（岩土工程专业论文）三峡库区特高人工筑填路基边坡支挡结构方案优化设计.pdf

摘要 本文研究的特高人工筑填路基位于三峡库区影响范围内，属云奉高速公路的一部 分。填方路基总体呈弧形，长2 2 0 0 0 m ，最大填方厚度为5 6 2 0 m ，平均填方厚度3 5 0 0 m ， 从最底部至最上部相对高差为8 3 0 0 m ，总弃方量1 3 3 0 0 万m 3 。由于库水位影响及地形 条件的制约使得该路基边坡无放坡条件，从而导致拟建路基边坡既高又陡，稳定性难以 保证，需要进行加固处理。 现在按设计进行的施工加固处理方案为：在高填方路基底部中部为与桩基钢筋混凝 土承台、锚杆相结合的c 2 5 片石混凝土重力式挡墙以及两侧为桩板式抗滑桩结构。通过 对原设计文件【1 1 以及p l a x i s 对高填方路基整体稳定性的分析结剁2 1 可知，该方案在结 构安全及稳定性方面均符合相关规范的要求。但是，因其中部挡墙部分存在结构形式复 杂、施工难度大以及工程量巨大等不足，故本文针对该工程的特点对原设计方案进行优 化。 首先，作者根据高填方路基边坡“先挡后填”的施工工艺以及剩余下滑力大的特点， 在对填土的处理时除提出了分层碾压、夯实等常规措施外，还提出了在填土中增设土工 格栅的措施，其目的是为了提高填土自身稳定性来减小填土剩余下滑力。经计算可知： 加筋后其剩余下滑力减小值为7 1 4 9 2 7 k n ，占原剩余下滑力的1 8 。其次，在采用加筋 方案减小填土内剩余下滑力的基础上，作者对高填方路基边坡原支挡方案中结构复杂、 施工难度大以及工程量巨大的挡墙部分提出了抗滑桩板的支挡加固方案进行优化。 本文通过采用加筋措施提高特高人工筑填路基边坡自身的稳定性、减小填土内剩余 下滑力来简化支挡结构，并最终提出了更加经济、简单的抗滑桩板方案。这种综合治理 方案可为类似高填方工程的支护设计提供参考。 关键词：三峡库区，特高人工筑填路基边坡，加筋土，剩余下滑力，优化设计，抗滑桩， a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h eu l t r a - h i g ha r t i f i c i a lr e c l a i m e dr o a d b e da f f e c t e da r e ai sl o c a t e dw i t h i n t h et h r e eg o r g e sr e s e r v o i ra r e a , w h i c hi sp a r to ft h ef e n g - y u nh i g h w a yf i l ls u b g r a d ec u r v e d o v e r a l ll e n g t h2 2 0 0 0 m ，t h em a x i m u mf i nt h i c k n e s so f5 6 2 0 m ，t h ea v e r a g e 丘nt h i c k n e s so f 3 5 o o m ，f r o mt h ev e r yb o t t o mt ot h et o po ft h er e l a t i v ee l e v a t i o nt o8 3 0 0 m ，t h et o t a lv o l u m e o fd i s p o s a b l e1 , 3 3 0 ，0 0 0m 3 a st h ew a t e rl e v e la n dt o p o g r a p h i cc o n d i t i o n sm a k et h er o a d b e d s l o p es l o p e f r e ec o n d i t i o n s ，r e s u l t i n gi nt h ep r o p o s e de m b a n k m e n ti sh i g ha n ds t e e ps l o p e ，i t i sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h es t a b i l i t y , t h en e e df o rr e i n f o r c e m e n t n o w a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no fr e i n f o r c e m e n to ft h ec o n s t r u c t i o np r o g r a ma sf o l l o w s ：i n t h eh i g hf i l le m b a n k m e n ta tt h eb o t t o mo ft h em i d d l ew i t ht h er e i n f o r c e dc o n c r e t ep i l ec a p ，t h e c o m b i n a t i o no ft h ec 2 5a n c h o rs t o n et a b l e t s ，f i t sw e l la sc o n c r e t eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l lo n b o t hs i d e so fp l a t ep i l e sf o r t h ep i l es t r u c t u r e t h r o u g ht ot h eo r i g i n a ld e s i g nd o c u m e n t 【l 】，a s w e l la st h eh i g h p l a x i sr o a d b e d 舢t h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h er e s u l t so ft h ea n a l y s i s 2 1 ，w e c a ns e et h a tt h ep r o g r a mi nt h es t r u c t u r a ls a f e t ya n ds t a b i l i t ya r ei nl i n ew i t ht h er e q u i r e m e n t s o ft h er e l e v a n tn o r m s h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo ft h es t r u c t u r eo ft h ec e n t r a lw a l l f o r m sp a r to fc o m p l e xa n dd i f f i c u l tc o n s t r u c t i o np r o j e c t ss u c ha st h ev o l u m eo fl e s st h a ng r e a t ， s ot h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ep r o j e c tt oo p t i m i z et h eo r i g i n a ld e s i g n f i r s t l y , t h ea u t h o ro ft h eh i g h - f i us u b g r a d es l o p e ”a f t e rt h ef i r s tb l o c kt of i l l ”t h e r e m a i n d e ro ft h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i c so fd o w nf o r c e ，f i l l i n gi n t h et r e a t m e n to fal a y e r e dr o l l e di na d d i t i o nt o ，c o n v e n t i o n a lm e a s u r e s s u c ha sf o u n d a t i o n ，b u t a l s op u tf o r w a r df i ui nt h ea d d i t i o n a lm e a s u r e sg e o g r i d ，t h ep u r p o s ei st oi n c r e a s et h es t a b i l i t y o ff i l l i n gt h e i ro w nt or e d u c et h ef i l l i n gd o w nt h er e m a i n i n g p o w e r c a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t e t h a t ：r e i n f o r c e da f t e rt h ed e c l i n eo fi t sr e m a i n i n gf o r c e sb y r e d u c i n gt h ev a l u eo f7 14 9 2 7 k n ， t h eo r i g i n a la c c o u n t i n gf o rt h er e m a i n i n g18p e r c e n td e c l i n ei nf o r c e s e c o n d l y , t h eu s eo f r e i n f o r c e m e n tp r o g r a m si nt h er e m a i n i n gf i l l i n gt or e d u c et h ed e c l i n ei np o w e ro nt h eb a s i so f a u t h o ro ft h eh i g hf i l le m b a n k m e n ts l o p er e t a i n i n gt h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo ft h ep r o g r a m c o m p l e x ，d i f f i c u l tc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n