（道路与铁道工程专业论文）边坡加固方案的优化设计.pdf

皇壁堡塑：! ! ! 婴主曼壅! 堂兰苎 塑至 摘要 边坡工程涉及到国民经济建设的各个方面，如露天采矿工程、铁路、公路、 水利建设、房屋建筑与市政建设等等，它一方面关系到其所维系的各种构筑物的 安全与正常使用，另一方面又影响到构筑物的建设成本。随着人口的急速增长和 土地资源的过度开发，边坡问题已变成同地震和火山相并列的全球性三大地质灾 害之一。 在公路方面，长期以来，路基边坡的治理一直是高速公路建设中的个薄弱 环节，在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，由于交通 量小，线路选择时深挖高填较少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路 建设的主体工程，甚至在工程中对边坡的治理研究常常被忽视。2 0 世纪8 0 年代以 来，随着我国公路建设的飞速发展，边坡稳定性问题日益突出，但由于缺乏对边 坡治理技术的系统研究，从而为工程埋下隐患，边坡失稳将造成交通中断，甚至 造成巨大的经济损失和不良的社会影响，同时大大增加了后期维护处治费用。因 此，对于一个具体的边坡，在选择支挡方案时，如何进行有效地支护，并且尽可 能地降低工程造价，即对边坡加固方案进行优化设计，这是需要考虑的首要问题。 本文阐述了各种边坡加固技术的设计原理与适用条件；归纳总结了边坡分类 及其加固方案的选择方法；并通过对锚杆( 索) 作用机理的分析，以锚固角作为 关键因子，推导最优化锚固角和最大抗滑力锚固角计算公式；此外运用有限单元 法，计算出边坡内部各点的应力、位移和塑性区，用强度折减法对边坡进行稳定 性评价。 同时，结合云南某高速公路边玻处治的实际工程，运用上述的理论和方法对 k 4 7 + 4 7 5 k 4 7 + 6 3 0 右侧边坡加固进行了优化设计，力争做到使用上安全可靠、施 工技术上简便可行、经济上合理。 关键词：公路边坡加固方案比选优化设计有限元锚固 旦坚丛塑塑墼塑生 塑矍 a b s t r a c t s l o p ee n g i n e e r i n gr e l a t e st oa l la s p e c t su fn a t i o n a le c o n o m i cc o n s t r u c t i o n s u c ha s t h e o p e na i rm i n i n ge n g i n e e r i n g ，r a i l r o a d ，h i g h w a y ，w a t e rc o n s e r v a n c y ，c o n s t r u c t i o n e n g i n e e r i n ga n dc i v i lc o n s t r u c t i o n o no n eh a n di td e t e r m i n e st h es a f e t ya n di ng e a r u s eo fa l lc o n s t r u c t i o n sw h i c hi t s u p p o r t ，o nt h eo t h e rh a n d i ti n f l u e n c e st h ec o s to ft h e b u i l d i n g w i t h t h e q u i c ki n c r e a s i n g o fp o p u l a t i o na n de x c e s s e x p l o i t a t i o n o fl a n d r e s o u r c e ，s l o p ep r o b l e mh a sb e e no n eo ft h et h r e eb i g g e s tg e o l o g i c a ld i s a s t e r sa n dt h e o t h e rt w oa r ee a r t h q u a k ea n dv o l c a n o t h e d i s p o s a lo fr o a d b e da n ds l o p ei saw e a k n e s si nf r e e w a yc o n s t r u c t i o nf o ral o n g t i m e i nt h em e t a p h a s eo f1 9 8 0 ”so u rh i g h w a y c o n s t r u c t i o nm o s t l yg i v ep r i o r i t yt ol o w g r a d er o a d f o rt h el o wt r a f f i ca n ds m a l li n v e s t m e n t ，d e e pd i g g i n ga n dh i g hf i l l i n ga r e i n f r e q u e n t s os l o p er e t a i n i n ge n g i n e e r i n gi sn o tt h ep r i n c i p a le n g i n e e r i n gi nh i g h w a y c o n s t r u c t i o na n de v e