的分析评价方法多种多样，大体上可以将它们分为确 定性分析方法和不确定性分析方法两类【1 3 】。 1 确定性分析方法 ( 1 ) 极限平衡理论 极限平衡理论的主要思想是将滑动土体进行条分，由极限状态下土条所受力和力矩 的平衡来分析边坡的稳定性。 分析土条受到的力主要有；竖向力和水平方向的力，底部法向反力和切向剪力，条间 法向及切向力以及条块两侧孔隙压力及作用于土条底部的孔隙压力。根据对条块受力和 边界条件以及滑面形状的不同，有如下几种简化计算方法； 瑞典条分法：该法除了假定滑裂面为圆弧面外，而且不考虑土条两侧的作用力， 其安全系数为滑裂面上的抗滑力矩与滑裂面以上土体的滑动力矩之比，用总应力法求得 给定滑裂面的安全系数，再经反复试算比较可确定出边坡最小安全系数。该方法适用于 土质比较均匀的土体。计算的稳定系数偏低偏低值随妒的增大而增加。一般情况下，偏 低1 0 1 5 以内，在妒很大时，偏低可达2 0 左右。 简化毕肖普法：其假定条问力水平，即只考虑水平推力而不考虑竖向剪力，故安 全系数为整个滑裂面的抗剪强度与实际剪应力之比，然后通过试算迭代法可求得边坡最 小安全系数。 简布普遍条分法：简布法假定滑体中推力线为已知的条件，利用力矩平衡条件把 条间竖向剪力表示成水平推力的函数，其适用于最一般的情况。此外，利用该法不仅可 求出滑裂面平均安全系数及应力分布，还可求出各分界面上的抗剪安全系数作为校核。 极限平衡的其它计算方法除了假定条间力合力作用点位置外，还可假定条间竖向 剪力与水平推力夹角或合力方向，属于这一类的方法有斯宾塞法( s p e n c e r ) 、摩根斯坦 ( m o r g e n s t e r n ) 普赖斯( p r i c e ) 法、沙尔玛法( s a r m a ) 。 ( 2 ) 塑性极限分析和模糊极值理论 1 9 5 2 年，杜拉克( d r u c k e r ) 和普拉格( p r a g e r ) 提出塑性极限分析法，该方法最大特 点是考虑了岩土材料的应力应变关系，并利用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。 由于塑性极限分析所得解答为浮动于某一范围的模糊极值解，所以孙君实提出滑动 机构的概念，并证明了给定滑动机构的耗散功能定理，即边坡极限分析的极大值定理。 将该定理“模糊化”得到给定滑裂面安全系数的模糊极大值定理，再把极大的概念模糊 化为滑体内力状态的模糊状态条件并构造模糊函数和模糊约束条件，提出安全茅斯的模 2 l 绪论 糊解集和最小模糊解集概念，从而建立土坡稳定分析中极大极小问题的模糊极值理论， 使长期以来条分法研究在假定多余未知函数方面存在的随意性问题得到较好的解决。 ( 3 ) 有限单元法 由于塑性极限分析法和模糊极值理论考虑的是土体完全塑性时的应力应变关系， 无法考虑土体的实际非线性应力一应变关系，更无法分析边坡稳定性随变形而发展的实 际情况。d v 格里菲恩等人对有限元法和极限平衡法在二维条件下计算获得的边坡安全 系数作了各种数值比较。他们得出结论，在估算边坡安全系数方面，采用弹塑本构模型 的有限元法是一种值得信赖的方法。用该方法可对二维或三维范围内的边坡安全系数进 行预测，即利用有限单元法，考虑岩土体的非线性本构关系，求出各单元的应力及变形 后，便可以根据不同强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况，并设法将局部 破坏与整体破坏联系起来，求得合适的临界滑面位置，再根据力的平衡关系推得整体稳 定的安全系数。 ( 4 ) 基于实测资料的边坡稳定性评价方法【4 】。 由于边坡的岩土体的地质条件在前期的勘察中已经变的很明确了，而且边坡的稳定 性受外界因数的影响而具有动态变化的特点。