（道路与铁道工程专业论文）高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究.pdf

硕士学位论文 = ! = ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! = _ 1 2 = = ! = ! ! ! = 一! ! 摘要 随着我幽高等级公路建设的迅猛发展，公路边坡的加固与防护也同益显得重要， 特刷是路瓤边坡，对交通畅通和人民的生命财产影响比较大，同时对周围环境、水 土流失、7 i - n 保护等有重要的作用和影响，而我国公路部门对高等级公路边坡设计 和防护还没有形成套成熟的、合理的公路边坡设计与防护规范，因此建立公路路 堑边坡综合防护系统已迫在眉睫。本文结合郴州高等级公路建设有限公司与湖南大 学士木1 1 程学院合作项目“高等级公路路堑边坡实用防护方法研究”为依托，对高 等级公路路翅边坡的设计和实用防护方法开展了相关的研究。 本文首先分析和总结了国内外高等级公路路踅边坡设计和防护的相关成果，探 讨了火量的边坡稳定性分析、计算方法及各种防护方法，为路堑边坡综合防护系统 提供依掘；通过试验研究分别对士质、岩土质边坡坡体的力学参数提出了量化的数 学模型，并得到抗剪强度与含水量、干密度的关系及稳定系数与坡高、坡比等的关 系；用解析法确定最危险滑动面验算各种类型边坡的稳定性；提出公路路颦边坡应 该采用动态防护设计，建立防护工程c a d 的智能专家系统；公路路堑边坡还要注 重叫i 保和具有一定的观赏性，以及各区域的地质、气候、物种、人文等的差异性， 本文提出设计鱼：态景观公路路颦边坡的综合防护系统，并提出了湖南省高等级公路 路颦边坡综合防护区划推荐方案；根据研究成果应用于郴州市桂阳一嘉禾二线新建公 路路钷边坡，取得了良好的效果。 关键词：高等级公路；路颦边坡；动态优化设计；综合防护；生态景观公路 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ec l a s s i f i e d h i g h w a yc o n s t r u c t i o n s ，t h e c o n s o l i d a t i o na n dp r o t e c t i o no fh i g h w a ys i d e s l o p ea r ed a y l yi m p o r t a n t ，e s p e c i a l l yc u t s o p e ，i tg r e a t l yi n f l u e n c e st ot r a f f i ca n dp e o p l e sl i f ea n dp r o p e r t y , a tt h es a m et i m et o a r o u dc o n d i t i o n s ，w a t e ra n ds o i lf l o w a g ea n d e c o l o g i c a lp r o t e c t i o n ，b u tt h e r ea r ew i t h o u ta r i p e o rr e a s o n a b l er u l ea b o u t h i g h w a y s i d e s l o p ed e s i g n a n d p r o t e c t i o n i no u r c o u n t r y , s oi t i sc r i t i c a lt os e t u pas y n t h e t i cp r e v e n t i o ns y s t e mo fh i g h w a yc u ts l o p e i n t h i s p a p e r ，c o n n e c t l yd i s c u s s e da n ds t u d i e dw e r et h ed e s i g na n da c t u a lp r o t e c t i o no f c l a s s i f i e dh i g h w a yc u ts l o p eb a s e do nt h ej o i n tr e s e a r c hp r o j e c t ，r e s e a r c ho na c t u a l p r o t e c t i o no f c l a s s i f i e dh i g h w a yc u t s l o p e t h ep a p e rf i r s t a n a l y z e da n ds y n t h e t i c e dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s u l t si nd e s i g na n d p r o t e c t i o no f c l a s s i f i e dh i g h w a yc u ts l o p e ，d i s c u s s e dag r e a tm a n yw a y sa b o u ts t a b i l i t y a n a l y s i sc a l c u l a t ea n dp r e v e n t i o n ，i tp