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摘要 生态工程护坡系统是一种新型的综合性技术，可实现水土保持、边坡保护、环境恢 复和改善城市生态环境等目标。生态工程护坡基于土力学、植物学等学科的基本原理， 利用土工格栅的耐久加筋作用，在生态袋中装入土，通过种植灌木、草本等植物，在坡 面构建一个具有生长能力的立体生态工程护坡系统，借助系统的自支撑、自组织与自我 修复等功能来实现边坡的抗冲刷、抗滑动和生态恢复，达到加固边坡、减少水土流失、 维持生态平衡以及美化环境等目的。 与钢筋混凝土墙，预制件和预制块不同的是，生态工程护坡技术筑就的工程能够绿 化大地，形成美观大方绿色天然的杰作，生态工程护坡的利用不仅仅是简单的边坡工程， 它还对水土保持和生态环境的改善有着广泛的意义。因此，生态工程护坡利用是一种多 目标的综合性技术。 突变理论作为一门新兴的解决非线性问题的先进理论，经过几十年的发展和完善， 已经广泛应用于工程技术和科学研究领域，并取得了很多的结果。边坡工程是整体工程 不可分割的部分，若边坡不稳定，将会危及人们的生命财产安全。所以，人们对边坡变 形过程、失稳形式、失稳机制、稳定性评价及滑坡预测预报等进行了广泛而深入的研究， 借助数学、力学及计算机科学的理论方法进行全方位的探索。 本论文首先介绍生态工程护坡系统的构成，利用突变理论的特性和优点，对土工中 的边坡问题进行分析论证，建立了一个考虑坡体变形速率和时间的尖点突变模型，从全 新角度阐述了边坡失稳的机理。并结合实际数据定性的检验了模型研究的可行性，提出 了预测的思想，并通过现有的数据，对边坡稳定性进行了初步的预测。 关键词：生态工程；尖点突变模型；边坡稳定性 大连交通大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o t e c t i n g h i l l s i d es y s t e m o n b i o l o g i c a lp r o j e c t i san e wt y p eo f i n t e g r a t e d t e c h n o l o g y s o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o nc a l lb er e a l i z e d ，s l o p ep r o t e c t i o n ，e n v i r o n m e n t a l r e s t o r a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n to fc i t i e sa n do t h e rt a r g e t s b a s e d o ne c o l o g i c a le n g i n e e r i n gb e r mo fs o i lm e c h a n i c s ，p r o t e c t i n g h i l l s i d es y s t e mo nb i o l o g i c a l p r o j e c tt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h eu s eo fg e o g r i dr e i n f o r c e dt h ed u r a b i l i t y ，e c o - p a c k e ds o i l i nt h eb a g ，b yp l a n t i n gs h r u b s ，s u c ha sh e r b a lp l a n t s ，c o n s t r u c t i o no far a p i dg r o w t hi nt h e a b i l i t yo ft h r e e - d i m e n s i o n a le c o l o g i c a le n g i n e e r i n gr e v e t m e n t , t h es e l f - h e l ps u p p o r t s e l f - o r g a n i z a t i o na n ds e l f - r e p a i rf u n c t i o nt oi m p l e m e n ta n t i - e r o s i o no ft h es l o p e ，t h es l i d i n g r e s i s t a n c ea n de c o l o g i c a lr e c o v e r y ，r e a c h i n gr e i n f o r c e ds l o p e r e d u c es o i le r o s i o n ，m a i n t a i n i n g e c o l o g i c a lb a l a n c ea n dl a n d s c a p i n gp u r p o s e s w i t l lt h ed i f f e r e n c ef r o mt h er e i