go ft h er e t a i n i n gw a l lo fh u g ep a r to ft h e a n t i s l i d ep i l er e t a i n i n gr e i n f o r c e m e n tp r o g r a mt oo p t i m i z et h ed e s i g n i nt h i sp a p e r , r e i n f o r c e dt h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fm e a s u r e st oe n h a n c et h eu l t r a - h i g h a r t i f i c i a lr e c l a i m e di t sr o a d b e ds l o p es t a b i l i t y , r e d u c et h er e m a i n i n gf i l l i n gd o w np o w e rt o s i m p l i f yt h er e t a i n i n gs t r u c t u r e ，a n du l t i m a t e l yt oam o r ee c o n o m i c ，s i m p l ep r o g r a mo f a n t i s l i d ep i l e s u c hac o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tp r o g r a mf o rh i g hf i l las i m i l a rp r o j e c tt o p r o v i d er e f e r e n c es u p p o r td e s i g n k e y - w o r d ：t h r e eg o r g e s r e s e r v o i r a r e a , u l t r a h i g h a r t i f i c i a lr e c l a i m e dr o a d b e ds l o p e ， r e i n f o r c e ds o i l ，t h er e m a i n i n gd e c l i n e ，o p t i m i z ed e s i g n ，a n t i s l i d ep i l e 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ：碑 沙d 7 年口善只口3 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 聊 年移6 只0 3 b 阳砰掣6 窍0 3b 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 高速公路在国民经济发展中的作用十分显著，短短十几年我国高速公路通车里程已 经超过两万公里，位居世界第二【3 】。随着国家今年四万亿元经济刺激计划的出台，高速 公路作为基础建设投资中的一个重要组成部分也必将得到一个飞速发展的契机。因此， 随着高速公路建设的进一步发展，高速公路将不断向高速公路欠发达的大西北以及大西 南山区延伸，跨越各种不同的地质地貌单元。由于山区的地形多变，深沟陡坎交替，从 而将不可避免地出现大量的高填路堤和深挖路堑，这给高速公路尤其是陡坡上路基的建 设带来了许多困难。对于这些陡坡地段路基，如果处理不当，不仅严重影响路基的稳定 性，而且也会影响公路的交通安全。在我国的高速公路建设中，路堤工程在整个路线中 占据极为重要的位置，由于高等级公路本身对线形和坡度的要求较高，在遇到大量的沟 壑时，必须采用高填方或高架桥等方法解决。另外，随着山区机场、铁路、大坝等工程 建设的突飞猛进，有关深挖高填工程也越来越多。山区中采用挖方土石料填筑路堤( 基) 无疑是一种既经济方便又环保的工程处理措施。从投资的角度出发，在山区采用土石料 填筑路堤( 基) 处理类似工程问题己经成为一种必然趋势。 然而，在山区高等级公路建设施工中，高填方路基工程没有在公路建设中的普遍出 现，这是因为高填方路基存在以下问题【4 l ：( 1 ) 高填方路基的填料来源复杂，粒径大小参 差不齐，挖方爆破的土石很少进行二次破碎，再加上路基填筑范围较宽，使高填方路基 的压实及压实度均匀性难以保证，易产生工后不均匀沉降和边坡滑移变形的路基病害， 引起路面破坏，增加养护维修费用，影响道路使用品质；( 2 ) 按一般填方放坡设计的高 填方路基占地范围较宽，在一些地价较贵或居民集中地区则需增加征地拆迁费，在地形 受限地段则可能难以放坡，不得不增加支挡结构物，从而增加工程造价。基于山区公路 高填方路基存在的上述问题，寻找一种技术性能可靠，经济合理的方法来保证高填方路 基边坡的稳定性，同时减少占地拆迁、节约工程造价是十分必要的。近年来我国高速公 路的建设速度不断加快，但是在建设过程中及开通后，经常会出现不同类型的工程事故， 其中高填方路基的侧滑失稳最为突出，此类事故不仅造成路面的破坏，甚至直接导致路 基的沉陷和塌方，已对公路交通安全构成了严重威胁，因此，如何对高填方路基的侧滑 失稳问题加以预防与治理，是项事关公路交通安全的重大技术难题，亟待加以解决。 