r o v i d e db a s i sf o rt h ec u ts l o p ei n t e g r a t e dp r e v e n t i o n s y s t e m b yt e s t sa n dr e a s e a r c h e so nm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f s o i la n ds o i l r o c k ys i d e s l o p e s ，t h ep a p e rp r o v i d e dn u m e r i c a lm o d e l ，t h er e l a t i o no fr e s i s t i n gc u t t i n gs t r e n g t ha n d w a t e rc o n t e n to rd r yu n i tw e i g h t ，s t a b i l i t yf a c t o ro rg r a d eo fs i d es l o p e t h ep a p e rg e tt h e m o s td a n g es l i pp l a n eb ya n a l y t i c a lm e t h o dt oc h e c kt h es t a b i l i t yo fv e r i o u ss l o p e a l s o t h ep a p e rp r o p o s e dd y n a m i co p t i m a ld e s i g nt oh i g h w a yc u ts l o p ea s i n t e l l g e n te x p e r t s y s t e mo fp r o t e c t i o ne n g i n e e r i n gc a d i ts h o u db ep a i e da t t e n t i o nt o e n v i r o n m e n t a l c o n s e r v a t i o n ，p l a n t ，c u l t u r ea n d s oo n ，t h e r e f o r ei n t e g r a t e dp r e v e n t i o ns y s t e mo f h i g h w a y c u ts l o p ew i t he c o l o g i c a ll a n d s c a p eh i g h w a ys h o u l db ea d o p t e d ，a n dt h er e c o m m e n d p l a n o fh u n a nw a sp r o p o s e dt o o a c c o r d i n gt ot h er e a s e a r c h e s ，g o o de f f e c tw a sr e c e i v e do n t h en e w h i g h t y p eh i g h w a y c u ts l o p ei nc h e n z h o u g u i y a n g j i a h e k e yw o r d s ：h i g h t y p eh i g h w a y ；c u ts l o p e ：d y n a m i co p t i m a ld e s i g n ；i n t e g r a t e d p r e v e n t i o n ；e c o l o g i c a ll a n d s c a p eh i g h w a y i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郧嘱r i i j ：所肇交的沦文是本人稚：导师的指导下独囊进行研究所收 得的砌f 究成粜。除了文中特别加以标注引用的内容外，本沦史小包龠任何 旗他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。埘本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在义中以明确方式标明。本人完全意谚：到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名 ；，智口期：州年乒月以曰 学位论文版权使用授权书 本学何论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留j f ：向围家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本出t - 位论殳。 本学位论文属于 l 、保密口，在一一一年解密后适用本授权书。 2 、彳；保密晒。 ( 请在以l 相应方框内打“”) 作者签名 导师攀私 谭f 裳 治饼 e l 刘j ：伊忤 日期：d ￥年 睁月谚曰 年月西口 一f v 硕士学位论文 第1 章概论 随着人口的增长和土地资源的开发，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( 源) 之。“。