（岩土工程专业论文）昆洛路垂直高边坡预应力锚索桩板墙支护试验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着国民经济的飞速发展，铁路、公路、水利的建设速度越来越快，出 现越来越多的人工边坡，人们将越来越多地遇到滑坡治理问题。预应力锚索 桩板墙作为一种实用有效的支挡措施己在边坡整治工程中得到了广泛地应 用，然而其理论研究远远滞后于工程应用。本文以昆洛路垂直高边坡防治工 程为背景，从现场试验和室内离心模型试验两方面对预应力锚索桩板墙的锚 固机理、受力变形及加固效果的评价作出了详细的分析和研究。 昆明市昆洛路垂直高边坡采用预应力锚索桩板墙支护结构，最长桩长达 到2 5 3 2 m ，现场对其中的最高桩3 0 # 和3 2 # 桩布置了锚索计、钢筋计，土 压力盒等测试元件，通过对1 8 个月的监测数据的分析整理，研究了锚索预应 力损失的特点和锚索轴力随时间发展变化趋势；总结了土压力在预应力锚索 和支护桩的联合作用下呈现出新的变化规律；讨论了预应力的施加对桩身内 力的改变以及预应力的合理选择问题；分析了预应力对桩在垂直路线方向的 位移的影响。 通过查阅大量的文献资料，对土工离心模型试验的原理、特点、离心机 的发展状况和国内外的应用情况做了详细的阐述，并从几个方面分析了离心 模型试验的误差问题。 以昆洛路垂直高边坡为原型，设计1 ：6 0 的模型对预应力锚索桩板墙的 受力及变形特性进行了研究。共设计了2 组模型试验，一组模拟边坡在无支 护条件下开挖的变形破坏情况；另一组则以昆洛路垂直高边坡预应力锚索桩 板墙支护结构体系为原型进行模拟，限于试验水平，本次未能施加预应力， 但模型较原型应是偏于不安全，在试验成果分析也是中考虑了这一点。本文 对离心模型试验的设计和实施都做了详细的描述。 最后，综合现场试验和室内离心模型试验成果，总结了预应力锚索桩板 墙的的锚固机理、受力变形特点及其稳定安全性，并对同类工程设计提出了 建设性的建议。 关键词：预应力锚索；垂直高边坡：现场试验，离心模型试验；安全性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h ec o n s t r u c t i o ns p e e do f r a i l w a y s , h i g h w a y sa n dh y d r op r o j e c t sb e c o m em o r ea n dm o r eq u i c k l y , t h u s r e s u l t i n gi nm o r ea n dm o r ea r t i f i c i a ls l o p e s ，s ot h ee n g i n e e r sw i l lf a c eu pm o r e p r o b l e m so nl a n d s l i d ed i s p o s a l a sap r a c t i c a l l ye f f e c t i v er e t a i n i n gs t r u c t u r e ，t h e p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ep i l er e t a i n i n gw a l lh a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt os i d es l o p e p r e v e n t i o ne n g i n e a r i n g h o w e v e r ，t h e t h e o r e t i c a l s t u d y f a l l sf a rb e h i n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n b a s e do nt h eh i g hs t e e ps l o p ep r o j e c ti nk u n l u or o a d , d e t a i l e da n a l y s e s ，w h i c hf o c u so nt h ea n c h o r i n gm e c h a n i s ma n db e a r i n ga n d d e f o r m i n gb e h a v i o ra n de v a l u a t i n ga n c h o r i n ge f f e c to ft h ep r e - s t r e s s e da n c h o r c a b l ep i l er e t a i n i n gw a l l ，h a v eb e e nm a d ei nt h i sp a p e r t h ep r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ep i l e r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ，o