因此，加强对边坡的实时监测，通过记录 其发展变化的过程，从而总结出边坡未来发展的方向、程度的近似规律，进而指导边坡 稳定性的评价与治理。如河海大学的肖浩波基于实测资料对某面板堆石坝左岸边坡稳定 性作出了准确的判断，取得了较好的效果。现在常用的监测方法有：3 s 系统是指地理信 息系统( g i s - g e o g r a p h yi n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，遥感( r s r e m o t es e n s i n gs y s t e m ) 和全球卫星定位系统( g p s - g l o b ep o s i t i o n i n gs y s t e m ) 为边坡工程的防治与预测预报 提供了新一代观测手段、描述语言和思维工具。 2 不确定性分析方法 边坡稳定性评价是一项复杂的综合评价工程，其复杂性主要表现在：系统规模较大； 评价指标的类型以及度量标准不同；指标的描述方式不同( 有定性、半定量、定量多种 形式) ；评价信息往往不完整。由于这些边坡本身的物质组成的复杂性特点及其内部的 多样性以及其众多的影响因素，人们难以用确定性分析方法对它进行精确的描述，因而 其研究方法从确定性分析方法发展到不确定性分析方法，并且为了克服边坡稳定性工程 地质评价随意性和不确定性的缺点，人们尝试应用数学方法对整个评价过程进行定量或 半定量描述，并获得了较大进展，如模糊综合评价、灰色分析理论、数量化理论方法以 及可靠度方法等。 ( 1 ) 模糊综合评判方法【5 明 不同的边坡有不同的内部构造和不同的地质作用，处于不同的应力、变形状态；同时不 同类型的边坡其稳定性影响因素也各不相同。如土质边坡，它的稳定性主要取决于土体 性质与地下水活动情况，这些影响因素对边坡稳定性的影响程度是不同的，分属不同的 3 西安科技大学硕士学位论文 层次和类别。为了便于区分各因素在总的评判中的地位和作用，对每一个因素赋予不同 的权值，同时为了更全面地考虑所有因素的影响，可以采用二级综合评判模型。 ( 2 ) 灰色系统分析理论l j ”州 灰色系统理论提出了一种新的系统分析方法，该方法可在不完全的信息中，对所要 分析研究的各因素，通过一定的数据处理，在随机的因素序列间，找出它们的关联性， 发现主要矛盾，找到主要特性和主要影响因素。用于边坡稳定性评价的参数，其实测值 或者统计值均存在着主观和客观的不确定性，各指标值所反映的岩土性质，只有部分是 清楚的，而另一部分是非确知的，它们都是一些灰数。根据灰色系统分析的基本思想， 选择若干个研究清楚并且有明确结论的边坡作为研究对象，描述边坡稳定状态的因素及 其实测值，从中选择若干个边坡作为参考标准( 参考数列) ，其余的边坡作为待评价对象 ( 比较数列) ，求取每个参考数列对所有比较数列的关联度。最后根据最大关联度识别原 则确定待评价边坡的稳定状态 ( 3 ) 数量化理论方法 数量化理论是集定性与定量变量于一体的多变量分析方法，是把没有用数值表示出 来的，经人们判断和评价的数据资料，从量上探索和处理的手段的总称，由日本的林知 己夫教授于1 9 5 0 年提出。数量化理论方法，在解决含有定性与定量变量系统时，有一 定的优越性。因而也将其引进来进行边坡稳定性的分析研究。 除此之外，还有其他的许多方法，如改进的b p 神经网络方法，投影寻踪聚类模型法， 三维极限平衡分析法等【幡1 8 1 。 ( 4 ) 可靠性分析方法 可靠度方法是边坡稳定分析中应用最为广泛的一种不确定性方法。该方法在分析边 坡稳定性时，能充分考虑影响边坡稳定性的各种随机因素如：岩体及结构面的物理力学 性质、地下水的作用以及各种荷载的变异性，通过可靠度指标来表征边坡的稳定性。