边坡问题也一直是我国工程界的热点问题及岩土 工程界中比较常见的技术问题之一，它涉及高层建筑基坑边坡，公路边坡，铁道隧 道边坡，水利电力工程边坡，矿山与石油开采工程边坡。其中铁道隧道边坡，水利 电力工程边坡，矿山与石油开采工程边坡的理论和技术都达到一定水平，有丰富的 理论和分析方法，有大量的文献资料，有较娴熟的施工技术，有明确的规范、依据， 以至铁路高边坡达到一百多米，三峡永久船闸高边坡达七百多米，采矿和石油开采 深度达几千米。“1 。相比之下，公路边坡的研究就稍微有些落后。这也难怪，以前， 我国公路等级低，路窄，线形标准低，基本上依地势而走。记得十年前我们做路线 毕业设计时要求挖填高度不大于l o m ，边坡稳定性问题不突出，因而可避免高挖深 填，即使发生塌方，也可以局部移线，只是行车不够顺畅而已。近十多年来，随着 我国改革开放的深入，国民经济的稳步发展，也迎来了公路建设者们大显身手的黄 金季节。在“要想富，先修路”的号召下，近年来我国修建了很多高等级公路，特 别是高速公路从1 9 8 7 年零的突破到2 0 0 3 年底增加到3 万公里，跃居世界第二位， 在公路建设过程中，等级要求越来越高，路面越来越宽，平、纵、横线形标准提高， 再不能象从前修建低等级公路那样迁就地形，特别是山区地形起伏较大的地区修建 高速公路对不可避免地出现大量边坡高、纵横向延伸长的高边坡，如西部地区，直 接涉及公路工程的设计、施工与投资，引起人们的重视，需要从新的角度认识和研 究这一问题。另外，我国计划到2 0 2 0 年全面实现“五纵七横”的国道主干线，各省、 市、自治区可根据本区的情况再规划修建省级干线网，公路事业正蓬勃发展。而路 面和路堑边坡是公路工程的两面镜子，因而公路路堑边坡的防护与治理就成了公路 工程迫切需要解决的问题。 1 1 公路路堑边坡的认识 公路边坡不同于水利电力、建筑基坑、采矿边坡，它是由土石料堆填压实而成 或开挖山体而成。是地平面以上可以看到的、观赏的，有一定的坡度，强调稳定和 美化，与环境协调，是公路工程的一个重要组成部分。而上述其它边坡是从地平面 往下钻进，通常坡度较大或近似垂直，不要求观赏性，仅强调边坡稳定。而公路边 坡和铁路边坡虽都是地面上的边坡，但铁路很窄，车速很快，一般边坡很陡，采用 圬工防护，同样强调边坡的绝对稳定，观赏性一般所以其它部门的护坡经验( 特 1 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 别是稳定性研究) 值得在高等级公路上借鉴使用，但公路边坡防护还应有自己的特 色。 1 1 1 路堑边坡的特点及其分类 根据公路路基横断面的形式，公路边坡分为路堤边坡和路堑边坡，路堑边坡即 挖方路基边坡。路堑的开挖，破坏了山体原有的内力平衡，释放了山体一部分能量， 扰动了山体的岩土结构，破坏了山体的自然植被和生态平衡，因此山体开挖后需及 时进行治理和防护，尽量使人工破坏的痕迹降到最低程度。为此在进行路堑边坡设 计和治理时，要针对路堑边坡的特点对症下药。 1 1 1 1 路堑边坡的特点 1 强调边坡的稳定性。路堑边坡失稳，容易引起塌方、滑坡，轻则堵塞、中断 交通，重则危及人民的生命财产。 2 倡导动态设计的原则。由于工程地质情况非常复杂，而地质钻探资料有限， 影响边坡稳定性的许多因素，如粘聚力、内摩擦角、密度、变形模量及其它一些指 标，都不是一个确定值，而是具有某一分布的随机变量。因此对路堑边坡的动态设 计应贯彻整个开挖过程。 3 恢复植被，保持生态平衡。给路堑边坡重新披上绿妆，不但可以防止水土流 失，隔音吸尘，保持生态平衡，而且是边坡稳定的长久之策。 4 美化路容、路貌。随着人们生活水平和环境保护意识的提高，不但要求出行 快速、舒适，还希望出行是愉快和轻松的。这就要求沿线风景秀丽，人文景观丰富， 以消除司乘人员高速行驶的疲劳。 s 具有路线诱导功能。边坡的坡形和边坡上的植被栽植应指导车辆行进方向的 变化，不能沿原方向继续行驶的岔路口对面应进行障碍性栽植。 1 1 1 2 路堑边坡的分类 边坡一般分类见表l 。l 、1 2 “。 表i 1 边坡分类表 分类依据名称简述 自然边坡由自然地质作用形成地面具有一定斜度的地段，按地质作用可细分 成因( 斜坡)为剥蚀边坡、侵蚀边坡、堆积边坡 人工边坡由人工开挖、回填形成地面具有一定斜度的地段 岩质边坡由岩石构成，按岩石成因、岩体结构又可细分，见表1 _ 2 岩性土质边坡由土构成，按土体结构又可细分为：单元结构、多元结构、土石混 合结构、土石叠置结构 超高边坡岩质边坡坡高大于3 0 m ，土质边坡坡高大于1 5 m 坡高高边坡岩质边坡坡高1 5 3 0 m ，土质边坡坡高l o l s m 硕士学位论文 续表 分类依据名称简述 中高边坡岩质边坡坡高8 1 5 m ，土质边坡坡高5 - l o m 低边坡岩质边坡坡高小于8 皿，土质边坡坡高小于5 m 长边坡坡长大于3 0 0 m 坡长 中长边坡坡长1 0 0 - 3 0 0 m 短边坡坡长小于1 0 0 m 缓坡坡度小于1 5 。 中等坡坡度1 5 0 3 0 0 坡度 陡坡坡度3 0 0 6 0 0 急坡坡度6 0 。胡o 。 倒坡坡度大于9 0 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 已失稳坡已发生明显的破坏 表1 2 岩质边坡分类表 分类依据亚类名称 简述 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 岩石类别 由沉积岩构成。