n f o r c e dc o n c r e t ew a l lo fp r e f a b r i c a t e dp a r t sa n d p r e f a b r i c a t e dp i e c e s ，p r o t e c t i n g h i l l s i d es y s t e mo nb i o l o g i c a lp r o j e c tb u i l dg r e e ne a r t h , t h e n a t u r a lf o r mo fg r e e na p p e a r a n c eg e n e r o u sm a s t e r p i e c e t h eu s eo fe c o l o g i c a le n g i n e e r i n gi s n o ts i m p l yt h es l o p er e v e t m e n tw o r k s l ta l s oh a se x t e n s i v es o i la n dw a t e rc o n s e r v a t i o na n dt h e s i g n i f i c a n c eo ft h ei m p r o v e m e n to ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，p r o t e c t i n g h i l l s i d e s y s t e mo nb i o l o g i c a lp r o j e c ti sam u l t i - p u r p o s eu s eo fi n t e g r a t e dt e c h n o l o g i e s c a t a s t r o p h et h e o r yi sa san e wd e v e l o p i n ga d v a n c e dt h e o r yo fs o l v i n gt h en o n l i n e a r p r o b l e m ，u n d e r g od e c a d e so fd e v e l o p m e n ta n di m p r o v e ，h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt ot h ed o m a i n o fe n g i n e e r i n ga n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h e sh a v em a d eal o to fa c h i e v e m e n t s t h es l o p ep r o j e c ti s t h ei n a l i e n a b l ep a r to faw h o l ep r o j e c t ，i ft h es l o p ei su n s t a b l e ，i tw i l lt h r e a t e nt h es e c u r i t yo f p e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t i e s s op e o p l ec a r r yo ne x t e n s i v ea n dd e e pr e s e a r c ht os l o p ed e f o r m c o u r s e ，l o s es t e a d yf o r m ，l o s es t e a d ym e c h a n i s m ，s t a b i l i t ya p p r a i s a la n dp r e d i c to f l a n d s l i d e c a r r yo no m n i d i r e c t i o n a le x p l o r a t i o nt h r o u g ht h em a t h e m a t i c s ，m e c h a n i c sa n d c o m p u t e rs c i e n c et h e o r ym e t h o d t h i st h e s i ss u m m a r i z e sa n dd i f f e r e n t i a t e ss l o p es t a b i l i t ym e t h o db o ma th o m ea n da b r o a d a tp r e s e n t ，u t i l i z et h ec h a r a c t e r i s t i ca n da d v a n t a g eo fc a t a s t r o p h et h e o r y ，a n a l y s ea n dp r o v e st o t h es l o p ei s s u eo fg e o t e c h n o l o g i c a l ，h a v es