该 方法也有其自身的缺点是：计算前需要的大量统计资料很难获得，各因素的概率模型及 其数字特征等的合理选取问题还没有得到很好的解决，且计算也比一般的极限平衡法显 得困难的多i “驯。 在斜坡的可靠性分析方法中，根据具体方法的原理、应用条件、应用范围等各自的 特点，具体的可以分为以下几种方法：蒙特卡洛法、一次二阶矩法、r o s e n b l u e t h 矩估 计方法。其中，蒙特卡洛法是应用比较广泛的一种。 蒙特卡洛法亦称为随机抽样技术或统计试验方法，是人工产生和利用随机数的方法 的总称。它是一类采用统计抽样理论近似求解数学、物理和工程技术问题的数值方法。 蒙特卡洛法根据随机变量x i 的分布函数选取随机数输入到分析中，由此可以得到一个安 全系数。由于输入的参数是随机变量，因此得到的安全系数也是一个随机变量，通过重 复运算，就可以得到能够代表安全系数的随机样本，由此样本，可以进行统计特征计算 4 1 绪论 和分布拟合检验，最后求解安全指标可靠度丑和失效概率b 。根据蒙特卡洛法的基本 原理及方法可以编制边坡的稳定性可靠度分析程序，程序中可考虑自重、地下水、外荷 载、卸荷裂隙及地震作用等荷载的各种组合情况。程序的最终输出为边坡的失效概率值， 在数据文件中输入各随机变量的均值与变异系数。在具体计算时，每抽样一次求得边坡 的安全系数k ，且对k 进行安全判别，每抽样结束后累计置小于1 的次数，根据贝努利定 理，其值与总抽样次数的比值作为失效概率的近似值。此程序可考虑粘聚力、内摩擦角、 地震作用、卸荷裂隙、地下水深等随机变量【2 卜翊。 1 2 2 边坡治理的国内外研究现状及其发展趋势 对边坡进行稳定性评价研究的最终目的是为治理边坡、消除或降低边坡的危险性， 从而为工程建设扫清道路制。 1 边坡加固发展的三个阶段 ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代以前，治理工程以排除地下水和地表水为主，抗滑支挡工程主 要是以挡土墙的形式为主。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 7 0 年代，在以排水工程和挡土墙为主的同时，大力开发应用抗滑 桩以解决挡土墙施工中的困难。由于其抗滑能力大，对边坡体的扰动影响小，施工方便， 很快在边坡治理中得到广泛应用，在治理大、中型边坡中几乎取代了抗滑挡土墙。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。7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩受力状态和设计理论的同时，又研究开发了捧 架桩、刚架桩、椅式桩挡堵等新的结构形式，改变了抗滑桩的受力状态，节省污工和钢 材。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来，在采用小直径抗滑桩的同时，为治理大型边坡，开始采 用大直径的挖孔抗滑桩。抗滑支挡结构的另一个发展特点是锚索工程在边坡治理中的大 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 2 边坡治理技术 ( 1 ) 锚固技术 锚固技术在世界范围内较大规模的应用开始于2 0 世纪6 0 年代，特别是近二三十年来 发展尤为迅速，在岩土锚固的设计理论、结构形式、锚固材料、施工设备机具、旄工工 艺和应用领域等方面，都有了许多新的进展和成就，并在整个岩土工程中占有不可缺少 的地位而持续发展。锚固技术己在水电、矿山、交通、地矿等诸多领域中得到了广泛的 应用与大力的发展。在国外，德国的单根锚索预应力最高己达到了1 6 0 0 0 k n 。