nb e n e g l e c t e d w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f h i g h w a y c o n s t r u c t i o n ，s l o p es t a b i l i t yp r o b l e ms t a n d so u ti n c r e a s i n g l yi nr e c e n tt h r e ed e c a d e s b u tb e i n gs h o r to fs l o p er e t a i n i n gr e s e a r c hb yt h en u m b e r s ，t h e r ea r eal o to fh i d d e n d a n g e r s i n h i g h w a yc o n s t r u c t i o n o n c es l o p e sl o s e t h e i rs t a b i l i t y ，t h el a n d s l i d ew i l l i n t e r r u p tt h et r a f f i c a n de v e nr e s u l ti n h u g ee c o n o m i cl o s s a n db r i n go nb a ds o c i a l i n f l u e n c e s a tt h es a m et i m e ，i tw i l l g r e a t l y i n c r e a s et h e e v e n i n gs l o p er e t a i n i n g e x p e n s e t h e r e f o r e ，h o wt or e i n f o r c es l o p e se f f i c i e n t l y a n dt r yo u rb e s tt or e d u c et h e e n g i n e e r i n g c o s tf o ra p r a c t i c a ls l o p e w h e nw es e l e c t r e t a i n i n gp r o j e c t i s v e r y i m p o r t a n t i na uo t h e rw o r d ，o p t i m u md e s i g nf o rs l o p er e t a i n i n gp r o j e c ti s ap r i n c i p a l c o n s i d e r e dp r o b l e m t h i sp a p e re x p a t i a t e st h ed e s i g np r i n c i p l ea n da p p l yc o n d i t i o no fa l lk i n d so f s l o p er e t a i n i n gt e c h n o l o g y ；s u m m a r i z e ss l o p e c l a s sa n dt h em e t h o d sh u wt os e l e c t s l o p e r e i n f o r c e m e n tp r o j e c t ；i n d i c a t e st h ek e yf a c t o ro fa n c h o r i n ga n g l et h r o u g ht h e a n a l y s i s o ft h ea n c h o r i n gm e c h a n i s m ，d e d u c et h ef o r m u l af o rt h eo p t i m u ma n dt h e m a x i m u ms l i d er e s i s t a n t a n c h o r i n ga n g l e sr e s p e c t i v e l y ；a n a l y z es l o p es t a b i l i t yb y f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dc a l c u l a t e s t r e s s ，d i s p l a c e m e n t ，p l a s t i c z o n e t h r o u g h 旦里墼塑堂堕些丝苎 塑 c 。