fw h i c ht h e l o n g e s tp i l ei sa sl o n ga s2 5 3 2 m ，i sa p p l i e dt ot h ek u n l u or o a dv e r t i c a lh i l g h s l o p ep r o j e c ti nk u n m i n g t e s tc o m p o n e n te l e m e n t ss u c ha sa n c h o rc a b l em e t e r s ， b a rm e t e r sa n de a r t hp r e s s u r ec e l l sa r ea r r a n g e di nt h el o n g e s tp i l e s ( n o 3 0a n d n o 3 2 ) a c c o r d i n gt ot h ed a t ad e r i v i n gf r o m1 8m o n t h s m o n i t o r ，t h ep r e s t r e s s i n g l o s sf e a t u r e so fa n c h o r sa n dt h ec h a n g et r e n do fa n c h o ra x i a lf o r c ew i t ht i m ea r e d e m o n s t r a t e da n dc o n c l u d et h en e wc h a n g el a w so fe a r t hp r e s s u r eu n d e rt h e c o m b i n a t i o na c t i o n so fp r e - s t r e s s e dc a b l e sa n dr e t a i n i n gp i l e s f r o mt h em o n i t o r d a t a ，i ta l s od e s c r i b e si n f l u e n c e so ft h ep r e - s t r e s st ot h ei n t e r n a lf o r c ec h a n g ea n d p r o b l e m so nc h o o s i n gr e a s o n a b l ep r e s t r e s s ，a n da n a l y z e st h ee f f e c t so fp r e s t r e s s o nd i s p l a c e m e n to fp i l e sw h i c hi sn o r m a lt or o a dc o u r s e o nt h eb a s i so fl o o k i n gu pal a r g en u m b e ro fd o c u m e n t s ，i td e t a i l e d l y i n t r o d u c e sp r i n c i p l e sa n df e a t u r e so ft h eg e o t e c h n i c a lc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ec e n t r i f u g ea n di t sa p p l i c a t i o n sa th o m ea n da b r o a d ，a n di t a n a l y z e st h ee r r o ro fc e n t r i f u g a lm o d e lt e s ti ns e v e r a la s p e c t s t a k i n gt h ev e r t i c a lh i g hs l o p ei nk u n - l u or o a da sp r o t o t y p e ，t w og r o u p s m o d e lt e s t sa r ed e s i g n e dt os t u d yt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h e p r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ep i l er e t a i n i n gw a l l ，o n eo fw h i c hs i m u l a t e s t h e d e f o r m a t i o nf a i l u r ep r o c e s so fs l o p et h a ti se x c a v a t e dw i t h o u tr e t a i n i n gs t r u c t u r e a n dt h eo t h e ro fw h i c hs i m u l a t et h ed e f o r m a t i o nf a i l