可细分为碎厝沉积岩边坡、碳酸盐岩边坡、 沉积岩边坡 粘土岩边坡、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 边坡岩体呈块状结构，岩体较完整，由岩浆岩体、厚层或 块状结构边坡 中厚层沉积岩或变质岩构成 层状结构边坡边坡岩体呈层状结构，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，由强风化或强烈地质构造运动形 碎裂结构边坡 成的破碎岩体构成 边坡岩体呈碎裂状结构，由全风化或大断层形成的极破碎 散体结构边坡 岩体构成 岩层走向、倾顺向坡两者基本一致 向与坡面走向、反向坡两者的走向基本一致，但倾向相反 倾向的关系斜向坡两者的走向成大角度( 4 驴) 相交 1 1 2 路堑边坡岩土工程分类和分级 1 1 2 1 土的工程分类、分级 在我国交通行业标准中，土以其颗粒组成特征、物理特性指标等作为分类依据。 根据颗粒粒径的大小可划分为巨粒组、租粒组和细粒组。根据土中各粒组的含量将 土分为巨粒土、粗粒土、细粒土和特殊土。分类总体系如图1 1 m 1 。 - 3 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 按土的密实程度又分为胶结、密实、中密、较松四级。具体划分标准如表1 3 州。 巨一t六 巨粒土粗粒土细粒土、特殊土 i 漂 石 土 卵 石 土 土 圈1 1 土分类总体系 表1 3 土的密实程度划分表 分级试坑开挖 情况 较松铁锹很容易铲入土中。试坑坑壁很容易坍塌 中密天然坡面很陡立，试坑坑壁有掉块现象，部分需用镐开挖 试坑坑壁稳定，开挖困难，土块用手使力才能破碎，从坑壁取出大颗 密实 粒处能保持凹面形状 细粒土密实度很高，粗颗粒之间呈弱胶结。试坑用镐开挖很困难，天 胶结 然坡面可以陡立 1 1 1 2 岩石的分类、分级 在地质作用下产生的由一种或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体称为岩 石。岩石按矿物组成分为单矿岩和复矿岩。按成因又可分为岩浆岩、沉积岩和变质 岩三大类。具体分类如图1 2 “”“。 岩石 i 、 岩浆岩 l 卜 酸中基超 性性性基 岩岩岩性 岩 霄 火沉粘化学 山积土及生物 碎碎岩化学 屑屑类岩类 岩岩。 图i z 岩石分类总体系 刃彳 片片千板块 麻状枚状状 状岩状岩岩 岩岩 盐渍土红粘土膨胀土 黄 土有机质粘质土粉质土砂类土砾类土 硕士学位论文 按岩石的风化破碎程度分为未经风化、风化轻微、风化颇重、风化严重、风化 极严重五级。具体划分标准如表1 4 “。 表1 4 岩石风化程度分级 风化程度主要特征 分级 颜色与光泽结构与构造矿物成分破碎程度强度 所有矿物及其保持原有结矿物成分未变除构造裂隙岩石原有的 未经风化胶结物的颜色都构、构造外，肉眼见不强度 是新鲜的到其它裂隙 岩石颜色稍比结构、构造沿裂隙面稍发生少数风比新鲜岩石 新鲜岩石暗淡，未变有风化现象或化裂隙，但不约低，但不易 风化轻微 仅裂隙面附近部有水锈易与新鲜岩石区别 分矿物变色 区别 表面和裂隙面结构、构造沿裂隙面出风化裂隙发抗压强度仅 大部分变色，但大部分完好现次生矿物育，完整性较为新鲜岩石的 风化颇重 断口仍保持新鲜 差l 3 0 ，3 岩石 岩石颜色改结构、构造易风化矿物岩体呈干砌抗压强度仅 变，仅岩块断口大部分破坏均已风化变块石状，岩块为新鲜岩石的 风化严重中心仍保持原有质，形成次生 上裂纹密布，1 ，3 左右 颜色矿物疏松易碎，完 整性差 岩石完全变结构、构造除石英晶粒用手可折 很低 色，光泽消失。完全破坏，仅外，其余矿物断、捏碎 风化黑云母变为蛭石外观保持原岩大部分风化变 较严重的状态，矿物质，形成次生 晶粒间失去了矿物 胶结联系，石 英松散成砂粒 1 1 3 路堑边坡失稳破坏形式及其影响因素 公路路堑边坡是具有倾斜坡面的坡体，当由于各种自然因素或人为因素的作用 而破坏了边坡坡体的力学平衡时，坡体就要沿着其中某一滑动面发生滑动，使边坡 失稳。在对边坡进行稳定性评价时，一般采用“稳定边坡”，“可能失稳边坡”和“失 稳边坡”来说明边坡的稳定状况及其发展趋势“”。 “稳定边坡”系指在工程运行期闻，在天然和承受工程荷载条件下，坡体不发 生变形破坏的边坡；或虽发生变形，但其变形量在允许范围内的边坡。对于稳定边 坡，工程上不需采取专门的稳定措施，但应采取防护措施。以免其物理力学特性及 受荷情况发生变化，影响稳定。 “失稳边坡”是指天然状态下已经或正在变形破坏的边坡。对于失稳边坡，工 程上又无法绕避时，应采取整治措施以制止其迸一步变形破坏。 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 “可能失稳边坡”是指在天然状态下虽处于稳定状态，但在承受工程倚载或自 然条件改变后，可能发生变形破坏的边坡：或在稳定性评价中，稳定性指标( 例如 稳定性系数或安全系数) 小于规定安全指标的边坡。对于可能失稳边坡，需采取防 护加固处理措施，或予以绕避。 1 1 3 1 土质路堑边坡失稳破坏形式 1 溜方：由于少量土体沿土质边坡向f 移动所成。溜方通常指的是边坡上表面 薄层土体下溜。如图i 3a ) 、b ) 所示。 2 滑坡：一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动，常发生在粘土、粘土、 粉土之处，如央有储水的砂层、砂块或粘土和亚粘土与带有储水的砂层交替时，是 特别不利的。