舻r e d u c t i o na l g o r i t h m f u r t h e r m o r e ，i nc o m b i n a t i o nw i t hap r a c t i c a ls l o p ee n g i n e e r i n gw h i c hl i e si no n e f r e e w a yi ny u n n a np r o v i n c e ，t h i sp a p e ru s et h eu p p e rt h e o r ya n dm e t h o d st oc a r r vo u t t h eo p t i m u m d e s i g nf o rs l o p er e i n f o r c e m e n tp r o je c tf o rap r a c t i c a ls l o p ew h i c hl i e st h e r i g h ts i d eo fk 4 7 + 4 7 5 k 4 7 + 6 3 0 ，a n dt r yt om a k et h i se n g i n e e r i n gs a f e ，f e a s i b l ea n d e c o n o m i c a i k e yw o r d s ：h i g h w a ys l o p e ，r e i n f o r c e m e n t ，p r o j e c ts e l e c t i o n ，o p t i m u md e s i g n ，f e m a n c h o r i n g i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 史军 日期：口年年2 月2 9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名黻作者张皇笙 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 第一章概述 1 1 边坡工程概论 我国是个多山的国家，各类地形占全国陆地面积的比例大致为：山地3 3 ， 高原2 6 ，毓地1 9 ，平原1 2 ，丘陵1 0 。通常说的山区，包括山地、丘陵以 及比较崎岖的高原，约占全国陆地面积的2 3 。除个别的省、市以外，大多数省、 市、自治区的山区面积达到9 0 以上。山区的自然灾害多与边坡有关，坠石、崩 塌、滑坡、山崩、泥石流，都是危害人民生命财产安全的重大自然灾害。 山体斜坡上的岩士体在重力作用下失稳，沿着坡体内部一个( 或多个) 软弱 面( 带) 发生的有一定规模的整体性顺坡下滑现象，包括其过程和结果，称为滑 坡。滑坡是很多山区常见而多发的主要地质灾害之一。滑坡发生时，由于其运动 能量巨大，因而极具毁坏力。滑坡运动不仅造成山区局部环境破坏，还危害与威 胁山区人民的生命财产安全与经济建设：冲毁或淤埋道路、桥涵，破坏水利、电 力、通讯设施及农田，甚至冲毁城镇、工矿区、风景旅游区和居民区，造成大量 人员伤亡和重大财产损失。据有关资料介绍，近2 0 年来，仅意、日、美、俄、印 度、中、捷克及奥地利、瑞士等国，各国每年因滑坡灾害所造成的经济损失，平 均达1 5 2 0 亿美元，总和平均每年可达1 2 0 1 6 0 亿美元。随着经济建设的不断 发展，人类活动不断向山区扩展，人类在利用自然和改造自然的过程中，遇到的 滑坡问题越来越多，滑坡灾害的影响范围和程度日趋扩大，滑坡灾害及其防治工 程的分析研究也同益引起世人的普遍关注。如：1 9 8 9 年第4 2 届联合国大会第1 6 8 号决议，把2 0 世纪最后十年确定为“国际减轻自然灾害十年”( 1 9 9 0 4 2 0 0 0 年， 简称“国际减灾十年”1 ，滑坡即是其重要的减灾内容之一。 我国目前正处在经济建设高速发展的时期。滑坡给水利、铁路、公路、矿山 建设带来巨大损失。1 9 8 9 年1 月1 0 日在中国云南漫湾水电站大坝坝肩开挖过程中 发生的滑坡，不仅耗资近亿元进行了治理，而且使这个1 5 0 万k w 的水电站推迟发 电近一年，给云南省经济建设的整体安排带来了困难。1 9 8 1 年雨季宝成铁路共发 生滑坡2 8 9 处，中断行车2 个月，抢建费用达2 5 6 亿元。抚顺西露天矿自1 9 1 4 年 投产以来，为保持边坡稳定，共剥离岩石1 亿立方米【2 1 。2 0 0 1 年5 月1f 1 ，重庆 武隆县发生滑坡，将一幢9 层高的住宅楼房摧毁，当场死亡6 9 人。 在公路方面，长期以来，路基边坡的治理一直是高速公路建设中的一个薄弱 j 塑壁墅奎兰婴圭型墨兰i 竺i 堡苎 兰二童塑堕 环节。在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，由于交通 量小，线路选择时深挖高填较少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路 建设的主体工程，甚至在工程中对边坡的治理研究常常被忽视i 3 1 。但是，随着国民 经济建设的发展，公路交通事业日新月异，公路等级越来越高，高填深挖己经不 可避免。复杂地形条件下修建高等级公路的情况日益增多，如清连一级公路、坪 乳线二级公路都是在粤北山区复杂地形条件下兴建的。京珠高速公路粤境小塘至 旨塘( 韶关以北) 段也经过复杂的地质地形，高大边坡的数量增多，规模扩大， 人工削坡、深切路基对边坡稳定性的影响增强。国内外已有许多公路边坡失稳的 事例，如深汕高速公路k 6 4 + 8 3 5 k 6 5 + 0 5 0 段边坡滑坡，坪乳线二级公路洋碰西滑 坡，国道1 0 7 线清新段滑坡等【4 】。由于公路边坡失稳不仅影响行车安全，甚至掩埋 公路、中断交通，迫使放弃已成公路的使用，造成不可估量的经济损失。因此， 研究公路边坡稳定性和边坡支护方法显得非常必要。 1 2 边坡分类与边坡破坏类型 t 2 1 边坡分类 边坡一般分类见表1 1 、表1 2 1 ”。 