u r e p r o c e s so fs l o p e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 lf 页 s u p p o r t e db yp r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ep i l er e t a i n i n gw a l l i nt h i sg r o u p , l i m i t e d b yt e s tl e v e l ，t h ep r e - s t r e s si s n te x e r t e do nt h em o d e l ，b u tt h em o d e li sm o r e d a n g e r o u st h a nt h ep r o t o t y p e t h et e s ta n a l y s i sh a st a k e nt h i si n t oa c c o u n t t h e m o d e lp r o p o r t i o ni sd e s i g n e di n1 ：6 0 i na d d i t i o n ，t h ed e s i g na n do p e r a t i o no ft h e c e n t r i f u g a lm o d e lt e s ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l si nt h i sp a p e r i nt h ee n d , b a s e do nt h er e s u l t so ff i e l dt e s ta n dc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t , s u m m a r i z e st h ea n c h o r i n gm e c h a n i s ma n db e a r i n ga n dd e f o r m i n gb e h a v i o ra n d t h es a f e t yo ft h ep r e s t r e s s e da n c h o rc a b l ep i l er e t a i n i n gw a l l ，a n dg i v e ss o m e c o n s t r u c t i v ev i e w st os i m i l a rp r o j e c t s k e yw o r d s ：p r e - s t r e s s e da n c h o r ：v e r t i c a lh i g hs l o p e ；f i e l dt e s t ：c e n t r i f u g a lm o d e l t e s t ；s a f e t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 有关高陡边坡的设计计算及治理方法，经过多年的工程实践和理论研究， 国内外在该领域的各个方面都取得了很大成就，其中支挡加固结构的发展应 用尤为迅速，锚索桩( 在滑坡工程中又称抗滑桩) 、预应力锚索地梁等新型桩 锚结构在工程实践中的大量应用，使加固高陡边坡和整治大、中型滑坡成为 可能。但是，目前大多数锚索( 抗滑) 桩结构的安全系数过大，结构的抗滑、 加固能力远没有充分发挥，现有锚索( 抗滑) 桩结构的设计还有待于迸一步 改进。由于影响滑坡的因素众多且易于变化，因而在基本查明滑坡的性质、 规模等问题后，在进行防治工程设计时常将一些易变的或不十分清楚的环境 因素可能造成的不利影响蕴含在安全储备中，因此致力于提高工程设计水平、 充分挖掘抗滑桩工程潜能的研究乃当今一大趋势。虽然预应力锚索抗滑桩和 预应力锚索地梁等新型桩锚抗滑结构己在工程中大量应用，但其设计计算理 论研究远远滞后于工程应用，而且在造孔技术、单孔张拉吨位、锚杆的设计 和结构形式、锚固与灌浆技术等方面仍有待研究，特别是锚索抗滑桩的力学 状态，桩、索及土的相互作用的机理及设计理论还不够成熟【”。对于预应 力锚索抗滑桩计算，由于国内在工程中的大量应用，相应的试验研究、现场 测试和理论研究较多，我国在这一方面处于世晃前列。王化卿l “、周德培1 5 8 1 、曾德利卜剐、田景贵【9 】等都对预应力锚索抗滑桩设计计算进行过分析研究。 总的来说目前预应力锚索抗滑桩的计算方法可分为两类，即不考虑锚索与抗 滑桩协调变形和考虑锚索与抗滑桩协调变形的方法，由于后者的合理性，预 应力锚索抗滑桩的计算趋向于采用后者。 我国是一个多山国家，是世界上地质灾害多发国家之一。随着经济的飞 速发展，人类对自然环境的改造、利用日益广泛。在水利水电、露天采矿、 能源、铁路、公路及市政工程等领域，都会遇到人工开挖或自然形成的高陡 边坡，当地质条件差且处理不当时就可能产生滑坡，甚至出现严重的大滑坡 灾害，给人类的生命财产安全带来重大威胁。