e tu pt h ec u s p c a t a s t r o p h em o d e lt h a tc o n s i d e r a t e t h es p e e do fs h a p eo fas l o p eb o d ya n dt i m e ，h a v ee x p l a i n e dt h es l o p el o s e ss t e a d ym e c h a n i s m f r o mt h eb r a n d n e wa n g l e i n s p e c t i n gf e a s i b i l i t yo fm o d e ls t u d y i n gb yr e a ld a t aq u a l i t a t i v e l y a n dh a v i n gp u tf o r w a r dt h ep r e d i c t e dt h o u g h t ，a n dc a r r y i n go np r e l i m i n a r yp r e d i c t i o nt ot h e s t a b i l i t yo fs l o p et h r o u g ht h ee x i s t i n gd a t a k e yw o r d s ：b i o l o g i c a lp r o j e c t ；c u s pc a t a s t r o p h em o d e l ；t h es t a b i l i t yo fs l o p e 绪论 绪论 1 引言 人类生存和发展的历史就是一部对土和岩石的利用、处理和改良的历史，现代的经 济建设和社会发展更离不开对岩土的整治、利用和改造。 目前在护坡堤防工程中刚性护坡铺面主要有现浇混凝土、沥青混凝土、浆砌块石、 乱石堆、泥灰土等做成的防侵蚀护面，它们都存在下面一些致命的缺陷： ( 1 ) 总体成本高； ( 2 ) 不易种草、绿化； ( 3 ) 耐久性差，对渠道小规模变形的适应性差，遇到不好的土质，如沉陷土、膨胀 土等，堤防工程容易塌陷； ( 4 ) 结冰隆起或水的扬压力时容易发生局部破坏或结构不稳定； ( 5 ) 刚性衬砌面一旦发生局部破坏，容易发生大面积的破坏，易导致下面的土壤侵 蚀，因为宽大的破碎板块在水流作用下很容易移走； ( 6 ) 刚性衬砌的修补比较贵并且施工不方便。 传统的柔性护坡铺面系统如网状织物或防护垫一般成本低，渗透性好，但是它还是 存在下列缺点： ( 1 ) 大多数网状织物或防护垫只为植被提供加固作用，所以施工最终覆盖面层时安 全性不宜保证，植被本身全面生根后才对基土提供防冲蚀保护； ( 2 ) 网状织物或防护垫抗水流应力的能力有限，为减少衬砌面上水流的牵引力必须 增加过水道的几何尺寸或者减少边坡坡度； ( 3 ) 这种主要依靠植被来保护土壤的衬砌措施不适合长期淹没或持续流态下工作。 人们对边坡稳定性研究最早是从滑坡现象开始的，早期的工作是把滑坡作为一种地 貌现象加以观察描述，是地貌学或普通地质学研究的对象之一。上世纪末及本世纪初， 伴随发达国家近代工业革命而兴起的大规模土工建设，诱发了大量滑坡，并造成很大损 失，这时，人们才把边坡失稳现象提高到与人类工程活动有关的灾害地质过程的高度加 以研究。8 0 年代是工程地质学及边坡科学研究进入蓬勃发展的新时期。一方面随着计算 理论和计算机科学的长足进展，数值模拟技术已广泛应用于边坡稳定性研究。上述模式 机制的研究不再停留在现象的定性分析阶段，而是采用数值模拟( 或物理模拟) 手段定 量或半定量地再现边坡变形破坏过程和内部机制作用过程，从整体上、理论上认识边坡 变形破坏机制，认识边坡稳定性的发展变化。与此同时，学科之间的相互渗透使许多与 大连交通大学工学硕士学位论文 现代科学有关的一系列理论方法，如系统论方法、信息论方法、模糊数学、灰色理论、 数量化理论及现代概率统计等被引入边坡科学研究，从而大大促进了理论的更新和应用 研究及决策水平的提高。 我国幅员辽阔，地形复杂，岩土的种类繁多，同类坡体在不同的场地情况也不相同。 对于失稳典型的非连续性问题大部分力学模型方法是采用连续、均质及光滑边界条件下 数、力理论，即可用微分方程或积分方程描述，而土体的破坏失稳是一种不连续、不规 则和不均匀的突发事件，这就显出其局限性。阻碍工程地质发展的主要问题是土( 岩) 体系统高度的非线性，正是由于非线性的存在，传统方法对系统内在的本质作用规律和 内在随机性缺乏充分的理论解释。使人们对土( 岩) 体变形破坏机理认识模糊，引进的 数、力理论有时失效，工程地质定量问题难以实现。而突变模型是依据灰色理论建立的 灰色模型，对土体的本质和内部的机制无须清楚，就可以得出定性甚至定量的研究结 果【2 】。可见，突变理论应用于土工中在理论上是可行的。随着突变理论的不断发展和完 善，对软粘土的流动性机理阐述以及利用突变理论求解砂土液化孔压等领域已经取得了 很多的成果。但土工领域研究还有许多盲区。这些都成为近期研究领域的焦点，所以说 突变理论在土工中的应用和研究除了其理论可行性外，还具有很开阔的前景。 