表1 1 边坡分类表 分类依 名称简述 据 自然边坡由自然地质作用形成地面具有一定斜度的地段，按地质作州可 成冈 ( 斜坡)细分为剥蚀边坡、侵蚀边坡、堆积边坡 人i 边坡由人1 ：开挖、同填形成地面具有一定斜度的地段 者质边坡 由岩秆构成，按岩石成困、岩体结构又可细分 ( 岩坡) 岩性 十质边坡由士构成，按土体结构又可细分为：单元结构、多元结构、七 ( 叶i 坡)石混合结构、士7 i 替置结构 超高边坡岩质边坡坡高夫子3 0 m ，士质边坡坡高大于1 5 m 高边坡岩质边坡坡高1 5 3 0 m ，土质边坡坡高1 0 1 5 m 坡高 中高边坡岩质边坡坡高8 1 5 m ，士质边坡坡高5 一l o m 低边坡岩质边坡坡高小于8 m ，士质边坡坡高小于5 m 坡长跃边坡坡眨大于3 0 0 m 中长边坡坡欧1 0 0 3 0 0 m 垦堡鬯坚型兰型生兰塑! 羔兰兰些堡壅 笙= 童塑垄 短边坡 坡长小于l o o m 缓坡坡度小于1 5 6 中等坡坡度1 5 。3 0 。 坡度陡坡 坡度3 0 。6 0 。 急坡坡度6 0 。9 0 。 倒坡 坡度大于9 0 。 稳定坡稳定条件好，不会发生破坏 稳定性不稳定坡 稳定条件差或已发生局部破坏，必须处理才能稳定 己失稳坡己发生明显的破坏 表1 2 岩质边坡分类表 分类依 砸类名称简述 据 岩浆岩边坡由岩浆岩构成，可细分为侵入岩边坡及喷出岩边坡 岩石类由沉积岩构成，可细分为碎屑沉积岩边坡、碳酸盐岩边坡、粘 别 沉积岩边坡 十岩边坡、特殊岩( 夹有岩盐、石膏等) 边坡 变质岩边坡 由变质岩构成，可细分为正变质岩边坡、副变质岩边坡 边坡岩体是块状结构，岩体较完整，由岩浆岩体、厚层或中厚 块状结构边坡 层沉积岩或变质岩构成 层状结构边坡边坡岩体基层状结构，由层状或薄层状沉积岩或变质岩构成 岩体结 构 边坡岩体呈碎裂状结构，由强风化或强烈构造运动形成的破碎 碎裂结构边坡 岩体构成 边坡岩体呈散状结构，由全风化或大断层形成的极破碎岩体构 散体结构边坡 成 岩层走 顺向坡两者基本一致 向、倾向 与坡面 反向坡两者的走向基本一致，但倾向相反 走向、倾 向的关斜向坡两者的走向成较大角度( 4 5 。) 相交 系 1 2 2 岩质边坡破坏类型 岩质边坡的破坏类型见表1 3 【4 1 。 垦里墨三查兰堡兰堡茎竺鲨茎 笙二兰堡笙 表1 3 岩质边坡破坏类型 破坏类型示意图 特征 平面破坏 彦7 一个滑动平面和一个块体 少 主要结构面的走 一个滑动平面和一条张裂隙 向、倾向与坡面基 _ 本一致，结构面的 p 倾角小于坡角且大若干滑动平面和横节理 于其摩擦角 罗 一个主要滑动平面和主动、被动 两个滑动块体 楔形破坏 一一 两组结构面的交线倾向坡面，交线的倾角小于坡角且 大于其摩擦角 圆弧破坏乡扪睡很发育的破碎岩体发生旋转破坏 倾倒破坏 忒n 岩体被陡倾结构面分割成一系列岩拄，当为坎岩时， 岩柱产生向坡面弯曲，当为硬岩时，岩柱可再被正交节 理切割成岩块，向坡面倾倒 1 2 3 自然斜坡破坏类型 斜坡在自然条件下破坏变形的形式见表1 4 【“。 表1 4 斜坡破坏形式分类 类型特征 斜坡在一定自然条件下，部分岩( 土) 体在重力作用下，沿着一定的软弱面( 带) ， 缓慢地、整体地向下移动。滑坡一般具有蠕动变形，滑动破坏和渐趋稳定三个阶段。 滑坡有时也具有高速急剧移动现象。因下伙岩层压缩，斜坡沿岩( 土) 体内较陡的结构 面发生整体下坐( 错) 住移，称为坐( 错) 落。组成斜坡的岩( 土) ，常不发展连续 的滑动面，而顺斜坡方向发生塑性变形称为倾倒 整体岩( 土) 体脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落下来，并顺斜坡猛烈翻转， 崩塌跳跃，最后堆落在坡脚，规模巨大时，称为山崩，规模小时称为塌方；悬崖陡壁上 的个别岩块突然下落，称为坠落的岩块( 或危石) 。 斜坡表层岩( 土) ，长期遭受风化，在冲刷和重h 作用下，岩( 土) 屑( 块) 不断 剥落 沿斜坡滚落，堆积在坡脚 1 2 4 滑坡的类型和特征 按滑坡体的受力情况，可分为两类【5 】： 4 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 ( 1 ) 推移式滑坡一一由于边坡上方加载所引起，上部先动推动下部一起滑动。 ( 2 ) 牵引式滑坡一一由于坡脚卸荷( 挖方或冲刷) 引起，下部先滑，牵动上部 一起滑动。 按滑动面与岩( 土) 层关系，又可分为： ( 1 ) 均质滑坡一一发生在均一的岩( 土) 层中，滑动面呈圆弧形。 ( 2 ) 顺层滑坡一一沿软弱夹层或层面滑动，常为岩土接触面与坡面倾斜一致时 出现。 ( 3 ) 切层滑坡一一滑动面切割不同的岩( 土) 层，一般沿地质构造带( 面) 发 生。 滑坡地带都有独特的地貌特征，而且不同的滑坡发育阶段又各有不同的外貌。 切层滑坡的外形呈扁平簸箕状，斜坡面有几级错距不大的平台：上部有明显滑壁， 下部一般隆起：坡体和两侧出现裂隙，甚至沟谷纵横，参差不齐，并随滑坡的发 展而逐渐增多；滑动面或粗糙或光滑，有明显擦痕：顺层滑坡中滑坡床的表面多 呈平面或台阶状，滑动面光滑，有明显擦痕；潺坡壁一般上陡下缓，两侧有明显 擦痕；滑坡体的上部和中部有横向裂缝。 1 3 影晌边坡稳定的主要因素 1 岩土性质 岩土的成因类型、组成的矿物成分、岩土结构和强度等是决定边坡稳定性的 重要因素。由坚硬( 密实) 、矿物稳定、抗风化性好、强度较高的岩土构成的边坡， 其稳定性一般较好；反之就较差【“。 2 岩体结构 岩体的结构类型、结构面性状及其与坡面的关系是岩质边坡稳定的控制因素。 