印度的坦 萨坝采用锚索根数为2 4 0 0 根、单根锚索预应力为7 0 0 k n 的预锚工程是目前单项工程的锚 索根数之最。我国漫湾水电站的预锚根数也高达2 2 7 0 多根，该项工程的预锚力总吨位列 5 西安科技大学硕士学住论文 居世界前列。 在边坡岩土锚固技术上，以瑞典，法国、南非为代表。国内的岩土锚固技术主要多 用于高层建筑的深基坑支护。但基坑属于临时性支护，其设计要求基础施工时，基坑壁 不发生过大变形和涌水；而边坡是永久性工程，其要求及设计理论与基坑有很大不同。 近年来，水利、矿业、铁道、公路等部门在边坡加固上采用锚固技术也取得了很大成就。 ( 2 ) 抗滑桩 抗滑桩技术在国外始于1 9 世纪3 0 年代初美、苏、日、英、德、意、波兰、捷克等 国使用较早。在国内铁路部门应用最早，5 0 年代修建宝成铁路时治理边坡所用的桩即与 现在的挖孔、灌注的抗滑桩一样，系钢筋混凝土桩，但主要用于整治少数岩石顺层边坡。 8 0 年代后期出现和发展了一种全新而有力的新型抗滑结构一预应力锚索抗滑桩结 构，该结构通常利用钻孔灌注或支模浇筑成桩，在桩上设置一摊或多排锚索，并对锚索 施加张拉力，将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中，以达阻止边坡滑动的目的。当该结构 处于凌空面时，可在桩间增加挡土板使其成为一个外观宏伟的板墙。预应力锚索钻孔抗 滑桩是由小直径小阋距约钻孔桩、锚索、联系梁组成，甩来承受边坡推力。该结构体系 是一种新型有效的抗滑工程结构，与传统的工程抗滑结构相比，该结构的支护机理发生 了较大变化。 。 ( 3 ) 挡土墙 、 。 挡土墙是一种墙或类似于墙的结构物，是为了保证填土位置或挖方位置稳定而修筑 的一种永久或临时人工构造物。挡土堵广泛地应用于各种土木和建筑工程中，特别是公 路、铁路路基工程、建筑工程、市政造园工程、水利护岸工程；水土保持工程等。也可 以说它是随着现代工业、建筑、交通、市政、水利、矿山、环保工程发展而迅速发展和 变化丰富起来的。 从目前国内外发展现状和发展趋势看，主要有以下几种结构形式：重力式、衡重式、 悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式、锚旋板式、竖向预应力锚杆式、土钉式、桩板式 等。 近年来，国内外采用了不同类型的新型挡土墙，使得挡土墙应用范围增广，结构形 式变多且复杂。挡土墙未来发展的趋势是：砌筑块体的设计、块体的安装、场地研究。 1 3 研究思路及技术路线 1 3 1 研究思路 本文分自然状态条件( 工况1 ) 和饱水状态条件( - 1 - 况2 ) 这两种工况对黄延高速公 路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡进行稳定性的评价，最后根据该边坡的自身特点采用合适的 加固方案进行了设计。 6 1 绪论 具体的研究内容如下： ( 1 ) 详细分析黄延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡的工程地质、水文地质、气象气 候条件及其地震动参数等条件； ( 2 ) 系统的分析影响本边坡稳定性的内在因素和外在因素； ( 3 ) 比较极限平衡法的各种条分法的优缺点，分析该边坡的自身特点选择2 3 种方 法对该边坡的三个地质剖面在自然状态条件( 工况1 ) 和饱水状态条件下( q - 况2 ) 进行 稳定性的计算，根据边坡稳定性评价标准评价其在不同工况条件下的稳定性； ( 4 ) 由于考虑到极限平衡法不能考虑边坡岩土体的应力一应变关系，放利用 g e o s t u d i o 软件中的有限元分析模块s i g l i a w 对该边坡在自然状态条件下( - r 况1 ) 和饱 水状态条件下( 工况2 ) 进行变形分析，从位移、位移矢量、应力、应变方面对该边坡 进行分析； ( 5 ) 在边坡稳定分析中有许多不确定因素，而现行定值算方法没有深入考虑这些 不确定性因素，所以本文利用蒙特卡洛法( m o n t ec a r l om e t h o d ) 分自然状态条件( 工 况1 ) 和饱水状态条件( 工况2 ) 对该边坡进行可靠性分析。 ( 6 ) 根据稳定性评价的结果，利用剩余下滑力法计算该边坡的剩余下滑力，同时 考虑该边坡的自身特点，设计具体的治理方案。 7 西安科技大学硕士学位论文 1 3 2 技术路线 图l - 2 技术路线图 8 2 边坡地质条件及稳定性影响因素 2 边坡地质条件及稳定性影响因素 2 1 黄一延高速公路工程概况 黄一延高速公路是国家规划建设的西部开发的八条公路干线之包头一北海公路的 重要路段，是陕西省“米”字形公路主骨架中纵贯全省，连接陕北、关中和陕南的纵向 运输主干线的重要组成部分。 黄一延高速公路是陕西省高等级公路进入黄土山区里程最长、投资最多的工程建设 项目，总投资约6 3 7 亿元。该路线起自铜( 川) 黄( 陵) 一级公路终点( 黄陵县康崖底乡) 经道南隧道，跨淤泥河后上南村塬，跨裢达沟，葫芦河、洛河、老庄河、杜家河，然后 下塬，在堡子头设隧道下穿2 1 0 国道后，沿北沟、柳沟河、界子河，经相西堡、王窑科、 羊泉沟、史家坪，沿牛武川、四家岔川，进入清泉沟，穿隧道进入七道沟、八道沟，经 南秋台，进入草房沟，经金庄、元庄、三十里铺，沿南川河，经高坡，拐向山狼岔沟， 经高家沟，跨杜甫川、西川河，经枣园隧道，跨延河至路线终点延安市河庄坪，全 长1 4 3 2 0 5 千米。经过黄土塬、梁、峁等全部黄土地貌，工程地质条件复杂多样。 2 2 黄一延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡工程地质条件 2 2 1 地形地貌 拟建路线穿越陕北南部的黄土丘陵地带，地势总的趋势是北高南低，由西北向东南 倾斜，海拔高程一般1 0 0 0 1 5 0 0 m ，其间河谷深切、山岭突起。总的地形变化规律由南而 北沟谷切割增强，地形支离破碎，水土流失加重，从而形成由塬、梁峁过渡到峁的典型 黄土丘陵。 边坡场地位于富县境内界子河右岸附近，处于黄陵一延安高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路 段中线左侧、2 1 0 国道右侧5 0 6 0 m 处。该区地处陕北黄土高原，呈现为沟壑纵横的黄土 梁峁地貌景观。边坡所在位置地貌单元属侵蚀堆积地貌的黄土斜坡地段。 2 2 2 地质构造条件 黄土台塬由三层结构( t j 、n 、q ) 组成，残塬沟壑由离石组、马兰组黄土层及静 乐组粘土岩组成。梁峁基底为三叠系侏罗系层状基岩、上部为第四系黄土、中部夹少 量第三系较疏松土层。 路线地处陕甘宁盆地东南，地层单元属于华北地层区陕甘宁盆地分区。总的形态为 大型向斜构造，长轴走向近南北，两翼不对称，西翼窄而陡，东翼宽缓，倾角1 3 。， 9 西安科技大学硕士学位论文 拟建高速公路位于其东翼的中部偏南，因而其局部可视为向西缓斜的单斜构造，褶皱、 断裂均不发育，也没有岩浆活动。 主要构造是区域性节理颇为发育，主要有，走向北西，产状2 1 5 2 3 0 4 么7 0 8 8 。； 走向近东西，产状4 1 0 。z 7 6 8 8 。，它们构成共轭剪切节理，发育普遍，延伸较远， 可达数十米至百余米，频度为2 3 条m 。密集处间距0 5 1 5 m 。次要的有：走向北东 东，产状1 6 0 1 9 0 。么6 2 8 9 。；走向北北东，产状2 9 5 3 3 0 。么7 0 8 8 。