2 定义 生态工程护坡基于土力学、植物学等学科的基本原理，利用土工格栅的耐久加筋作 用，在生态袋中装入土，通过种植灌木、草本等植物，在坡面构建一个具有生长能力的 立体生态工程护坡系统，借助系统的自支撑、自组织与自我修复等功能来实现边坡的抗 冲刷、抗滑动和生态恢复，达到加固边坡、减少水土流失、维持生态平衡以及美化环境 等目的。 3 生态工程护坡系统利用的意义 生态工程护坡系统是一种新型的综合性技术，其技术应用有着广泛而深远的意义。 可实现水土保持、边坡保护、环境恢复和改善城市生态环境等目标。 具体讲，有以下几个方面： ( 1 ) 生态工程护坡系统使用袋装单元土体模式，这就不受普通混凝土、毛石施工的 各种限制，如它可以在冬季施工，而不必担心成本的提高，完全代替水泥、石头，就地 取材，边连接边筑垒，无浆合过程，对环境无污染。 2 绪论 ( 2 ) 组成生态袋的原材料为复合材料，主要是高分子有机聚合物，具有高度透水性， 这就对土壤流失、局部泥一土( 石) 流、边坡的塌方地带具有很好的防护和稳定作用。 这种材料在自然环境下极其稳定，可做永久性稳定天然护坡。 ( 3 ) 具有可植被的表面，使新开挖的创面当年就可以绿化，当年愈合，形成天然美 观大方的边坡。 ( 4 ) 施工简便，砂土入袋，没有运输成本，大幅度减少开挖量和废土石排放量。 ( 5 ) 适用范围广泛，可应用于基础设施、环境保护和商业住宅区等领域。 总之，生态工程护坡系统能够绿化大地，形成美观大方绿色天然杰作。此外，施工 设备和过程简单，无运输成本，具有可持续性发展和广泛的应用前景。 4 国外生态工程护坡系统利用情况 加拿大是国外开展此项工程最早的国家1 3 】。目前加拿大的护坡系统工程已经进入标 准化、产业化阶段，引起了加拿大联邦、省、市三级政府的推广，美国农业部，美国水 土保持协会，美国自然资源保护局，美国野生生物保持协会，美国海岸线保护协会进行 了应用，已经在加拿大、美国、韩国、新加坡、马来西亚、中国台湾、香港等1 5 个国 家和地区获得较广泛的应用，是一项成熟的技术。 加拿大开发的护坡工程技术，其独特的原理正广泛应用于各种软硬防护工程。 其 应用更扩展到世界各地水土保持，边坡保护，环境恢复领域。 在建设结构性植被化边坡中，护坡工程系统适用于各种软硬应用而不需要水泥和钢 筋，能够结合现存物资( 如土木建筑布，土木工程网等等) 组成一个水土保持系统。 护坡标准扣用很轻的塑料制成，四方形状，正反两面带齿，绞著土袋，构成金字塔型。 因此，它通过内锁传统土袋，可以使自立墙的高度，强度和稳定性得到前所未有的加强。 传统的不美观的水泥石头墙行将消失，取而代之的是植被和土袋。绿草、牧草、植物， 业主自选。 护坡系统易于装载，铺垫1 0 0 平方米的护坡系统可以装入一辆典型的跑车实际上， 护坡系统目前已经实现了当天快递就把完整的系统送到顾客手上。 5 我国生态工程护坡系统利用现状 我国生态工程护坡利用目前还处于初期发展阶段，个别城市和地区已经进行了工程 实施和推广。大中城市的利用基本处于探索与研究阶段，但已显示出良好的发展势头。 广州、大连、沈阳等城市相继开展研究。其中，广州的步伐较快，已经建立起来几个典 型试点。 大连交通大学工学硕十学位论文 随着公路、铁路事业的发展，景观和生态的因素日益受到重视，国内有几种生态护 坡方式： ( 1 ) 铰接式护坡块：一种由缆索穿孔连接的连锁护坡块土壤侵蚀系统。该系统是由 一组尺寸、形状和重量一致的混凝土块体用若干根缆索相互连接在一起而形成的连锁矩 阵。整体式柔性铺垫自重大，抗颠覆力强；对水流情况下的中小规模变形具有高度的适 用性；抗冲刷能力强，高速水流及其他恶劣环境下能够保持铺面的完整性，能有效提高 土壤的抗水流侵蚀能力；可利用机械整体式安装大大提高施工效率和安装精度，节省人 力、降低劳动强度。 突出特点： 整体铺设，施工快捷，适应各种地形和气候变化。 抗流体冲击力强。高速水流及其他恶劣环境下保持完整面层，不被侵蚀。与土 工织物配合使用，可以有效的治理管涌崩岸及泥沙流失。 适应l ：1 坡度施工，并且能在高速水流引起的高切应力下安全的工作。 恢复土壤净化污染能力，提高水体生物生存能力、避免硬化河道二次污染现象。 特别适应紧急堤防除险加固工程、水下施工、不需围堰，不仅经济同时节省时 间。 可植草绿化保护生态。 比较传统的混凝土做法，以及浆砌块石，其综合成本最为经济。 ( 2 ) 香根草是一种适应性强、生物量大、易种好管的粗放型禾本科多年生植物。其 根系发达，纵向深长可达2 5 米，同时相互交错形成网状根系具有强大的固土能力。平 均抗拔力为7 5 m p a ，相当于钢筋抗拉强度的的i 6 。香根草抗盐碱耐水淹，对土壤废水 中的重金属、有机磷、氮化合物和放射形物质具有很强的吸收作用，同时也能杜绝白蚁 对堤坝的危害。因此可做稳定斜坡、减轻侵蚀、净化环境的首选产品。与护坡块体结合 使用形成最有效的生态堤坝。 ( 3 ) 超强连锁式护坡砖适合于中小水流情况下土壤侵蚀控制的连锁型铺面系统。采 用独特的连锁设计的连锁式护土砖，铺面在水流作用下具有良好的整体稳定性；高开孔 率渗水型柔性结构铺面能够降低流速，减速小流体压力和提高排水能力，开孔部分一方 面起到渗水、排水的作用，另一方面起到增加植被面积美化环境的作用。 用于港口、船闸、河道，可以防止船只的螺旋桨动力产生的水流柱复冲刷作用所产 生的泥沙运动，导致河岸下沉及塌方。