2 0 世纪8 0 年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，深挖高填较少，公路建 设投资不大，因而路基边坡稳定问题较少，坡面防护工程不作为道路建设的主体工程， 第一章绪论 在公路工程建设中对边坡的防护常常被忽视。9 0 年代初期，边坡防护与加固主要仍沿用 低等级公路的边坡工程技术或借鉴铁道部门的经验来实施局部处理，由于在边坡处治时 缺乏综合考虑，为工程埋下隐患。同时，由于在高等级公路建设中，资金有限、技术和 手段较落后，对公路环保的意识不足，没有强调公路路域生态保护应与公路工程同步设 计和实施，从而在公路沿线区域也留下了不少的生态问题。2 0 世纪9 0 年代后期，中国公 路建设进入了前所未有的高速发展阶段，吸取前期公路建设的经验教训，高等级公路路 基边坡的综合治理受到重视。各地结合当地工程实践开展了一系列公路路基边坡防护与 加固的技术研究，路基边坡工程理论与实践取得了很大的进展。 路基边坡工程高填方路基侧滑失稳问题的研究核心也就是边坡的稳定性研究。而边 坡稳定性评价，是在机制分析基础上确定地质模型和破坏模式后，给出合理的数学概化 模型，选取合理的强度参数和计算方法评价边坡目前的稳定状态和可能的变化发展趋 势，为整治工程设计提供合理依据。边坡稳定性研究最早是从滑坡现象开始的，当时是 把滑坡现象作为一种地貌现象加以描述。二十世纪初，伴随发达国家近代工业革命而兴 起的土工建设，诱发了大量滑坡灾害，造成了巨大的经济损失。此时，人们把边坡失稳 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。早期研究方法主要是 依据土力学中极限平衡原理来计算边坡在极限平衡状态下的稳定性，或者从边坡所处的 地质条件以及滑坡现象上，对滑坡产生环境与形成机制进行单因数定性分析。到二十世 纪六十年代，工程地质学家开始意识到边坡其实是一个时效变形体，边坡的演变是一个 时效过程或累进破坏过程。由此，边坡稳定性研究进入模式机制和内部研究阶段。二十 世纪八十年代后，随着计算机理论和计算机科学的飞速发展，定量的数值模拟技术被广 泛应用于边坡稳定性研究中，同时学科间的相互渗透和现代科学新理论新方法( 系统论、 可靠性理论、模糊理论、信息论、协同论、分形理论、神经网络等) 也被引入到边坡稳 定性研究中来，大大提高了边坡稳定性的研究水平和应用水平。就边坡稳定性分析发展 趋势来看，具有在传统的刚体平衡二维平面分析的基础上向弹塑性有限元分析及三维稳 定性分析计算方向扩展和逐步引入概率模型并尝试将确定性模型与概率模型融合起来 两大特点。 本工程拟建路基为特高人工筑填路基，总体呈弧形，长2 2 0 o o m ，最高为5 6 2 0 m ， 共设5 级，由于该段位于三峡库区影响范围内，库水位影响了路基边坡的放坡条件，因 此路基边坡较陡，从而不满足规范，因此需要进行加固。而库岸路基边坡的防护与加固 也是路堤边坡防护与加固的一种特殊情况。但是水库库岸边坡破坏与一般山地滑坡相 2 长安大学硕士学位论文 比，有其特殊的一面。库水位的变化会影响库岸边坡的稳定性。因此，库岸路堤( 基) 边坡的防护与加固更应该受到重视了，尤其类似本文研究的工程三峡库区的特高人 工筑填路基边坡，对其如何加固就更值得研究了。 本文就是主要依托三峡库区特高人工筑填路基工程的施工工艺，充分利用其先挡后 填的特点，在回填过程中对回填土进行加筋处理，提高路基自身的稳定性，减少下滑力， 从而可以优化原设计，达到施工工艺更简洁、加固方案更经济的目的。 1 2 高填方工程特点和主要病害分析 根据工程类别的不同，填方工程有公路工程填方、铁路工程填方、机场工程填方【5 捌、 港口码头( 吹砂) 填方工程、围海( 湖) 造地填方工程等。而根据填料的不同，填方工 程还可以分为填土填方工程、填石填方工程【1 0 】【1 1 】、土石填方工程【12 1 、改良填料填方工 程【”】等。本文研究的工程为公路工程填方，并属于土石填方工程。 依据填方体的高度和规模，填方工程可以分为： 1 、普通( 低) 填方工程 区分低填方工程和高填方工程，相关规范给出的标准不一，在此做出区别的目的就 是高填工程要进行边坡的稳定性验算，而低填方工程则没有要求。因此划分的标准也主 要是根据填方工程的边坡的高度来划分。 2 、高填方边坡 公路路基设计规范( j t j0 1 3 9 5 ) 结合填料的种类，进行了如下划分：填料为粘 质土、粉土以及砂类土并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡；填料为砂、 砾并且填方高度大于1 2 m 的路堤边坡为高填方边坡；填料为漂( 块) 石土、卵石土、砾 类土以及碎石土并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡；填料为不易风化 的石块并且填方高度大于2 0 m 的路堤边坡认定为高填方边坡。 