，二者仍为 。x ”型共轭节理，其发育频率高，规模小，一般间距0 2 o 5 m ，但延伸短，仅数米至 十余米。此外，还有一组走向近南北，向西倾斜的节理，产状2 6 0 2 6 6 。么8 0 8 5 。， 多见于互层中的泥岩中，属张性断续延伸，规模小，间距一般0 2 o 5 m 。 2 2 3 地层岩性 根据工程地质钻探资料，黄延高速公路k 2 0 7 + 6 9 0 8 3 0 路段边坡路段范围内出露地 层从上到下依次为： ( 1 ) 第四系残、坡积黄土状粉质粘土( q 4 出m ) ：灰黄色，稍湿，土质不均匀，结 构疏松，含有少量的钙质结核。 ( 2 ) 第四系冲积、洪积粉土( q 4 d 州) ：浅黄色，稍湿，土质不均匀，结构较疏松， 局部夹杂有卵石，磨圆比较好，为圆形及亚圆形。 ( 3 ) 第四系风积黄土( q 3 鲥) ；浅黄色或灰黄色，结构疏松，具大孔隙状构造，垂 直节理较发育，土质较均匀。 ” ( 4 ) 三叠系砂岩、页岩互层( t 3 ) ：灰黄色、黄绿色、灰黑色中厚层细砂岩、页岩 互层，厚越2 0 0 m 左右。 2 2 4 水文地质条件 根据现场的工程地质钻探资料，在钻孔中未发现有稳定的地下水，在边坡体与基岩 交接处的土体含水量很高，这主要是因为在雨季长时间的降水以及2 1 0 国道路面的集水， 再加上该段排水系统的部分损坏，使的大量的雨水沿着路基损坏的排水沟流进了下方边 坡的拉裂缝中，而且由于滑面下覆的基岩，作为天然的隔水水层使得大量的雨水在边坡 面上聚集。 在边坡场地下方发育有界子河，该河为常年流水河。另外，三叠系基岩局部偶尔有 少量裂隙水渗出。 2 3 气象气候条件 黄土沟壑区属典型的半干旱大陆性气候。各气象要素年内变化较大。多年平均气温 7 4 1 0 7 c ，一月份最低，多年平均一5 o 一1 0 2 c ，极端最低一2 2 0 一2 5 4 c ；七月 l o 2 边坡地质奈件及稳定性影响因素 份最高，平均气温2 1 4 2 4 8 ，极端最高气温3 6 0 3 9 7 。 多年平均年平均降雨量4 7 0 6 0 0 ，最低3 3 0 m ，最高8 7 1 2 m ，自南向北逐渐减少。 蒸发较为强烈，一般1 5 8 2 7 m ，多年平均最高达1 7 9 3 5 m ，为大气降水量的3 4 倍，自 南向北逐渐增大，潮湿系数量0 4 4 o 4 5 。春季干旱少雨，多大风扬沙天气。秋季温湿 多雨。降水多集中在七、八、九月，最晚延续至十月上旬，占全年降水的5 5 6 0 ， 年内极不均匀，且多为阵雨、暴雨，历时短，降雨量大，危害性大，容易造成水土流失 及黄土边坡、泥石流等地质灾害。冬季寒冷干燥，雨雪稀少，潮湿系数较小。年平均日 照2 5 1 4 t j 、时以上，无霜期1 2 5 1 4 5 天。 2 4 地震动参数 根据中国地震动参数区划图，场地所在地区的地震动峰值加速度为0 0 5 9 ，相应 地震基本烈度为6 度。 2 5 影响本边坡稳定性的因素 边坡工程作为一个复杂的系统工程，其稳定程度的高低，不仅和自身的岩土性质、 所处的地质构造条件有密切关系外，也和许多外在的影响因素有很大的关系。影响边坡 稳定性的因素可分为内在因素和外在因素。内在因素主要有地形、地貌、岩性、地质构 造等。外在因素主要有水的作用、地震及人为活动等。外因通过内因起作用，促进边坡 内部矛盾变化，当达到激发程度时，边坡发生失稳，进一步可以发展成边坡等地质灾害， 给人们的生活及生产带来巨大的损失。 2 5 1 影响本边坡稳定性的内在因素 内因可以概括为以下几点： ( 1 ) 地理条件及地质构造的影响； ( 2 ) 边坡岩土材料的物理、力学特性，主要由弹性模量、压缩模量、泊松比、摩 擦角、粘结力、容重、含水量、孔隙比等参数反映； ( 3 ) 边坡几何尺寸。