与香根草配合使用，有利于恢复土壤自净和纳污 能力，更有效降低清理淤泥成本。 4 绪论 ( 4 ) 杰克多面体是一种高稳定性、高渗水性、超强连锁的特殊造型的滨水工程构件， 任意方式防置均形成稳定的三角形支架结构，有效阻止水流冲刷深堤坝的坡脚。 用于桥墩底部或水下光缆保护时，能够抵抗高速水流的旋涡效应，起到有效的保护 作用。 用于河堤、湖斌或海堤护岸时，稳定的结构可抵抗高速水流的冲刷、起到有效的消 浪作用。并可在众多联体间隙中填上土壤种植花草树木美化环境。 用于抗洪救灾中处理各种岸崩，可代替传统抛石等方案，是最有效、最快捷、最经 济的方案之一。 6 我国生态工程护坡系统的发展趋势 ( 1 ) 生态工程护坡系统利用的国际化与集成化 今后生态工程护坡利用技术发展的一个突出特点就是它的国际化与集成化h 1 。国外 生态工程护坡利用技术在中国深圳东莞设立生产加工基地以来，不断地促进国际间的交 流与合作，使得生态工程护坡利用技术和信息能很快地传播。网络技术的发展也为生态 工程护坡利用技术的国际化提供了很好的平台。 ( 2 ) 生态工程护坡利用向多目标和综合性技术发展 与钢筋混凝土墙，预制件和预制块不同的是，生态工程护坡技术筑就的工程能够绿 化大地，形成美观大方绿色天然的杰作，生态工程护坡的利用不仅仅是简单的边坡工程， 它还对水土保持和生态环境的改善有着广泛的意义。因此，生态工程护坡利用是一种多 目标的综合性技术【5 j 。目前技术应用的范围可分为以下几大类：基础设施应用、环境保 护应用、商业住宅区应用等等。 7 目前存在的主要问题 ( 1 ) 生态工程护坡系统与城市环境和生态建设的关系； ( 2 ) 生态工程护坡系统与建筑、城市规划的关系及其对策； ( 3 ) 缺少相关法规与政策的支持； ( 4 ) 缺乏技术规范与标准； ( 5 ) 不同地区自然条件下的生态工程护坡系统利用战略与技术路线。 8 需要注意的问题 ( 1 ) 因地制宜，注重地区和项目的特殊性 大连交通大学工学硕士学位论文 生态工程护坡的利用要特别注意国家与国家之间、城市与城市之间各种条件( 地质、 建筑等) 的差异。甚至在一个城市内的不同区域，各种因素和条件的不同都能决定应采 用完全不同的方案。 生态工程护坡利用技术应避免生搬硬套，应该充分体现因地制宜、针对性强、灵活 多样的特点。正确的设计思想往往比技术本身更为重要【6 】。 ( 2 ) 制定相关的法规与政策 对一项新的技术或一个新的领域，像生态工程护坡利用技术，初期的鼓励政策和资 助，以及相关的法规尤为重要。如果缺乏相关法规政策，将会对生态工程护坡系统的推 广造成很大的阻碍。 ( 3 ) 教育与民众的参与 生态工程护坡的利用不仅仅是简单的边坡工程，它还对水土保持和生态环境的改善 有着广泛的意义。因此，需要通过各种方式进行教育，来提高人们的理解和自觉的参 与意识，如组织对示范工程的参观、公益性广告、展览及社区活动等【_ 7 1 。 9 本文研究的主要内容 ( 1 ) 介绍生态工程护坡系统的基本构成和应用，其中，土工袋根据国外已有产品改 进成适合中国国情使用的产品，由“腰带”联想并设计封口扣，目的是保证土工袋不漏 土，连接扣也是根据国外经验设计，然后根据工程需要决定是否加土工格栅，并例举了 工程实例说明其具有广泛的应用价值和实用价值。 ( 2 ) 将突变理论七大初等突变模型中的尖点模型应用到生态工程护坡系统中，利用 突变理论的特性和优点，对边坡稳定的若干问题进行分析论证，对土坡稳定传统的安全系 数判别法局限性进行分析，然后总结出边坡稳定的突变理论判别法，并结合实测数据验 证判别法的可行性。据最新估算资料，我国每年因边坡失稳造成的损失达3 0 5 0 亿元， 日本达4 0 亿美元，美国、意大利、印度等国达l o 一2 0 亿美元。中国是个多山国家，山 地面积占国土面积的三分之二以上，滑坡时刻威胁着人民的生命财产安全。相信这方面 的研究对建筑经济等具有一定的意义，本论文将拓宽了突变理论在边坡稳定性及土工分 析中的定量的研究。 ( 3 ) 建立边坡失稳时的尖点突变模型，确定有关参数，论证了边坡失稳过程可以很 好的用突变模型拟合，并做实验验证理论与实际的一致性。 ( 4 ) 我国的大部分地区都处在干旱和半干旱地区，非饱和土分布十分广泛，非饱和 土的力学性质远较饱和土的力学性质复杂。大连又是多雨的城市，故研究考虑降雨影响 的非饱和土浅层滑坡突变失稳分析，经过实验观测后并最终得出结论。 6 第一章生态工程护坡系统的构成和应用 第一章生态工程护坡系统的构成和应用 1 1 生态工程护坡系统的构成 1 1 1 土工袋 生态工程护坡坡系统是由绿色土工袋装入土壤砌筑起来，并要求表面长出绿色植被 来。它的各种力学指标及其尺寸的大小关系到整个系统的安全稳定，美观及其经济等方 面【8 l o 生态工程护坡坡系统中，设计了2 种土工袋的力学标准( 表2 1 ) ，本文只讨论第一种 情况，设计尺寸见图2 1 ，生产土工袋部门生产完毕后，需标明其力学标准和尺寸，以 防止在施工使用过程中出现不必要的错误。 