如图1 3 c ) 所示。 a )b )c ) 图1 3 土质路堑边坡的破坏a ) 、b ) 为溜方；c ) 为滑坡 3 崩塌和碎落：碎落是指软弱石质土经风化而成的碎块，沿边坡向下移动。崩 塌是大的上块脱离原有上体而沿边坡倾落下来。 1 1 32 岩质路堑边坡失稳的破坏形式 岩质边坡失稳的破坏形式是多种多样的。从破坏力学特征的观点出发，可将常 见的边坡失稳破坏形式分成岩石崩塌、平移滑动、岩块流动和岩层曲折等几类“。 如图1 4 所示。 1 岩石崩塌：岩石崩塌通常被认为是岩体在陡坡面上脱落而下的一种边坡破坏 形式。它经常发生于陡坡顶部裂隙发育的地方。崩塌的岩块通常沿着层面、节理或 局部断层带或断层面发生倾倒或者其下基础失去支撑而崩落。 2 平移滑动：平移滑动是一部分岩体沿着地质软弱面，如层面、断层、裂隙或 节理面的滑动。其特点是块体运动沿着平面滑移。这种滑动往往发生在地质软弱丽 往坡外倾斜的地方。 3 旋转滑动：旋转滑动的滑动面通常成弧形状，岩体沿此弧形滑面滑移。在均 质的岩体中，特别是均质泥岩或页岩中，滑面近似圆弧形。但在非均质的岩坡中， 硕士学位论文 滑面很少是圆弧形的，因为它的形态受层面、节理裂隙的影响。 4 岩块流动：岩块流动通常发生在均质的硬岩层中，这种破坏类似于脆性岩石 因最高应力点上的破碎而使岩层全面崩塌那样的情况。岩块流动的破坏形式没有明 显的滑动扇形体。其破坏面极不规则，没有一定的形状。 5 岩层曲折：有时，边坡破坏也可因坡面节理岩层的曲折引起，也称溃曲。 当岩层成层状沿坡面分布时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水的结冰作用， 增加了岩层的荷载，而使坡面岩层曲折，导致岩层破坏，岩块沿坡向下崩落。 岩石崩塌平移滑动旋转滑动 蠢 岩块流动岩层曲折 图1 4 岩质路堑边坡的破坏 1 1 3 3 路堑边坡失稳破坏的影响因素 路堑边坡的变形、破坏实质上是边坡岩土体在各种营力和工程因素的作用下， 坡体强度的弱化过程，坡体强度和边坡结构是控制边坡稳定性的关键。现有的研究 结果表明“，公路边坡稳定性是多种因素综合作用的结果，其中岩土体强度、岩体 结构、岩体的风化作用和坡高是影响稳定性的基本因素，而水的作用、环境条件、 工程因素等是边坡稳定性的诱发因素。 1 地质条件 ( 1 ) 岩土体的工程地质性质。岩土体的力学性质决定了边坡失稳的方式。土的 性质越好，粘性越大，土的重度r 和抗剪强度指标c 、巾就越大，土坡越稳定。 ( 2 ) 地质构造。表现为结构面的发育程度、规模、连通性、充填程度及充填物 成分和结构面的产出状态对边坡稳定性的影响。特别是岩体结构面和结构面的组合 以及与边坡面的组合关系是岩质边坡变形破坏的主要因素。 ( 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 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 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- 由于岩士体的力学性质受水的影响很大，地下水富集程度的改变 相应地将引起边坡稳定性发生改变。 2 边坡高度 大量的边坡工程统计表明“”，随坡高增大，边坡岩土体的应力状态便逐渐恶化， 增加切割不利结构面的几率，从而恶化边坡坡体的稳定状态。高边坡坡体的稳定性 与岩土体本身的自稳高度有密切关系，岩土体自稳高度值本身就反映了岩土体质量 的优劣。 3 边坡坡度 大量的边坡工程统计也表明“”，随坡角增大，边坡岩土体的应力状态也逐渐恶 化，边坡切割不利结构面的几率也增加，从而恶化边坡坡体的稳定状态。高边坡坡 体的稳定性与岩土体本身的内摩擦角有密切关系，岩土体摩擦角本身就反映了坡体 强度的高低。 4 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； 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。 5 人类的工程活动 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。主要 表现在不当的削坡方式、旌工方式、坡形及支护方式。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，减少坡体滑动面的抗滑力，而边坡的下滑力却 没有相应地减少，这样边坡的稳定性降低。不同的旋工开挖方式，对边坡岩土体的 应力分布、完整性的影响程度不同，从而对边坡工程稳定性的影响程度也不同。边 坡台阶的高度和宽度不同，边坡中各台角处的应力集中程度不同，对边坡工程稳定 性的影响程度也不同。边坡的支护方式对边坡稳定性的影响就不言而喻了。 6 环境条件 环境条件对边坡工程稳定性的影响较为复杂，因素较多，主要有气候因素和新 构造运动。大气降雨是地下水的主要补给源。气候类型不同，大气降雨量也不同。 因此，在不同的地区由于大气降雨量不同，即使其它条件相同，边坡的稳定性也不 相同。新构造运动往往引起边坡形态、产出状态及水文地质条件发生改变而导致边 坡失稳，强烈的新构造运动地震对边坡稳定性的影响极大，地震往往伴有大量的 边坡失稳。