1 2 1 高填方路堤( 基) 工程的主要病害及其影响因素 1 、高填方路堤( 基) 的主要病害： ( 1 ) 依据病害发生的空间部位不同划分为：高筑填体的沉降超量和边坡破裂失稳 破坏；高筑填路基的沉降过大和边坡的失稳破坏； ( 2 ) 依据病害的性质特征不同可以划分为：填筑体与路基的整体下沉或局部沉陷； 填筑体纵、横向的开裂；填筑体与路基的整体滑动或边坡的滑坍。 2 、高填方路堤( 基) 稳定性的影响因素【1 4 】- 【1 6 】： 第一章绪论 ( 1 ) 路堤自身压缩引起沉降 当路堤填土压实度不足或路基填料为不良土质时，路堤本身会产生竖向压缩变形而 引起沉降。对高填方路堤( 基) 而言，即使压实度和路基填料均满足要求，但在雨水渗 流或毛细水压及上部荷载的长期作用下将产生竖向压缩变形，若这一变形值得积量累计 至一定的限度，则路面的损坏不可避免。 ( 2 ) 地基的固结沉降和失稳破坏 当地基为软基时，其填土的固结沉降需要一定的时间才能完成。对高填方路堤( 基) 而言，软基的概念仅仅是相对的，同样的地基，在低填方为良好地基，但在高填方较大 填土荷载作用下，却可能表现为类似于软基的固结沉降甚至失稳破坏。为了保证高筑填 地段路堤的稳定，必须了解、掌握相应的地基土物理状态指标及其力学变形指标，并提 出相应的处理方案。 ( 3 ) 填方体强度不足或填料的不均导致的差异沉降和边坡不稳定 在一般条件下，填土的强度能满足一般路基稳定的要求。然而，对高填方路堤( 基) 而言，由于其荷载较大，边坡潜在的滑动面仍使边坡存在滑动的趋势，特别在雨水渗流 或冲刷的作用下，这一现象更为明显，从而引起高路堤的较大侧向位移或沉降。另外， 在分层碾压过程中，设备不能靠近路边，加之边坡部位的失水和浸水性都较高，难控制 最佳含水量，造成边坡部位很难达到设计压实度。特别在大型机械的动载加压下，边坡 土易产生横向蠕动，并沿坡面方向产生位移，不但降低压实度，而且边坡内部产生纵向 裂隙，填方越高，此现象越严重。路堤完工后，在雨水渗入或毛细水作用等影响下，使 边坡转化并连续向公路中线方向发展，造成路堤纵向裂纹并下沉，尤其路肩部位最为严 重。 ( 4 ) 排水或防水设施不当 在雨季或洪水期间，由于排水或防水设施不当，填筑体将可能受到雨水的长时间浸 泡，或是直接被洪水冲毁破坏。在有冻融循环的地区，排水或防水设施不当还将产生冻 害作用。 ( 5 ) 外荷载的作用 填方体高度与坡率的设计不当或不合理，以及特大型装备运输荷载的作用，它使填 筑体和路基承受了远远超出当初设计计算时的允许荷载作用，导致填筑体开裂或失稳破 坏。在地震区还需要考虑地震荷载的作用，以防受到地震荷载的破坏作用。 4 长安大学硕士学位论文 1 2 2 高填方路堤( 基) 工程病害产生的原因分析 导致高填方路基工程病害产生的原斟1 7 1 较多，主要有以下几个方面的内容： 1 、工程地质勘察方面的原因 工程地质勘察提供的资料不详或是有误，工程地质环境条件分析评价不当或是有 误，均是导致高筑填工程出现病害的重要的常见原因之一。如填方路基岩土体的压缩性 分析认识不足，填方路基岩土体的强度与承载力分析评价不足。在工程地质不良、泥沼 软基丰富的地段填筑路堤时，由于地表土壤密度小、压缩变形大、承载能力低，当路堤 填料不断增加时，原地面土壤容易发生压缩沉降和挤压变形。地基的压缩变形将致使路 基体随之沉降或开裂。 2 、设计方面的原因 因条件限制公路路线必须通过复杂山区时，假如设计上未按照公路路基设计规范 ( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 要求认真地对高填方路基作特殊设计。则高填方路堤( 基) 在施工过 程中或完工后，高填方路基将会有较大的整体下沉或局部沉陷，以致影响公路的正常使 用。 3 、施工方面的原因 ( 1 ) 路基填筑工艺方面的原因 高筑填路基( 堤) 的填料在分层填筑时，应按照公路路基设计规范( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) 要求的厚度进行铺筑。若随意将层厚加大，而压实机具则按照规定的碾压遍数压实时， 压实度将达不到公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 规定的要求，当填筑到路基设 计标高时，必然产生累计的沉降变形，在重复荷载和填料自重的作用下，便会产生下沉。 ( 2 ) 施工机械与碾压工艺方面的原因 在高筑填路基( 堤) 的施工过程中，应按要求配备相应的整平、碾压机具，并按规 范进行操作。若未按要求的压实工艺进行碾压，路基的压实强度不均匀，压实度达不到 规定要求，将会导致高填方段路基产生较大的沉降变形。 ( 3 ) 工程施工过程中质量管理与技术管理方面的原因 工程施工中，工地现场人员的责任心不强，技术管理力度不够，施工现场混乱，使 工程质量降低，造成施工过程中的隐患，甚至造成大的质量事故，危及路基的稳定性。 4 、路基填料方面的原因 填料颗粒的大小、形态、级配情况会对填筑体的密实度、压缩性、强度以及排水性 等工程性能产生影响。如果路堤填料的土质差，填料中混进了种植土、腐质土或泥沼土 第一章绪论 等劣质土，由于这类土壤中有机物含量多、抗水性差、强度低等特性的作用，路堤将出 现塑性变形或沉陷破坏。尤其是膨胀土，这种土遇水膨胀软化，风干收缩开裂，结构稳 定性差，用作填料时随着土壤中水分的挥发，收缩开裂尤为严重，对路基( 堤) 的整体 结构危害极大。 