表2 1 土工袋的力学标准 t a b l e2 1g e o t e x t i l eb a g sm e c h a n i c a ls t a n d a r d s 断裂 c b r 指标断裂 顶破等效孔垂直渗 撕破强 胀破 重量 厚度强力 懈强力径c b 5透系数力 强度 ( g m 2 ) 挡主墙 ( m m )( k n m ) ( ) ( m m ) e n d s ( k n ) 兰 ( k p a ) 类型 、 上部无荷载 0 3 矮小的挡土 1 685 01 4o 2 l0 21 2 0 01 3 0 - 1 5 0 0 6 墙及护坡 0 3 大型挡土墙1 61 05 01 40 2 l0 21 7 0 01 3 0 1 5 0 0 6 说明：1 ) 透水不透土，渗透性强； 2 ) 不宜降解、抗酸碱腐蚀、抗老化、抗紫外线； 3 ) 化学成分：主要成分为聚酯材料。加适量的抗氧化剂、紫外线吸收剂( 如1 一3 的石 墨) 和颜料。 3 ) p h 值在2 1 2 的范围内无影响； 4 ) 抗u v 能力：室外老化3 个月后，力学性能要保持8 5 以上； 5 ) 抗冻融能力：实验室模拟5 0 年冻融破坏，力学性能要保持7 0 以上； 7 人连变通大学】学硕上学位论文 图2 】十r 袋尺寸标准示意图 f i g2l g e o t e x t i l eb a g ss t a n d a r ds i z em a p 1 12 土工袋封口扣 卜工袋封几扣是当土工袋装完士后封口的构件。我们聚用单向不可逆锁死扣，即只 能锁不能开的一次性构件，这是为了施l | 易于操作，同时也保证了封n 的可控性。它的 力学指标关系到上工袋装入上壤后能安全的使用。 土工袋封口扣长度为3 0 0 r a m 。图2 2 为土工袋封口扣标准尺寸示意图。图23 为土 r 袋封口扣实物陶。 图2 2 土l 袋封口扣实物图 f i g2 2g e o t e x t i l eb z g ss e a l e dd e d u c t i o np h y s i c a lm a p 第一章生态工程护坡系统的构成和应用 止 憾 2 2 52 2 5i2 。，52 5i 。2 5 3 0 0 连接条平面图 连接条侧立面图 曰一一墨画畦三到葺匡罾 4 棒琳# 卜- 叫 粥音i 网图 o n n n h 2 _ 国圃虱 j j 广 、 j 、 l l 一 “音幢图 图2 3 土工袋封口扣标准尺寸 f i g 2 3g e o t e c l m i cb a gs e a l i n gb u c k l e s t a n d a r ds i z e 9 o n n h n 辱 人连交通人学f 学硕士学位论文 1 l3 土工袋连接扣 十工袋连接扣是i 午! 十工袋装完十封口后，在砌筑时连接土工袋的构件。连接扣采用 倒枪巧! 刺设计，倒枪刺能够轻松的扎进土工袋中，起到了“承e 启下”的作用，加强了 上下层袋子之间连接力，增强了整体稳定性。连接扣采用的是高分子聚丙稀材料。它的 力学指标及其尺寸的大小关系整个绿色1 工袋系统的安全性及美观。若土工袋连接扣达 不到设计标准，将有可自e 造成整个绿色土t 袋系统倒塌【9 】。 土工袋连接扣有两种，分别为十工袋i j _ - _ f l 和土工袋工程扣。土工袋土工扣是当挡 土墙高度为0 - - 2 米用大号土工袋不用土上格栅的时候使用；当挡土墙高度为2 35 米且 坡度要求较缓时用大号土工袋不用上工格栅的时候也可使用土工袋土工扣：土上袋工程 扣是当挡土墙高度为2 “米且坡度要求较陡时用小号土工袋用土工格栅的时候使用；两 者的区别在于士工袋工样扣比十工袋土工丰多一组连结土工格栅的连结卡。 生产土工袋联接扣必须按照标准尺寸，以防j r 在施工使用过程中出现不必要的错 误。图2 4 为上工扣和工程扣的实物图。 表2 2 土l 袋琏接 标准尺寸 t a b l e2 2g e o l e c h n i cb a gc o n n e c t e db u c k l es t a n d a r ds i z e 装 k 度( m m )宽度( r a m )$ 眭( m m ) 土t 扣 工程扣 ! 憾蕈姜 二：慢蹬 幽2 , 4 土琦l 车l 枉扣 f i g2 3 g e o t e c h n i cb u c k l e a n dp r o j e c tb u c k l e 第一章生态1 程护坡系统的构成和席j 月 1 14 土工格栅 对于高度较大，坡度较陡的边坡，我们采用土工格栅柬平衡土压力，见图2 5 。土 工格栅是利用被动区的土重力与土工格栅之间所产生的摩擦力去平衡主动区土压力。若 土工格栅强度不够则易被拉断；若长度不够，则不能产牛足够的摩擦力边坡则有倾 覆和滑坡的危险土工格栅。它的主要作用是利用土体被动区摩擦力来平衡主动区的土压 力。因此它的力学指标及尺寸大小决定大型挡上墙的安全稳定性i i 。它的力学指标见表 23 。 土工格栅必须与土工袋工程扣联台使用。 表2 3 士工格栅力学指标 t a b l e2 3 g e o t e c h n i c 印l l e m e c h a n i c s d a t a 抗拉强度 单位面积州格 屈服幅宽 武 材质 ( k n m ) 重量尺寸 悼长率( ) ( m ) 纵向 横向( g ，m 2 ) ( m m + m m ) 高强涤纶 z i i g q 5 0 1 5 0 丝+ p v c 5 01 5 0 浸馈 高强涤纶 z h g q 8 0 1 5 0 丝+ p v c 8 01 5 0 0 2 1 m m ；如果是沙土， 要适当掺粘土，以供植被的生长需要。 ( 4 ) 不使用土工格栅时，连接扣使用土工扣，刺少的面朝上，多的朝下；土工格栅 使用时，连接扣使用格栅连接扣，有挂钩的面朝上，没有挂钩的面朝下。 ( 5 ) 高度为o 5 1 6 m 的边坡，墙面与水平保持7 0 0 左右，即上下土工袋错位7 - 8 c m 地下埋设1 个袋子作为基础；高度1 7 2 o m ( 不加筋) 墙面与水平保持6 5 0 7 0 0 ，即上 下土工袋错位8 1 0 c m ，地下埋设2 个袋子同时在边坡面的方向多埋设一排袋子作为基 础；2 , - 6 m 的边坡按实际情况及设计要求是否使用土工格栅；3 6 m ( 加筋) ，墙面与水 平保持6 5 8 0 0 ，地下埋设2 3 个袋子，土工格栅连在格栅连接扣上，其长度，和宽度b ， 按设计的高度来施工。 ( 6 ) 按实际情况可在每隔5 米在土工袋基础前方埋设一根0 1 m 0 1 m xl m 的构造 柱，以防止基础前移。 1 2 3 土工格栅的施工 ( 1 ) 2 米以上高度且坡度较大的边坡需铺设土工格栅。 ( 2 ) 根据边坡高度、土的类型计算出来土工格栅的长度，和宽度b 进行铺设。 ( 3 ) 土工格栅的施工，是按设计高度开始铺设，每3 或4 个袋子铺设一层。 1 2 4 草种的喷洒 ( 1 ) 草种的选用是根据防护的目的、气候、土质选择合适的草种。 ( 2 ) 当边坡的坡度过大时，可在草中掺入适量的粘结剂。 ( 3 ) 采用播种机大面积喷洒。 1 2 5 养护 ( 1 ) 新喷洒的草种需要大量水，需要在施工完毕后进行养护。 1 2 第一章生态r 程护坡系统的构成和麻用 f 2 、采用草垫铺在土工袋的表面，并根据实际情况进 r 喷水。 ( 3 ) 冬节施工时要用1 5 “c 左右的水喷洒养护，并要有保暖措施。 ( 4 ) 如在冬节施工，但在需春季长出植被的情况，只需采用草垫铺在土工袋的表面 不喷水：待达到适合植被生长的温度的时候，再进行喷水养扩；，且草垫仍覆盖在土工袋 的表面，直到长出植被来。 12 6 实际应用 ( 1 1 住宅区 口生态工程护坡系统把地表结构融入自然环境，墙面上不会有丑陋的裂缝，锈斑出现。 此外组件轻型，减少运输成本，容易建筑。还可以发挥创造性和建构独特景色( 圈2 6 ) 。 图2 6 生态工程护坡系统在住宅区中的应用 f i 9 2 6p r o t e c t i n i 曲i l l s i d es y s t e m o nb i o l o g i c a lp r o j e c t a p p l i c a t i o n i nr e s i d e n t i a l e 幽 ( 2 ) 公路边坡 生态工程护坡系统应用在公路边坡匕还可以吸收噪音而不反射噪音。此外，大众可 以沿公路享受天然绿色景观。沿途噪音被吸收而不是象硬墙反射噪音。如图27 所示。 人连交通大学工学硕士学位论文 目27 生态工程护坡系统在公路边坡中的应用 f i g27p m t e c t i n 曲i l l s i d es y s t e mo l lb i o l o g i c a lp r o j e c t la p p l i c a t i o n i nb l 曲w a ys l o p e ( 3 1 湖泊堤岸 生态工程护坡系统应用在湖泊堤岸不但可以美化环境，还可以实现水土保持。如图 28 所示。 图2 8 生态j _ 程护坡系统在湖泊堤岸中的麻刚 f i g28p r o t e c t i n 曲i l l s i d es y s t e mo nb i o l o g i c a lp r o j e c t a p p l i c a t i o ni nl a k ee m b a n k m e m 第一章生态r 样护坡系统的构成和廊用 ( 4 、公路建设与维修保养 如圈2 9 所示。 开挖，筑基护坡蚓 图2 9 生态t 程护坡系统往公路建 殳中的应用 f i g2 9p r o t e c t i n g h i l l s i d es y s t e mo nb i o i n g i c a lp r o j e c t a p p l i c a t i o n i nh i 曲w a yc o n s t r u c t i o n ( 5 ) 道路涵洞两侧护坡 重量轻，是边远地区的理想边坡系统；不须重型设备，方便施工。如图21 0 所示。 人连交通人学j ：学硕十学位论文 建筑前 本系统安装工样 鹎1 目 只州很少开挖m l 就可完成 1 周后植物绿化开始 图21 0 生态工程护坡系统在道路涵洞两侧的应用 f i g21 0p r o t e c t i n g h i l l s i d es y s t e mo nb i o l o g i c a lp r o j e e t a p p l i c a t i o n i nr o a dc u l v e r t 本章小结 本章介绍了生态工程护坡系统是由土工袋、士工袋封口扣、土工袋联接扣、土工格 栅等构成。