另外，在地震作用下，岩土中的空隙水压力增加和岩土体强度降低，也 对斜坡的稳定不利。 硕士学位论文 1 2 研究的目的和意义 边坡工程是一个复杂的系统工程，它既有有限变形问题又有无限变形问题，有 瞬时变形问题又有长时变形问题，它本是自然科学问题但有时有社会学问题掺杂在 里面，特别是边坡问题变成地质灾害时，一方面往往难以界定是自然界自身原因还 是人类的干扰，另一方面是社会反响。最后，边坡问题还受制于土地资源的合理开 发利用，保护生态环境以及可持续发展等重大国计民生战略。 近年来，随着我国高等级公路建设迅猛发展，对深挖路堑边坡进行有效防护已 刻不容缓。对于深挖路堑边坡，在施工中或完工后常出现崩塌、滑坡、坠落、坡面 冲刷及坡顶堆积失稳等多种多样的工程问题。在湖南，雨水充足，尤其如此。为防 护路堑边坡的工程问题，我国公路部门投入了大量的人力、物力，开展了系统的研 究，并获得了一定成果。但由于岩土体工程地质条件有明显的区域性分布规律，路 堑边坡病害也有区域性的特点，致使研究成果尚未能进入满足堑坡防护这一系统工 程需要的适用阶段，尚未出台相关的具有指导性的规范性文件，多数处于积累经验 的过程。加之现行公路路基设计规范( j t t 0 1 3 9 5 ) 中对深挖路堑边坡稳定性评 价、设计计算方法未作明确规定，不具指导性，也没就不同的边坡问题提出相应具 体的防治措施。此外，边坡的防护形式单一，传统的适用于一般边坡的防护方法多 被不加选择地用于高边坡防护，且被动防护方法占主导地位，防护效果欠佳。由此 导致不合理的施工方法：边坡形成后再防护或施工中出现问题后再防护，难以达到 预期的防护效果，从而导致边坡失稳事故频繁发生。公路边坡一旦失稳，将严重阻 碍交通，给国家和人民造成巨大的经济损失，同时破坏环境景观和生态平衡，本课 题拟以郴州市桂阳一嘉禾二级公路为依托，结合湖南省已建的几条高等级公路路堑 边坡情况，开展对高等级公路路堑边坡动态优化设计和实用防护系统的研究，对桂 阳一嘉禾二级公路和湖南省的公路建设乃至全国高等级公路建设都具有积极的现实 意义。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 随着岩土工程的诞生，人们就开始研究边坡问题，它是一个古老而又未能很 好解决的问题。国内外科技人员研究边坡的手段归纳起来可分为两大类；实验和计 算。研究内容分为防护理论、防护方法和施工方法三方面。如英国的e h o e k 和 j w b r a y 所著 r o c ks l o p ee n g i n e e r i n g ) 系统介绍了边坡防护理论及方法在英国 的应用；美国联邦公路局出版的h i g h w a ys l o p e ：d e s i g n ，e x c a v a t i o n ，s t a b i l i z a t i o n ) ) 一书，系统地介绍了美国公路路堑边坡防护方法。国内如张玉军、孔钧著的锚固 岩体的流变模型试验及计算方法。经过几十年的探索和应用，试验技术和方法获 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 得了长是的发展，既有简单的、费用低廉的、能部分反映边坡性状的常规试验，又 发展了复杂的、昂贵的、能较全面地反映边坡性状的模拟试验。计算手段伴随电子 技术的出现而获得飞速发展，不仅原有的解决方法得到提高，而且发展了数值计算 方法，如有限元法、离散元法、数值流形法等。 虽然国内外岩土工程界对边坡问题进行了大量研究，但还有许多问题未能得到 完满解决，如锚杆防护时，锚固长度的合理确定；土钉墙防护时，对结构的合理简 化等。特别是国内，由于公路部门对边坡的认识和研究起步较晚，对边坡动态设计； 边坡破坏机理及稳定性评价，以及深挖路堑边坡锚固技术研究方面远远不足。同时 国家对生态和环境保护意识的逐渐加强，使得路堑边坡植被防护方法不可避免地成 为急需解决的课题。 1 3 1 国外的路堑边坡设计和防护 美国的边坡设计除保证道路的稳定性外还要考虑为失控车辆的救险提供适当的 机会，做成为失控车辆可穿越的地带，而且可进行机械养护，故坡比较大，切坡较 低，一般为1 ：4 “”。只有在当地条件不允许使用较缓的边坡的路段，才推荐使用陡 于1 ：3 的边坡，而且还要考虑设置路旁护栏作为安全标志。在公路绿化美化方面， 美国不但要求公路建设部门应该重视，还采取多种措施鼓励公路沿线的社会团体或 企业为公路两侧的绿化美化作贡献。 德国公路边坡的绿化美化工作是由专业设计单位根据公路所处的地理位置与气 候环境，设计出公路边坡的绿化美化方案。边坡高时，一般情况是在接近公路的边 坡上种植草本植物，以防止乔、灌木枝叶对公路行车产生影响，在草本植物之上栽 植灌木，这样可减少绿化植物的养护管理工作，可节省人力和物力的消耗。德国的 公路边坡防护的另一个特点是边坡的防护绿化栽植工作与公路建设的施工相互配 合，边坡成型或加固后紧接着就进行生物防护施工，避免了由于外界影响而出现的 损坏。 日本的公路建设已有半个多世纪的历史，日本是一个地质活跃、地震多发的国 家，又是雨季集中、雨量充沛的地区。在道路防灾、公路绿化和环境保护等方面采 取了大量措施。如开挖土石方刚结束，即开始稳固边坡、再造绿化。