5 、路基排水方面的原因 路基排水的任务是把路基工作区内的土基含水量降低到一定的范围。土基含水量过 大、排水不良会引起土质松软，强度降低，边坡坍塌，堤身沉陷或滑动以及产生冻害等。 1 3 高填方路基边坡加固与防护技术研究综述 高填方路基边坡加固与防护可分为两部分的内容：一是对高填方路基本身进行加固 处理；二是对高填方路基边坡进行加固与防护。 1 3 1 高填方路基加固处理方法 高筑填路基施工和工程完工后在自然环境影响和汽车重复荷载作用下，可能会出现 一些路基病害，引起路基的整体下沉和局部沉陷，边坡坍塌，从而影响公路的正常使用， 降低公路的评定等级。因此，为了更好地发挥公路的正常使用效率，对高填方路基出现 的各种病害，必须采取行之有效的处理办法，使路基处于良好的技术状态。其主要处理 方法【1 8 】为： 1 、换土复填法【1 9 1 当填筑土质不符合公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) 要求，路基出现下沉， 但面积不大、深度不深时，采用换土复填法是一种简便快捷的方法。其原理是将原路基 出现病害部分的土挖去，换填新的、符合规范要求的土。一般采用级配较好的砂砾土， 以塑性指数满足规范要求的亚粘土为宜。回填时，挖补面积要扩大，且逐层挖成台阶状， 由下往上，逐层填筑，碾压密实，压实度要求高出原路基压实度1 - - - 2 为宜。 2 、粉喷桩法【2 0 1 当路基持力层为较厚( 不大于1 0 m ) 的淤泥、淤泥质土等软粘土时，采用粉喷桩加 固技术是较为理想的一种方法。粉喷桩处理软基土是通过专门的机械将粉体固化剂喷出 后，在地基深处使之与软土强制搅拌，利用粉体固化剂( 水泥粉或水泥浆) 与软土之间 发生的一系列物理、化学反应，在原地基中形成强度、刚度较大的固结桩体，同时，由 于施工的影响也使得桩周土体性质得到改善，桩体与桩间土体形成复合地基，共同承担 外荷载。 6 长安大学硕士学位论文 3 、灌浆法【2 1 】【2 2 】 灌浆法是利用液压、气压或电化学原理，通过注浆管将浆液均匀地注入地层中。浆 液以充填、渗透和挤密等方式占据土粒间或岩石裂缝中的空间，一定时间后，浆液将与 原来松散的土粒或裂隙胶结形成一个结构新、强度大、防水性能高和化学稳定性良好的 共同受力体。 由于浆液的扩散能力与灌浆压力的大小密切相关，所以对不同填料及形态的路基采 用多大压力灌浆，主要取决于路基的密实度、强度和初始应力、钻孔深度、灌浆位置及 灌浆次序等因素。而这些因素又不能准确预知，所以必须通过现场试验来确定。水泥浆 液在不同地质条件和不同灌浆压力条件下，在地下流动形式不同，当路基填料渗透性较 好时，水泥浆以渗流的方式渗入路基土的孔隙，在这种情况下，通常假定路基原结构未 受扰动和破坏，灌浆量及浆液扩散半径通常采用线性渗流理论求解。当压力逐渐加大而 其它条件不变时，浆液的流动将由线性渗流逐渐转变为紊流，在紊流条件下的灌浆量与 浆液扩散半径常采用紊流理论求解。上述两种情况总称为渗入注浆法，适用于碎石土、 砂卵土夯填的路基。对于粘性土夯填的路基由于其渗透性很小，当灌浆压力较小时灌浆 法难以奏效，而当灌浆压力提高到一定程度时，会发现单位时间注浆量明显上升，这是 由于粘性土路基在注浆孔周围已发生径向劈裂，浆液沿裂隙流入土体，并将土体切割成 不规则的块体，在块体之间形成互相穿插的脉状水泥结石，粘性土又受到充填浆液时的 压缩，形成一种复合型岩土，从而提高路基的强度和刚度。这种方式称为劈裂式或胀裂 式灌浆。用渗入式灌注碎石路基，灌注压力可由d , n 大，压力控制在0 5 - i 5 p a 即 可。粘性土类路基适宜于采用劈裂法，常用注浆压力范围为1 0 - 一4 0h l p a 。 4 、土工格栅加固填筑体【2 3 】 土工格栅是土工聚合物的一种。土工格栅主要起两个作用：一是反虑作用，二是加 固作用。加固作用的原理主要是：土与土工格栅之间存在着似摩擦作用，此摩擦力限制 了土体的变形，从而提高了土体的抗剪强度。当路基受到外部或内部荷载作用时，由于 土工格栅与土体间的摩擦力作用，土中的垂直应力和水平应力沿格栅面层水平扩散，转 化为土工格栅与土界面的剪应力，降低了土体中的垂直应力和水平应力，从而提高了路 基和边坡的稳定性。同样，当路基土体发生显著侧向变形时，由于土工格栅与土体间的 摩擦作用，土工格栅能够发挥抗拉作用，从而限制土体侧向变形和路堤外侧土体的隆起， 达到减小沉降和不均匀沉降的效果。 5 、预压法【2 4 】 7 第一章绪论 在工期允许的条件下，对高填方路段采用预压法处理地基是一种经济简便的方法。 高填方路段预压是路基填筑完毕后，在保证预压效果并通过预埋沉降观测仪观测其稳定 后，才允许铺筑路面。高填路基预压主要有两个控制指标：一是预压期，这个主要是根 据填土的固结来计算；另一是填筑期，主要用来控制加荷速率，以保证路基只产生沉降 而不致丧失稳定。 另外，在高路堤施工过程中，为及时了解高路堤的稳定变化情况，必须采取一些必 要的监测手段，如高路堤的沉降监测、侧向位移监测，孔隙水压力及土压力监测，通过 这些监测及时了解高路堤的沉降变化规律及其与孔隙水压力和土压力之间的关系，及时 掌握高路堤稳定性状态，并根据实际情况采取相应的处理措施。 1 3 2 路基边坡加固与防护技术综述 许多道路边坡的防护加固都不是单一的采用一种方法，而是多种方法相结合取长补 短，确保了道路边坡更加稳定。