3 水文地质条件 “十个边坡九个水”这句话形象地反映了边坡失稳往往与地下水的活动有密 切关系这一客观事实。水文地质条件包括地下水的赋存、补给、径流、排泄条件。 由于岩土体的力学性质受水的影响很大，地下水富集程度的提高一方面增大坡体 下滑力；另一方面降低软弱夹层和结构面的抗剪程度，引起孔隙水压力上升，降 低滑动面的有效正应力，导致滑动面的抗滑力减小引。此外，地下水的渗流将对岩 土体产生动水力，水位的升高将产生浮托力；地表水对岸坡的侵蚀使其失去侧向 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 或底部支撑等，这些都对边坡的稳定不利。 4 地震 地震对边坡稳定性的影响极大，地震往往伴随有大量的边坡失稳。地震作用 导致边坡稳定性降低主要是由于地震作用产生水平地震附加力，当水平地震附加 力的作用方向不利时，边坡的下滑力增大，滑动面的抗滑力减小。另外，在地震 作用下，岩土中的孔隙水压力增加和岩土体强度降低，也对斜坡的稳定不利。 5 地貌因素 不利形态和规模的边坡往往在坡顶产生张应力，并导致坡顶出现张裂缝；在 坡脚产生强烈的剪应力，出现剪切破坏带，这些作用极大地降低了边坡的稳定性。 平面上呈凹形的边坡较呈凸形的稳定。 6 ，风化作用 风化作用使岩土的抗剪强度减弱。裂隙增加、扩大，影响斜坡的形状和坡度： 并且透水性增加，使地面水易于浸入，改变地下水的动态等，沿裂隙风化时，可 使岩土体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。 7 人类的工程活动因素 随着人类工程活动规模的日益扩大，它对边坡稳定性的影响越来越显著，不 当的人类工程活动引起的边坡失稳事故频频发生，使得人们不得不重视人类工程 活动对边坡稳定性的影响i 引。 ( 1 ) 削坡。不当的削坡往往使坡脚结构面或软弱夹层的覆盖层变薄或切穿， 减小坡体滑动面的抗滑力，而边坡的下滑力却没有相应地减小，于是边坡的稳定 性降低。 ( 2 ) 坡顶加载。坡顶加载一方面增加了坡体下滑力，而没有成比例地增加滑 动面的抗滑力；另一方面加大坡顶张应力和坡脚剪应力集中程度，使边坡岩士体 破坏，降低强度，因而引起边坡稳定性降低。 ( 3 ) 地下开挖。地下开挖主要包括采矿和开掘铁路、公路隧道，它引起的地 表移动与边坡失稳常具有下列特征： 受地下开挖位置影响。地下开挖越接近边坡面，地表移动和边坡失稳越强 烈，但其范围却显著减4 、：当地下开挖埋深较大时，地表移动和失稳的范围比较 大，失稳往往是整体的。 受地下开挖规模影响。地下开挖规模越大，边坡的应力场改变就越大，在 垦塑堡三查兰婴主堕圣竺兰些丝兰 兰= 童壁垄 坡顶和坡脚引起的应力集中也越强烈，边坡稳定性的降低也就越大。 受边坡地质条件影响。地下采掘工程平行于边坡走向，开挖活动往往切割 边坡的锁固段，降低了边坡稳定性，甚至使其失稳。如果地下工程垂直与边坡走 向，地下工程对边坡的影响就要小得多。 具有先沉陷、后开裂、再滑动的活动规律。 1 4 边坡稳定性分析的理论方法及进展概述 边坡稳定是一个非常复杂的闷题，分析方法主要包括两个步骤：一是计算已知 滑动面上的安全系数，常用的方法有：极限平衡法、极限分析法、有限元法、可 靠度法和边坡专家系统方法；二是搜索对应最小安全系数的临界滑动面。【7 】 1 41 安全系数的计算 1 极限平衡法 极限平衡法是土坡稳定分析中最早采用的方法主要方法有：f e l l e n i u s 法、 b i s h o p 法f 引、j a n b u 法、m o r g e n s t e r n & p r i c e 法f 引、s p e n c e r 法、s a r m a 法、不平衡推 力传递法【1 0 1 等。严格地讲，边坡稳定性分析是一个三维问题，特别是对于具有复 杂几何形状的情况更是如此。但在工程实践中通常作为二维问题来处理。国内外 皆有人对此进行研究，如c h e na n dc h a m e a u ( 1 9 8 2 ) ，h u t c h i n s o na n ds a r m a ( 1 9 8 5 ) “， x i n g ( 1 9 8 8 ) a n dh u n g r ( 1 9 8 7 ，1 9 8 9 ) 1 1 2 】。极限平衡法土坡稳定分析作为岩土工程中的 经典方法，虽已经历了数十年的研究与应用，但上述各法均没有考虑材料应力一 应变关系，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度，求出的条间力和滑条 底部反力也不是产生滑移变形时真实存在的。 2 塑性极限分析法 1 9 5 2 年杜拉克( d f u c k e r ) 和普拉格( p r a g e r ) 提出塑性极限分析法 1 3 1 ，其最大优点 是考虑了材料应力一应变关系，并以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。 3 有限元法 有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用得最早的方法，也是目前最 广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问 题。