高边坡每1 5 m 一阶，依次而上，每阶都有横向排水沟与纵向排水沟相连，条条排水沟隐约在绵延 丛密的草坪中；在设计阶段，利用计算机将各种特定的设计方案，通过图象输入和 图象叠加合成手段进行静态景观预测，然后将拟定的静态景观进行动态模拟，应用 计量心理学调查、研究、评价，根据该方案对乘员心理及安全方面的影响测试结果， 将边坡绿化方案进行修正。在方案选择上，遵循营造自然气氛，人造环境融于周围 大环境的原则。在确定和实施边坡绿化方案时，不同土质、不同坡面、不同地段所 硕士学位论文 选用的植物种类、绿化方案和施工手段都不同，在这方面，日本政府及各主管部门 制定了相应标准、规范，供指导施工用。现在，日本已开始引种木本植物，开展草、 木结合的边坡立体绿化。如在深挖的陡边坡处，从路边到坡顶，依次为草、矮灌木、 高乔木的立体绿化，从而防止坡面侵蚀和坡体坍塌：花、草、木的多样组合，可以 根据需要，人为造就各有特色、丰富多彩的各种自然生物群落，如绚丽夺目的花木、 花草群落、防风效果好的木林群落，保土固沙的植物群落，对环境改善能力强的植 物群落，单一持续生长以及保持鸟、昆虫、动物聚集生存等多种生物群落；在实践 中逐步产生了如喷附绿化、袋筋绿化、岩盘绿化及防灾绿化等许多针对不同类型坡 面的工程技术n “。 1 3 2 我国的公路边坡防护现状及趋势 由于我国的公路大规模建设也仅是近十多年的事，边坡防护工程尚缺乏足够的 重视，路基设计规范中关于防护工程的内容不够详细、明确，由于高等级公路的 迅速发展，没来得及制定相应的设计规范和具体措施，一般沿袭过去公路设计的习 惯，或者在实践中摸索尝试新的防护方式，没有形成系统的理论和设计规范。具体 表现在： 1 缺乏系统的防护方案、措施研究和综合设计。 2 在防护方案、防护形式选择方面缺乏技术、工程经济比较分析。 3 设计安全性差。高等级公路也沿用普通公路的设计，设计笼统、针对性差， 通车后常出现边坡坍塌事故，并且常常出现边坡坍塌后再被动防护的方式或通过后 续养护来处理。 4 防护措施落后。同样是沿袭过去普通公路设计的习惯，高等级公路的边坡防 护设计中仍大量采用浆砌片石护坡( 护面墙) 、拱型藏水骨架等边坡防护方式。 5 生态保护重视不够，植物物种选择方面，随意性过大，缺乏和园林部门的探 讨研究。许多高等级公路的设计文件中都没有对环境保护进行专门设计。 6 由于地理区域自然条件的差异，缺乏各地区最佳防护典型形式，致使设计人 员难以操作。 可喜的是随着我国公路建设的迅猛发展。交通部g b m 工程的提倡，路基边坡防 护日渐引起公路部门的重视，在我国多年的道路工程实践中积累了不少防护和加固 的经验，环保意识和美观意识越来越强，相信在不久的将来，人们会行驶在三季有 花、四季常绿的艺术长廊之中。 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 _ i e 1 日_ _ 日e 日i _ _ _ _ - l _ _ l _ - _ - _ _ _ - _ - _ _ _ t j _ _ _ _ _ - - _ 自e = l ! 目_ = 自一 1 4 本文的研究内容和方法 1 4 1 本文的研究对象和研究内容 本文作为“高等级公路边坡实用防护方法研究”课题的重要内容，以桂嘉二级 公路为试验路段，结合我省的长常高速、潭邵高速、临长高速、吉罗二级公路、张 罗二级公路等有关资料，以路堑边坡的防护设计和防护方法为研究对象，通过对公 路路堑边坡的特点、边坡失稳破坏稳定性分析和计算、边坡防护动态优化设计、边 坡综合防护系统等进行研究，为公路勘察部门、设计部门提供参考，为高等级公 路综合防护技术研究的完成乃至公路防护设计规范的制定有所裨益。本文研 究的主要内容有： 1 路堑边坡病害调查分析 2 边坡破坏机理及稳定性评价方法 3 路堑边坡动态优化设计 4 边坡生态防护技术 5 路堑边坡综合防护系统 1 4 2 本文的研究方法 本文采用数值计算方法，室内外试验，结合实体工程的总体技术路线展开研究， 具体如下； 1 通过对路堑边坡进行地质调查和大量的现场测试以及资料收集，结合试验结 果进行计算分析，提出依托工程合理的防护措施。 2 通过室内试验与数值分析方法研究破坏机理及其重要影响因素，采用试验对 比方法，结合现场测试数据，展开稳定性力学参数的研究。 3 通过工地现场试验和观测结果，用极限平衡法进行稳定性分析。 4 选取典型的边坡植被防护结构，结合人文景观，进行生态和景观路堑边坡防 护研究。 5 通过对我省已建或正建的高等级公路的地质、地形、气候、物种分布等因素 的差异性将全省公路路堑边坡初步进行防护类型区划。 硕士学位论文 i _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ ll 第2 章路堑边坡坡体力学参数的合理取用 2 1 概述 边坡防护的目的是保证边坡稳定性，边坡稳定性分析包括定性分析、定量解析 和综合评价，目前广为工程人员应用和易于接受的为定量解析。边坡稳定性定量解 析首先面临的是边坡岩土体力学参数的确定，参数确定的合理与否不仅影响边坡稳 定性分析结果，而且直接关系边坡防护工程设计的成功或失败。路堑边坡按岩性分 为岩质边坡和土质边坡，土质边坡的力学参数通过室内外剪切实验就可以得到，但 岩质边坡由于组成、构造复杂，影响因素多，并受各种条件限制，很难精确地得到 岩质边坡的力学参数。因此有必要开展边坡岩土质力学参数获取方法的研究。 2 1 1 岩土体力学参数获取方法 岩土体力学参数获取方法概括起来有试验法、数值分析法、经验法、地球物理 方法四大类。 