并分别简要介绍了各个组成部分的尺寸、性能等一些基本情况。其次讨论了 生态工程护坡系统的施工应用过程，并例举了工程实例来说明生态工程护坡系统具有广 泛的应用前景，具有实际推广价值。 第二章突变理论 第二章突变理论 2 1 突变理论简介 1 9 5 8 年国际f i e l d s 数学奖获得者、法国巴黎高级科学院数学教授雷内托姆 ( r e n e t h o m ，1 9 2 3 2 0 0 2 ) 博士，在总结和继承前人研究的基础上，1 9 6 8 年发表了有关突 变理论的论文：“生物学中的拓扑模型 ，于1 9 7 2 年又出版了突变理论的第一本专著 一稳定性结构与形态发生学，该书用拓扑学、奇点和稳定性的数学理论来研究自然 界和社会现象中的各种形态、结构的非连续性突变，系统地阐述了突变的理论，从而奠 定了突变理论的基础，这标志着突变理论的正式诞生【1 1 1 。以后十多年来，经过英国数学 家、英国瓦维克( w a r w i c k ) 大学数学研究所所长，皇家学会会员齐曼( e c z e e m a n ) 教授等 人从理论到实际应用方面的大力改进和完善，遂使突变理论从理论到实际应用方面的研 究有了全面的进展。突变理论成为数学中最年轻的分支之一，引起了国际数学家、哲学 家、生物学家、社会科学家的广泛关注，有关突变理论的文献也与日俱增。大不列颠百 科全书誉其为“牛顿、莱布尼兹以来，数学界的又一次伟大的数学革命。牛顿、莱布 尼兹用他们的理论( 微积分理论) 解释了所有连续渐变的现象，而托姆的突变理论则解释 了所有不连续的、突变的现象。 发展这种理论的目的是为了对一个光滑( 理解为无限次可微) 系统中可能出现的突 然变化作出适当的，主要是定性的数学描述，突变理论在其开创初期就是旨在应用的， 因此，自从r t h o r n 的奠基著作出版以来，许多学者对其进行了研究，其中最有影响的 是z e e m a n ，其发表在s c i e m i f i ca m e r i c a n 上的“突变理论 对以后进一步研究突变理论 奠定了广泛的基础，r t h o m 的奠基著作推动了一些纯数学分支的发展，也导致了大量 的实际应用。用数学模型来描述自然现象是科学研究的一种方法，自从微积分问世以来， 人们越来越习惯用微分方程描述自然现象。然而，微积分方程只能用来描述连续变化的 自然现象。事实上，物质世界中更为普遍的是非连续现象。如自然界中的岩体突发失稳、 地震、滑坡等，对这些现象，突变理论给予了较完满的解答。 在动荷载作用下，土体内部产生应力、应变与时间的关系被称为“土的动力本构关 系 。了解土的动力本构关系，对于研究土与结构动力特性，如研究土的强度、变形和 稳定问题以及上部结构一地基相互作用等具有特别重要的意义。岩土本构关系的建立， 通常是通过试验，测试少量弹塑性应力一应变关系曲线，然后再通过岩土塑性理论以及 某些必要的补充假设，把这些试验结构推广到复杂应力组合状态下，以求取应力应变 1 7 大连交通大学工学硕士学位论文 的普遍关系。这种应力应变关系的数学表达式叫做岩土本构模型或者叫本构关系的数 学模型。 在近几十年来，已经提出许多土的本构模型理论。如土的弹性模型，此模型可分为 线弹性模型、非线弹性模型和超弹性模型等几种。其不足之处是不能反映土体的剪胀等 特点：土的弹性模型，此模型是建立在塑性增量理论的基础上，将总应变视为由可以恢 复的弹性应变和不可恢复的塑性应变组成：土的损伤模型：有何开胜提出结构性土的弹 粘塑性损伤模型。赵锡宏、孙红和罗冠威等采用土的损伤模型研究土的剪切带形成问题； 局部化分叉理论，建立在金属塑性理论基础上的分叉理论为剪切带的研究提供了有力的 工具。i v a r d o u l a k i s 等结合密砂的本构关系特点，将其引入到砂土的剪切带形成分析中， 建立产生局部化应变的必要条件；此外还有损伤理论、非共轴流动理论、梯度塑性理论、 复合理论广义孔隙压力理论等。 不过建立一个合适的本构模型是十分困难的。首先，人们对岩土塑性理论的认识还 不够全面；其次，应力历史、应力路径等对试验结构有影响。虽然从理论上说应该选择 与原型受力过程相同的应力路径来进行试验才合适，但实际上岩土内各单元的应力路径 不同，也不知道原型各单元的应力历史，因此要严格按照这种理论去做试验，事实上也 难以做到。何况，目前国内真三轴仪、平面应变仪等先进土工仪器还应用不多。有时还 会在整理试验数据和推导本构关系时做一些缺乏充分理论依据的补充假设。 突变理论为本文建立了土体本构模型提供了理论基础，由试验确定屈服破坏条件和 相关系数进一步增强了岩土本构的客观性，从而把岩土模型提高到新的高度。 土动力学问题是土工基础的一项重要内容。多年来，世界各国学者在土石坝、挡土 结构物、地下结构物、地铁和隧道、高层建筑物的抗震稳定方面取得了大量的研究结果， 推动了土动力学及地震工程学的研究和发展。除地震作用下土及土一结构物动力特性的 研究之外，地基土在其它动力荷载作用下的强度及变性问题也得到极大的重视，如机器 基础的振动，近海结构物在波浪荷载作用下的响应分析，输电线路基础、高层建筑物基 础、大型桥梁基础在风荷载作用下的稳定问题，软基上路堤在交通荷载作用下的变形问 题，油罐地基在充水、排水的反复加卸荷载作用下的稳定和变形问题等。 动力荷载作用下岩土介质力学特