边坡几何尺寸包括边坡高度、坡比和边坡边界尺寸以及坡面 后方坡体的几何形状，即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系。 2 5 2 影响本边坡稳定性的外在因素 外因可以概括为以下几种： ( 1 ) 大气降水 大气降水与边坡破坏的关系很密切，对边坡稳定性影响较大，而本边坡所在的地区 降雨时间又比较集中，6 0 0 , 6 集中在7 9 月份，这更加剧了降雨对边坡的影响作用，其作 西安科技大学硕士学位论文 用可概括以下几个方面； 1 雨水将对坡面产生冲刷。暴雨的雨滴打击力和坡面汇水的冲刷拖动，容易将坡面 积土和松散土首先冲走进而对局部松软土体产生冲刷，形成冲沟。当土体节理、裂隙发 育时，会产生局部滑塌或碎落。 2 暴雨易在坡顶坡脚及坡面各平台上产生洪水。当排水系统不完善时，将使坡体受 积水浸泡，产生冲刷沟渠，淤积的洪水会渗入坡体中，从而降低坡体土强度，危及边坡 的整体稳定性。 。 3 由于黄土节理发育，在坡顶及各平台上易产生拉开裂隙，因此，雨水容易深入坡 体深处，促进节理及裂隙的进一步发展。 4 边坡体土层存在湿陷性，雨水的浸湿可能使坡体产生不均匀湿陷变形，从而降低 边坡的稳定性，甚至引发坡体失稳。 ( 2 ) 边坡外部荷载 包括地震力，重力场、渗流场、地质构造应力场等。地震是边坡失稳的重要诱发因 素，一般讲，凡是地震频繁，强度较大的地震区，边坡，滑塌现象较多。根据地震资料 分析，黄土高原触发边坡产生的最低震级为五级。在强震区，由于震级大，能量强，边 坡分布成群，分布范围广，密度高，规模大，滑动速度快，滑动距离远。黄土区的地震 边坡是由于岩性松软，斜坡临空面大，受地震慢性力的作用，土体结构运动破坏，从而 丧失抗剪强度所致。由此可见，地震对边坡稳定的影响作用很大。 ( 3 ) 人为因素 在建黄一延高速公路正好经过本边坡坡脚处，由于工程的需要，必须对坡脚处的岩 土体进行一定程度的开挖，使得该边坡在坡脚处产生了一定的临空面，边坡的在坡脚处 的抗滑力大幅度减小。 1 2 3 基于极限平衡法的边坡稳定性计算 _ 薯皇- 葺_ 蕾_ - _ _ i 置_ _ i _ - | - - i _ i i _ - 暑i _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 1 1 3 基于极限平衡法的边坡稳定性计算 3 1 极限平衡法原理及计算方法 目前边坡稳定性分析方法比较多，其中应用最为广泛和理论、方法比较成熟的主要 有两种：即刚体极限平衡分析法和数值分析方法。其中，刚体极限平衡分法是分析边坡 稳定性应用最广的一种方法，也是最为成熟的一种方法。 其基本思路是印j ： ( 1 ) 假定问题是平面应变性质的。 ( 2 ) 假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面滑动而 造成的。 ( 3 ) 假定的机理，即假定边坡体沿着既定的滑裂面滑动，滑面的形状可以为平面、 圆弧面、对数螺旋面或其它不规则面。 ( 4 ) 滑动体被看成刚体，不考虑其变形因素，滑动面上的岩土体处于极限平衡状 态，并且满足摩尔一库仑准则，条块间不容许出现拉应力。 ( 5 ) 由于滑动面是人为假定的，我们只有通过系统地求出一系列滑面发生滑动时 的破坏荷载，其中最小的破坏荷载要求的极限荷载与之相应的滑动面就是可能存在的最 危险滑动面。使用试算法找出边坡的最小稳定系数。 这种以m o h r - c o u l o m b 强度理论为基础的方法，通过考虑滑动面以上形成的隔离土 体的静力平衡条件，确定沿滑面发生滑动时的破坏荷载，隔离体可以是一个整体，也可由 若干人为分隔的竖向土条组成。由于滑动面是人为假