其优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应力、 7 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概进 应变大小和分布，避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点， 可近似地根据应力、应变规律去分析边坡的变形破坏机制；但它还不能很好地求 解大变形和位移不连续问题，对于无限域、应力集中等问题的求解还不太理想 j 。 4 可靠度法 土坡稳定分析中有许多的不确定因素：岩土层面及边界条件的不确定性、岩 土性质的变异性、荷载及分布的不确定性和计算模型的不确定性。而现行定值设 计方法未深入考虑这种不确定性，使得土坡安全系数的可靠性往往受制于人为经 验。传统上，一直以安全系数作为边坡工程稳定性的评价指标，然而，安全系数 不是一个常数，而是一个由设计因素的变异性所决定的随机变量。2 0 世纪7 0 年代 后期，边坡工程界开始接受不确定性的概念，构造随机模型，采用概率论和数理 统计知识，如可靠指标和破坏概率来评价边坡的安全度。祝玉学等在边坡可靠性 分析中作了大量的、卓有成效的工作：但同时，他指出，可靠性分析方法只是所 有安全度问题的一种方法，是确定性方法的发展与补充。因随机因素太多，难以 确定各因素的概率，此方法刚走向实际工程应用阶段，还需要进一步研究。 5 人工智能方法 人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神经网络控制等。计算机的使用为 人类工程经验的充分利用开辟了广阔的前景。遗传算法最早由m i c h i g a n 大学的 h o h a n d 等教授创立，它是一种自适应启发式群体型概率性迭代式全局收敛算法， 是基于自然选择和基因遗传学原理的随机搜索算法。其显著特点是：不需要梯度 信息，不要求函数连续，全局搜索能力强，适合于并行处理和大型复杂优化问题 的求解，而且程序通用性强。人工神经网络是一种高度非线形映射处理系统。网 络由许多计算单元( 神经元) 相互连接构成，而这些连接的强度( 权值) 可通过训练自 动调整。近年来人工神经网络方法的研究已运用于边坡稳定分析。专家系统也已 运用于土坡稳定问题。专家系统不仅适合处理不十分明确的问题，同时也能有效 地考虑岩土材料参数的数据变化和不确定性。人工智能方法同样不能反映土体的 内在受力，而且需要大量的实测数据。但随其理论的完善、数掘库的充实，它将 成为一种相对简便的方法，目前也可以应用它来进行工程的验算。 1 4 2 临界滑动面的搜索 从数学角度看，最危险滑动面搜索是一个确定斜坡稳定性系数这个泛函相对 于滑动面形状这个自变函数的极小值问题i 7 1 。从滑动面来说，有圆弧假设、折线假 8 垦塑望三查兰堡兰竺塑兰兰些堡苎 釜二兰塑垄 设和任意函数睦面假设。就圆弧滑面而言，常用的“穷举法”也是一种优化方法。 f e l l e n i u s 靠作系列点( 滑弧圆心) 的安全系数等值线求得临界滑面；e h o e k 给出 了一种用诺谟图确定临界滑动面的方法；长沙矿冶研究院熊传治等推导了服从 m o h r c o u l o m b 破坏准则的安全系数普遍表达式，即“精确解法”，并在此基础上， 用优化方法解决了平面或圆弧形临界滑面的确定；江见鲸等人基于简化的毕肖普 法，采用消去法中的二分法求临界滑面，并同时求得安全系数。 由于土坡地质条件的复杂性及其介质的不均匀性，般地质土坡临界滑动面 并非圆弧或平面形式。e c a s t i l l o j r e v i l l a 及t p , a m a m u r t h y 等尝试用变分法来 分析土坡稳定。阎中华曾用“黄金分割法”，周文通曾用“鲍威尔法”探讨过圆弧 形和圆弧一直线型的最小安全系数，获得满意的结果，但研究范围仍未进入任意形 状滑裂面领域。孙君实使用复形法计算具有多个自由度的折线形滑裂面的最小安 全系数，使这方面的研究工作大大推进了一步。陈祖煜及邵长明等人基于改进的 m o r g e n s t e r n & p r i c e 法，利用单纯形法、负梯度法和d f p 法( 由d a v i d o n 提出，并 经f l e t c h e r 和p o w e l l 改进1 等优化方法确定非圆弧滑动面，不失为一种新颖的方法， 但实施比较困难。曹文贵和颜荣贵提出了一种基于j a n b u 法，利用动态规划法确定 非圆弧临界滑动面的方法。最近又出现了遗传进化算法等方法。莫海鸥提出用模 式搜索法求解最危险滑动面及其对应的最小安全系数。王建锋运用随机模拟( m o n t e - - c a r l o ) 技术方法搜索复杂条件下临界滑动面的位置和形状。 1 5 边坡加固工程的研究和应用现状 i 5 1 边坡加固工程技术发展历史 边坡加固工程，其技术途径为：( 1 ) 减小滑坡下滑力或消除下滑因素；( 2 ) 增加 滑坡阻滑力或增加阻滑因素。任何边坡处治工程都是围绕上述两条途径，结合边 坡地形、地质、水文、滑坡形成机理及发展阶段，园地制宜采取一种或多种措施， 达到防止滑坡灾害产生或治理已发生的滑坡灾害的目的【l ”。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，治理滑坡灾害常采用地表摊水、削方减载、填土反压、 挡土墙等措施【1 5 】。