边坡的防治可分为防护与加固两种【2 5 h 2 8 1 。防护是在边 坡稳定的基础上进行的，如果边坡不稳定，则应首先对其进行加固。 1 、各类加固的特点及适用范围 ( 1 ) 挡土墙 重力式：墙自重承受土压力，保持平衡。其特点为形式单一，取材容易，施工简 单。一般用浆砌片石砌筑，在缺乏石料地区可用混凝土。适用于低墙、地质情况较好， 有石料地区。 半重力式：混凝土灌注，通过在墙背设少量钢筋、墙趾展宽或基底设凸形来减薄 墙身，节省圬工。适用于地基承载力低，缺乏石料地区。 悬臂式：采用钢筋混凝土，由立臂、墙趾板、墙踵板组成。其特点为断面尺寸小， 墙体较高，下部弯矩大，钢筋用量大。适用于石料缺乏，地基承载力低地区，墙高6 m 左右。 扶臂式：采用钢筋混凝土，由墙面板、墙趾板、墙踵板、扶臂组成。适用于石料 缺乏地区，挡土墙高大于6 m ，较悬臂式经济。 锚杆式：由肋柱、挡土板、锚杆组成，靠锚杆的拉力维持挡土墙的平衡。适用于 挡土墙高大于1 2 m ，石料缺乏或挖基困难，具有锚固条件地区。一般多用于路堑挡土墙。 锚定板式：结构特点与锚杆式相似，只是拉杆的端部用锚定板固定于稳定区。适 用于缺乏石料，具有锚固条件的地区，大型填方工程，不适用于路堑挡土墙。 加筋挡土墙：由墙面板、拉条及填土组成。其特点是结构简单、施工方便，经济 长安大学硕士学位论文 效益大；对地基变形适应性强，对地基承载力要求低。适用于大型填方工程。 ( 2 ) 抗滑桩 抗滑桩是将桩插入滑动面( 带) 以下的稳定地层中，利用稳定地层岩土的锚固作用 以平衡滑坡推力、稳定滑坡( 或边坡) 的一种结构物。具有抗滑能力大、支挡效果好等 多种优点，其缺点是造价大。适用于边坡开挖后土体压力大或又滑坡推力的情况。锚索 抗滑桩具有抗滑桩的特点但比抗滑桩能承受更大的土体压力或滑坡推力，由于桩顶锚索 的锚固作用从而可使埋入土体的桩长大大减短。适用于边坡开挖后土体压力或滑坡推力 很大的情况。 ( 3 ) 预应力锚索 用预应力锚索处理单斜构造岩石边坡，对保证该类边坡的稳定有较好的效果，但难 以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。锚索的锚固段应设置在稳定的岩体中， 一般用于岩石路段，而不适用土坡或土质松散处。 ( 4 ) 压浆( 固结) 锚柱 压浆( 固结) 锚柱简单地说就是通过往地层注入水泥浆( 掺加一定量的外加剂) 来 改变土( 岩) 体物理力学性质( 必要时，加一钢筋笼或钢筋束，即锚柱) ，稳定边坡的一 种方法。其施工设备简单，占地面积小，工期短，见效快，加固地层的深度可深可浅， 但难以检测注入范围和判断固结状态。 ( 5 ) 排水固结 排水固结主要用于表层地下水较多处的边坡加固。有树枝状盲沟，塑料排水管等方 式。其特点为工艺简单，耗用材料少。但遇到有滑层的地方，排水固结需配设支挡构造 物才能达到满意的效果。 2 、各类防护的特点和适用范围 ( 1 ) 圬工防护 片( 块) 石护坡和护面墙：片( 块) 石护坡分为浆砌和干砌两种。护面墙比护坡 厚，有一定的抗推力作用。其优点是能就地取材，工艺简单，但自重大，不宜在高边坡 上使用。 菱形网格护坡：可预制安装也可用水泥混凝土现浇和石砌。工艺简单，网格内可 植草。但只适用于填方边坡和土质挖方边坡。 六角空心砖护坡：是近几年才发展起来的用水泥混凝土预制安装的一种边坡防护 形式，似蜂巢状。施工工艺简单，空洞内可填土绿化，有一定观赏价值。但自重大，费 9 第一章绪论 用高，且还会阻碍边坡水的排出，对边坡稳定不利，要慎重选用。 窗孔肋式护坡：一般用浆砌片石或片石混凝土做肋，用水泥预制混凝土做成拱形 窗台，坡面水从肋上排出，窗内可植草，是目前一种较为理想的防护形式。但肋厚容易 被偷工减料，应加强施工管理和质量监理。 喷射混凝土护坡：对一些较高的风化岩石边坡，采用喷射混凝土作护坡可阻止风 化，且重量轻，施工所需设备简单，但费用较高，厚度难以控制，对景观有一定影响， 应尽量少采用。 ( 2 ) 生物防护 生物防护除植树( 主要用于小边坡) ，传统防护形式外，植草或铺草皮是近年来才 在高速公路上兴起的一种绿色防护形式。其优点是能在短期内恢复公路沿线的绿色景观 和防止边坡冲刷，但养护费用高，要随时保持绿色有一定的困难。防护所选用的植物应 尽量采用当地适宜生长的植物，避免破坏别处的生态来防护本地的边坡。现在公路上植 草护坡较新的技术有如下三种： 液压喷播植草护坡：我国于2 0 世纪9 0 年代开始弓 进液压喷播技术。液压喷播植草 是将草种、木纤维、保水剂、粘合剂、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用喷播机喷 射到预定区的高效绿化技术。液压喷播植草护坡具有以下特点：机械化程度高；技术含 量高；施工效率高，成本低；成坪速度快，草坪覆盖度大；草坪均匀度大，质量高。一 般用于土质路堤边坡，土石混合路堤边坡经处理后可用，也可用于土质路堑边坡。 三维植被网护坡：亦称固土网垫，是以热塑性树脂为原料，经挤出、拉伸等工序 形成相互缠绕，在接点上相互熔合，底部为高模量基础层的三维立体结构网垫。具有抗 水冲刷、固土蓄水、阻风滞水等特殊功能。三维植被网护坡具有以下特点：固土性能优 良；消能作用明显；网络加筋突出；保温性能良好。