试验法作为一种原始的、直接获取岩土体力学参数的方法，已被人们所接受， 它包括室内强度试验、现场原位试验、模型试验、模拟试验。室内强度试验几乎涉 及到每一项重要的工程建设，是掌握岩土体力学性质最基本而必不可少的手段之一， 但岩质力学参数通过岩块室内试验获取具有较大困难，岩体与岩石在力学介质特征 上、物理力学性能上和力学作用机制上都有很大差别 1 9 a 岩体在岩体结构控制下可 分为三种：不连续的块裂介质、破碎介质、连续介质，而岩石一般仅作为连续介质。 在物理力学特性和力学作用上，岩体具有明显的结构效应，而岩石则不明显。而且 某些时候岩块不易获取，故它只能帮助人们在一定程度上去认识岩体。现场原位试 验能较好地反映岩体的自然特性和赋存的地质环境的影响，可得到一定尺寸范围( 通 常1 m 左右) 岩体的力学参数值，但该法费用高、代表性试验点选择困难、不同试验 方法具有不同的试验结果。故仅仅依据原位试验来确定岩体力学参数也是很困难的。 模型试验法根据相似性原理、对实际情况作些简化和假设后，对结构几何形状与作 用荷载及物理力学特征进行模拟、进而推测岩体力学参数啪。该法在国内外应用近 六十年，是一种行之有效的重要手段，已被人们广泛采用，但由于与实际情况有许 多简化和假设，加上加载方法与试件尺寸限制，以及试件结构效应未得到很好解决， 故所得力学参数与实际情况有一定出入。模拟试验法根据地质数据资料，在室内按 1 3 高等级公路路堑边坡动态优化设计及综合防护系统研究 一定比例模拟现场岩体环境，通过试验结果来预测岩体力学参数值。“。该法弥补了 模型试验法的简化和假设所产生的影响，更接近于岩体的实际情况，但对于岩体这 样一种复杂的物理现象如何选择试验相似，尚有许多问题有待研究和探讨。 数值分析法主要是伴随计算机技术的发展而发展起来的，它包括连续体( 含节 理界面) 分析法( 反分析、直接法) 、裂隙模拟法、块体分析法。数值分析法引入到 岩体力学后，人们首先想到的是如何利用现场观测结果来反演岩体力学参数值，此 即为反分析。反分析依赖两个条件，一是岩体工程实测位移可靠性，二是岩体本构 模型，而上述两个条件常常难以很好解决。故该法的应用遇到一些困难。直接法通 过计算机模拟试件加载，用计算得到岩体模型的应力一应变关系，以及破坏时的强度 值，最后根据选用的精度准则和应力一应变关系导出岩体力学参数值，它包括弹塑性 有限元法。”、等效连续体有限元法。”、断裂力学法。”、损伤力学与损伤断裂力学法 。“等。但该法考虑荷载条件时受到一些制约，常难以全面反映实际情况。块体分析 法中应用较广的是离散元法。”，这种方法在岩体力学数值模拟研究中的应用己取得 了很大发展，但该法的根本问题是岩体离散后计算结果带来的误差没有很好地解决。 总之，到目前为止，数值分析法只能帮助人们了解岩体的应力应变特性，要有效地 估计岩体力学参数，还必须结合试验。 地球物理方法是一种利用弹性波在岩体中传播特性来研究岩体力学参数的方 法，它包括超声波法、地震波法、电磁波法、瑞利波法、c t 法等。由于该法对岩体 扰动小、紧密结合岩体赋存地质环境、灵活性大、能考虑不同尺寸范围和各个方向 异性特征的几何尺寸效应，故获得广泛应用。但该法尚有诸如非线性、岩体裂隙影 响等问题有待研究。 经验法是从事岩体力学工作的专家们在实践过程中对岩体力学特性逐步认识、 乃至知识的积累，根据自己的体会，对岩体力学特性作出的经验判断，从而建立起 来的一种方法。经验法发展至今，在岩体力学与岩体工程中占据了相当重要的地位， 它具有三个方面的内涵：是人们将对岩体的自然特性的逐步认识进行归纳、组织 和总结，建立了一套与岩体自然特性直接联系的岩体力学参数估计方法，如工程地 质类比法、系数折减法、加权平均法、块体模数法脚3 、r m r 和h o e k b r o w n 法；二 是人们将实践中获得的经验知识，借用数学方法( 主要是概率论范畴内的) 对某些 未知或模糊的参数进行推测和判别，从而形成了相应的岩体力学参数获取方法，如 f u z z y 法脚3 、灰色理论法。”、贝叶斯可靠性估计法”“；三是借用计算机的先进技术 来模拟专家的思维，对岩体力学特性进行判别，进而获取岩体力学参数，如专家系 统。“、神经网络啪3 、遗传算法。“。其中r 腿和h o e k b r o w n 法在世界上得到广泛推 荐和应用，是一种比较有效的确定岩体力学参数的方法。 2 1 ，2 岩土体力学的强度理论 1 4 - 硕士学位论文 根据力学原理确定材料的破坏标准或屈服条件，必须是最大正应力，最大剪应 力或最大正应交，最大剪应变的任一因素或几个组合因素达到某一极限值。基于这 些不同因素所建立的强度理论，通常有四种。： 1 大正应力理论( 即l a m e n a v i e r 拉梅理论) 第一强度理论 这个理论是根据拉伸或压缩的极限强度，作为判断材料是否破坏的准则。按这 种观念建立的理论，是以正应力起控制作用的，但实验证明，这种强度理论对于有 较大塑性变形的材料并不适用。 2 大应变理论( 即圣维南s t v a n a n t 理论) 第二强度理论 这个理论是以材料相对伸长作为判别强度的准则。也经过实验证明，只能适用 于脆性破坏的材料。 3 最大剪应力理论( 莫尔一库仑m c o u l o m b 理论) 第三强度理论 这个理论最早是库仑提出的，以最大剪应力作为材料开始破坏的量度。莫尔继 承了库仑的工作，提出表示材料的极限应力状态的应力圆有公共包线，即材料的极 限强度线。只有当代表一定应