但经验证明，仅采用地表排水、削方减载、填土反压使滑坡暂 时处于稳定状态，随着外界条件的改变，很多滑坡又复活了，如1 9 8 2 年宝成铁路 水害，2 0 处滑坡有一半是1 9 5 6 年及其后处理过的，属于曾经整治过但仪采取排水、 减载或抗滑挡土墙措施，遇持续降雨使滑坡地质环境改变而复活，据统计，复活 9 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 率达3 0 ，引起工程师们的高度重视。6 0 年代末，成昆铁路沙北车站滑坡整治中 首次采用抗滑桩获得成功，以后在成昆、湘黔铁路、宝成铁路水害抢险、川黔铁 路电化改造等铁路建设中推广应用，铁二院主持开展了全埋式抗滑桩实验研究工 作，其成果获铁道部科技进步三等奖。 2 0 世纪7 0 8 0 年代这一期间，人们重视支档的作用，强调支挡，因为抗滑桩 具有御置灵活、施工技术简单、对边坡扰动小等优点，受到工程师们的青睐，应 用普遍，逐步形成抗滑桩支挡为主、结合削方减载、地表排水的滑坡综合治理技 术1 9 8 2 年宝成线水害抢险采用路基工程或路基工程与明洞相结合处理的滑坡 共1 5 处，其中1 4 处采用抗滑桩处理。1 9 6 1 年铁道部颁布试行的标准轨距铁路 设计规范对滑坡治理强调排水，将地面排水、疏干或排除地下水、清方减载与 填土反压、以及抗滑挡土墙作为滑坡灾害防治主要技术推荐。1 9 7 5 年铁道部颁布 的铁路工程技术规范强调一次根治的原则，强调综合整治，重视支挡作用， 将地表排水、地下排水、抗滑挡土墙作为主要技术推荐，将抗滑桩作为新技术推 荐，强调减载要注意是否会引起后部次生滑坡的产生。1 9 8 5 年修订铁路路基设 计规范( t b j l - - 8 5 ) ，与1 9 7 8 年规范对照，其变化之处在强调支挡为主、综合整 治，抗滑桩作为一种主要技术被推荐【1 “。 2 0 世纪9 0 年代，滑坡整治中贯彻一次根治、不留后患的原则，并充分认识到 滑坡的形成是多因素作用的结果，因此应采用综合治理。以南昆线、达成线滑坡 治理情况看，采用抗滑桩、结合地面排水整治的滑坡居多，与此同时，由于预应 力锚索技术理论研究和凿岩机械突破性的发展，设计工程师们开始应用预应力锚 索整治边坡。铁二院引进国外成套设备，结合工程开展了预应力锚索应用技术的 研究，其成果获铁道部科技成果二等奖。南昆铁路采用预应力锚索治理滑坡多处。 对于排水，工程师们也有了新的认识。对大型滑坡，主张以排水为主、结合抗滑 桩、预应力锚索支挡综合整治。南昆铁路八波车站巨型滑坡，采用地面( 设置模 八竖四共十二条截排水沟) 地下( 设两条泄水洞) 立体排水、锚索和锚索桩支挡 ( 共设1 3 2 孔坡面锚索、1 1 3 根锚索桩) 、建立滑坡地质坏境保护区( 区内植草绿 化) 的综合治理措施【1 引，取得成功，被誉为2 0 世纪9 0 年代巨型滑坡治理的成功 典范。 1 5 。2 边坡加固处理措施 如果稳定分析结果表明边坡的安全系数达不到规定的要求，可采取不同的加固 l o 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 措施提高边坡的安全度。目前可供采用的边坡加固措施很多，但归纳起来主要有 如下几类：减载措施：排水与截水措施；锚固措施：混凝抗剪结构措 施；支挡措施；压坡措施等【1 6 】。 1 减载播施 减载措施包括削头减载和削坡减载两种。削头减载是将边坡上部一定范围内覆 盖层或岩体削掉，以降低边坡总高度；削坡减载是将边坡的坡度放缓。两种减载 措施的作用都是减少边坡可能发生滑动破坏的下滑力。一般来讲，削坡措施常常 受到建筑物布置上的制约，边坡不能放得太缓或根本不能放缓，而削头措施较少 受到制约。 减载措施的实施有主动和被动之分，主动实施是在开挖之前就已经考虑了此项 措施，而被动实施是开挖过程中或开挖完成后，因边坡失稳滑塌才考虑到的补救 措施。在已完成加固处理的水电工程边坡中，属于被动实麓的情况最多。 2 排水和截水措施 排水措施可分为坡内排水措施和表面排水措施两种。坡内排水措施包括在边坡 内设置的排水平硐、排水竖井，或在排水平硐和排水竖井内打的排水孔，以及在 边坡表面上打的排水孔。坡内排水措旌可降低坡内的地下水位，减小作用在边坡 滑体上的水荷载。该种措施的排水效果取决于不连续面的规模、渗透性能、输水 能力和方位。一般来讲，坡内排水措施是一种较有效的边坡处理措施之一。表面 排水措施包括在坡顶和坡面上修的截水沟。表面排水措施可将坡顶和坡面上的来 水集中排泄，减小裂隙水压力对边坡稳定的不利影响。表面排水措施是岩质高边 坡加固处理中一种快捷、经济和有效的措施。 3 锚固措施 锚固措施包括预应力锚固和非预应力锚固两种，前者是一种主动加固，后者是 一种被动加固。预应力锚固是采用预应力锚索、锚扦或钢丝对岩体进行加固，通 过对可能失稳的岩体主动施加压力，提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力( 通过提供 丁f 压力、反向力实现) ，从而实现提高边坡的抗滑稳定安全度。非预应力锚固是采 用砂浆锚杆、树脂锚杆等对边坡岩体进行加固，通过提高滑动面上的抗剪参数和 阻滑力( 通过提高抗剪力实现) 来实现提高边坡的抗滑稳定安全度。 在预应力锚固措施中，预应力锚索的应用最为广泛，其主要的特点是施工方便 快捷、占用场地少和加固效果好。预应力锚索种类按灌浆次数可划分为两次灌浆 昆明理t 大学顶士研究生学位论文 第一章概述 全长粘结式和一次灌浆双层保护自由式两种。