三维植被网护坡适用条件：一般用 于土质路堤边坡，土石混合路堤边坡经处理后可用，也可用于土质路堑边坡，但在干旱、 半干旱地区应保证养护用水的持续供给：常用坡率l ：1 5 - - - 1 ：2 0 ，一般不超过1 ：1 2 5 ， 坡率大于1 ：1 0 时慎用；坡高每级高度不超过l o m 。 客土喷播：挂网客土喷播技术就是通过在边坡上锚固金属网、钢筋网或高强塑料 三维网中的一种，采用压缩空气喷枪将混合好的客土喷射到坡面上，再在其上喷射植被 种籽，通过植被发达的根系和网体的紧密结合，对公路边坡达到防护的目的。该技术适 用于边坡较稳定、坡面冲刷轻微的路堤与路堑边坡的防护。特点：挂网客土喷播技术工 艺简单、施工方便、机械化程度高，生态效益、经济效益显著。推广应用该技术，应加 1 0 长安大学硕士学位论文 大本地草种的选育力度，不但能节约大量外汇，而且植物的适应性也会更好，植物群落 的自我繁衍能力强，植被的养护投入少，能节约大量资金。适用性：该技术适用于边坡 比较稳定、坡面冲刷轻微的路堤与路堑边坡的防护。挂网客土喷播技术对边坡高度、坡 高的适应性较强。对于高边坡的防护，该技术结合适量的圬工防护措施，可以达到既稳 固又经济、既环保又美观的良好效果，通过挂网，可以增加客土的抗冲刷能力，同时大 大地改善了客土在边坡上的附着条件。 除了以上的防护和加固方法以外，边坡治水也是极为重要的。水是诱发边坡失稳的 主要原因之一，包括地表水和地下水，因此，治坡必须先治水，边坡治水包括坡面截排 水及坡体排水。 以上主要介绍了边坡防护与加固的主要方法。现行的路基边坡设计在整个公路工程 设计过程中受重视程度较低，究其原因，主要是在路线勘测设计阶段对工程地质条件了 解不够充分，设计缺乏针对性，往往导致施工时边坡失稳，频繁变更设计，造成很大经 济损失。反过来说，如果片面要求公路全线进行详细的工程地质勘察，同样也会由于路 线长、工程地质条件好坏不一，增大很多投资，造成一些不必要的浪费，而且对地质资 料的掌握仍然不容易满足设计要求。因此有必要调整边坡的设计思路。公路路基边坡加 固与防护设计应遵循并行性、反馈性、智能性、绿色性的原则。 1 4 研究思路及主要内容 本文依托三峡库区特高人工筑填路基边坡，将其作为本文开展研究的工程实例，就 其加固方案进行分析并对其进行优化设计，整个论文的分析思路及内容如图1 1 所示。 本文所作主要工作如下： 1 、通过广泛查阅、学习相关资料，明确该领域的研究历史与动态，在现有基础上 确定本文的研究方向、思路以及拟采用的方法。 2 、阐述现有路基边坡工程加固的主要方法手段，并对常见高填路堤( 基) 病害进 行分析以及相关处理措施分析。通过对现有的特高人工筑填路基边坡稳定性分析研究资 料进行整理，说明进行优化设计的依据并提出优化方案。 3 、本文通过对高填方路基边坡施工工艺以及填土内部位移变形模拟，提出在工程 施工过程中对回填土进行加筋处理，并通过库伦土压力理论、理正边坡稳定性分析软件 计算确定其加筋前、后高填方路基边坡支护力。最终，在对填土进行加筋处理的基础上 优化原设计方案，提出更加简化、经济的抗滑桩治理方案。整个论文的分析思路及内容 ( 如图1 1 所示) ： 第一章绪论 图1 1 研究思路及内容说明图 1 2 长安大学碗l 一学位论文 第二章工作区地质背景 21 地形地貌 该工程属于云幸高速与重奉高速公路互通式立交的一部分，位于重庆市奉节县白帝 镇金盆村的长江一级支流梅溪河的左岸。沿梅溪河左岸，地形总体北东高南西低，地面 高程1 5 2 8 9 ( 梅溪河河面) 2 7 1 3 0 m 相对高差1 1 8 4 1 m 。地形坡角1 54 2 5 。，局部 可达8 0 。冲沟发育，沟谷呈“v ”形，两侧岸坡陡峻。 图2 1 交通位置圈 图22 工程所在位置平面圈 第二章工作区地质背景 工程区的位置如图2 1 和图2 2 所示。工作区内主要地层为三叠系中统巴东组，岩 性以泥质灰岩为主，间夹页岩及砂岩。其中泥质灰岩为可溶岩，在地貌上主要表现为溶 蚀槽谷。由于灰岩出露范围以及溶蚀强度不一，槽谷谷底形态有差异，溶蚀强度大者， 谷底开阔平坦，仅有少量残丘，溶洞发育，局部可发展成较大的溶蚀洼地；溶蚀强度较 弱者，谷底地形起伏较大，当有难溶夹层存在时，呈丘陵景观。 该区地貌总体属河谷岸坡岩溶地貌。 2 2 水文及气象 l 、水文 该区每年4 5 月、9 - - - 1 0 月阴雨连绵，年平均降雨量1 2 6 1 9 m m ，自拟建高填路基 之挡土拱坝以上的汇水面积约3 平方公里，汇水面积较大，勘察时为旱季，根据勘察报 告，互通区1 - - - , 2 月沟谷水流量分别为5 2 l s 、4 4 l s 、2 1 l s 、1 2 l s 。其中高填路 基地段即棺材沟沟谷流量为4 4 l s ，水力坡度5 - 1 5 9 6 。说明沟内具地下水补给且雨季 时水量较大。 填方坡脚为梅溪河，常年平均流量为4 5 9 m 3 s ，洪枯变幅大，多年平均洪基流量比 在1 0 0 0 倍以上，最高达到1 7 4 0 倍。 该段位于三峡库区影响范围内，三峡水库坝前1 5 6 m 水位至此的回水位1 5 4 7 4 2 m ， 三峡水库坝前1 7 5 m 至此的回水位1 7 3 2 4 2 m 。 2 、气象 该区属亚热带湿润季风气候区，气候温和，雨量充沛，四季分明，大陆性