在国外次灌浆双层保护自由式应 用较为普遍，国内仍以两次灌浆全长粘结式为主。 4 混凝土抗剪结构措施 混凝土抗剪结构措施包括在岩( 土) 体内打抗滑桩、抗剪硐或塞等，是一种被动 加固。在边坡滑体滑面位置比较明确的情况下，可采用混凝土抗剪结构措施。抗 滑桩和抗剪碉或塞的使用条件不尽相同：边坡滑体的规模不大时可采用抗滑桩， 一般来讲断面尺寸不大，提供的阻滑力有限；边坡滑体的规模较大、深层滑动的 情况，可采用抗剪硐或塞将滑面截断，为滑体提供抗剪力，根据需要抗剪硐可以 做得很大。从施工质量方面讲，由于抗滑桩为垂直开挖，可保证混凝土和周围岩 体紧密结合。而抗剪硐或塞一般由水平洞室回填混凝土形成，洞顶混凝土的回填 质量不易保证。根据已建工程的经验，混凝土抗剪结构均存在配筋量大、钢筋间 距较密的情况，如何保证混凝土振捣的密实度是施工中应注意的问题。 5 支挡措施 支挡措施包括挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土、挡土墙和混凝土护面等， 是一种被动加固，是从外部解决边玻滑体的稳定问题。挂钢筋网、喷混凝土或喷 钢纤维混凝土的作用是覆盖边坡岩体表面、支撑岩体，除喷钢纤维混凝土极少采 用外( 小浪底工程进口商边坡上得到了应用) ，其它几项在边坡工程中应用非常普 遍。边坡工程中混凝土护面用得较多，其主要作用是封闭表面，防止雨水下渗和 表面岩体风化，同时兼有对边坡滑体的支挡作用。挡土墙的主要作用是防止边坡 表面坍塌造成的危害，一般用在受用地或已有结构物限制的部位。挡墙在公路 和铁路边坡的处理中用得十分普遍。 6 压坡措施 压坡措施就是在边坡滑体的趾部附近人为地增强约束( 用土、石或其它材料) 以防【e 坡体滑动。一般来讲用于压坡的材料采用开挖的废弃料，该措施的使用也 往往受到场地的限制。在场地允许的前提下边坡工程中对大型古滑坡的处理可采 用该措施。 7 其他 在滑坡防治工程实践中，工程师们认识到预防工程滑坡的重要性。在特殊岩土 或岩j e 体存在不利于坡体稳定的结构层( 面) 的地段，应设置预加固工程以防止工 程滑坡的产生，采取先加固再开挖、边加固边开挖。避免滑坡发生后再进行整治。 昆明理t 大学硕- & - 珂f 究生学位论文 第一章概述 提出了分层稳定和坡脚预加固的新概念。此外，小锚孔注浆技术得到应用：达成 铁路金堂滑坡采用高压旋喷注浆加固滑坡滑动带，内昆铁路冷家坡隧道进口岩石 滑坡采用了钢花管注浆加固，均取得成功，该技术具有旖工便捷、机械化程度高、 劳动强度低等优点，与抗滑桩、墙被动支挡相比较，其属于对滑坡主动加固，技 术具有先进性，有待进一步研究。正在修订的铁路特殊路基设计规范，滑坡防治 技术中纳入了预应力锚索的内容。同时强调排水、削方、结合支挡、综合治理的 原则，强调了预加固以防止滑坡产生的新概念，对注浆加固滑坡滑动带( 面) 的技 术作了推荐【l “。 1 6 本文选题及主要任务 边坡设计的好坏，在很大程度上取决于设计方案的优劣。根据场地工程地质、 水文地质、环境条件、保证稳定性的前提下，设计最经济、合理的方案，即边坡 的优化设计方案，就能做到安全可靠，施工顺利，缩短工期，带来可观的经济与 社会效益1 。尽管我国在人工边坡的加固方面已作了大量工作，并取得不少经验。 但是目前的边坡加固设计中，在优化设计方面开展的工作仍然不够，往往造成加 固投资过大。因此，对于一个具体的边坡，在选择支挡方案时，如何进行有效地 支护，并且尽可能地降低工程造价，即对边坡加固方案进行优化设计，这是需要 考虑的首要问题，这也是本文研究的主要任务。 本文的研究内容主要如下： 1 在熟悉各种边坡稳定分析方法的基础上，掌握各种边坡加固技术的设计原 理与适用条件： 2 归纳总结边坡分类及其加固方案的选择方法； 3 通过对锚杆( 索) 作用机理的分析，以锚固角作为关键因子，推导最优化 锚固角和最大抗滑力锚固角计算公式，使预应力锚杆( 索) 的作用得以充分发挥： 4 对边坡进行有限元分析，计算出边坡内部各点的应力、位移和塑性区，运 用强度折减法对边坡进行稳定性评价。 5 结合云南某高速公路边坡处治的实际工程，对k 4 7 + 4 7 5 - k 4 7 + 6 3 0 右侧边坡 加固进行优化设计。 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第二章边坡锚固工程的殴计及应用 第二章边坡锚固工程的设计及应用 2 1 岩土锚固的基本原理 岩层和土体的锚固是种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。锚杆插入预先 钻凿的孔眼并固定于底端，固定后，通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一 端用锚头固定。一种情况是锚头直接附着在结构一h ，以满足结构的稳定性。另一 种情况是通过粱板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体 表面。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或 保持地层开挖面自身的稳定。岩土锚固的主要功能是【1 8 】： ( 1 ) 提供作用于结构物上以承受外荷的抗力，其方向朝着锚杆于岩土体相接触 的点。 ( 2 ) 使被锚固地层产生压应力，或对被通过的地层起加