如1 9 6 3 年北意大利的v a i o n t 水库左岸滑坡，使得2 5 0 0 0 万立方米的滑体以2 8 m s 的速度下滑到水库中， 形成了2 5 0 多米高的涌浪，造成下游2 5 0 0 多人丧生；1 9 8 0 年我国湖北运安 盐池河磷矿发生的山崩，1 0 0 万立方米的岩体崩落，摧毁了矿物局和坑道的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 全部建筑物，造成了2 8 0 人死亡；1 9 8 1 年宝成铁路共发生滑坡2 8 9 处，中断 行车两个多月，抢建费达2 5 6 亿元；1 9 8 5 年1 0 月3 1 日，广东广宁发生的 滑坡，3 万立方米的强风化混合花岗岩土石掩埋了第四水电站，造成其全部 设施报废，死亡1 2 人，经济损失达1 0 0 万元：1 9 8 9 年1 月1 0 日在云南漫 湾水电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑坡，不仅耗资近亿元来进行治理，而 且使这个1 5 0 万千瓦的水电站推迟近一年发科1 1 j ；1 9 9 4 年四川宜宾市兴文县 久庆镇，因建设切坡脚，诱发滑坡导致楼房倒塌，途径此地至金华的大客车 被埋，车内3 7 人全部死亡，车辆报废；2 0 0 1 年5 月1 日重庆市武隆县城江 北西段发生山体滑坡，造成一栋9 层居民楼房跨塌，死亡9 7 人，阻断了3 1 9 国道新干线，几辆停靠和正在通过的汽车也被掩埋在滑体中。世界上每年由 于人工边坡或自然边坡失稳造成的经济损失每年可达3 3 亿美元。除此之外， 在美国平均每年至少有2 5 人死于这种灾害；在我国，据不完全统计，1 9 9 8 年以来福建省先后发生的坍塌、滑坡、泥石流、地面塌陷等2 1 3 0 0 多起，涉 及4 0 多个县( 市、区) ，造成3 0 0 余死亡，伤5 0 0 余人，毁房5 0 0 余问，经济 损失高达1 0 多亿元；四川省近1 0 年来，每年地质灾害造成的损失达数亿元， 死亡4 0 0 余人，直接经济损失数千万元i l ”。边坡的治理费用在工程建设中也 是极其昂贵的，根据1 9 8 6 年e n b r o m h e a d 的统计，用于边坡治理的费用约 占地质和自然灾害的2 5 - 5 0 左右。如在英国的北k e n t 海岸滑坡处治中， 平均每公里混泥土挡墙耗资高达1 5 0 0 万英镑；在我国，随着大型工程建设的 增多，用于边坡处治的费用在不断增大，如三峡库区仅用于一期的边坡治理 费用就高达4 0 亿元人民币；特别是在我国西部高速公路建设中，用于边坡治 理的费用占总费用的3 0 5 0 。因此对边坡进行合理设计和有效治理将直接 影响到国家对基础建设的投资以及安全运营【1 3 】。 高边坡防治工程已成为我国基础设施建设中的一个热点和难点问题。经 过多年的工程实践和理论研究，国内外在边( 滑) 坡防治的各个方面都取得 了很大成就。其中，预应力锚索桩和挡土板的联合使用作为一种实用有效的 支挡工程措施己在地质灾害治理中得到广泛的应用。然而，其锚固机理、加 固后的受力变形特性和稳定性分析及锚索的预应力损失仍然是一个亟待深入 研究的课题。因而，开展预应力锚索桩板墙的研究具有一定的现实意义。 1 2 预应力锚索桩板墙的试验研究现状 对于抗滑桩，国内外学者作了一些试验研究。m s t s i l l 等【1 4 1 为验证i t o 等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 5 】提出的作用于抗滑桩上土压力计算公式，在长6 0c m ，宽3 0 锄、深3 0 锄 的钢制模型箱内进行了一系列模型试验。试验结果表明，作用于桩上的侧向 土压力随土体位移增加而增加，在达到峰值后，粘土的侧向压力基本不随位 移再增大，而砂土则稍微有所减少。马骥1 1 6 j 模拟现场抗滑桩的受力情况，在 室内进行单桩模型试验。试验结果表明，当滑动力小于滑动面以上桩前滑体 的极限抗滑力时，抗滑桩与普通地基中的侧向受荷桩无本质的区别。熊治文 【1 7 】介绍了深埋式抗滑桩模型试验和相关数值模拟分析，通过资料分析，就深 埋式抗滑桩的桩身受力分布规律、深埋桩承担的滑坡推力与桩顶埋深之间的 关系及其适用条件等问题进行了探讨，并得出了相关结论。李同明1 1s 】依据建 兴滑坡应急方孔挖孔桩位移监测结果，将该滑坡的活动过程分为蠕变初始阶 段和剧烈蠕动阶段，并对监测位移及时作了分析预报。许东俊i ”1 等采用钻孔 倾斜仪法监测钢轨抗滑桩受力状态，从而评价加固效果。 曾德荣，李霖【7 l 通过模型试验和现场监测研究，得出：预应力锚索改变 了桩的力学模型，使桩由悬臂改变成了( 弹性) 简支，或一端弹性支承另一 端固定的结构；锚索预应力的施加，对土体产生了“主动”的反压力，改变 了土压力的分布规律，由悬臂桩的三角形分布改变为近似的梯形分布。张玉 芳【2 0 l 等对深圳市黄贝岭滑坡治理工程的预应力锚索桩进行了长期的现场监 测，由测试结果分析得出：锚索拉力随时间的变化可分为三个阶段，即锚索 预应力迅速减小阶段、锚索预应力缓慢变化阶段和锚索预应力的稳定阶段， 锚索预应力缓慢变化阶段中锚索预应力的增大或减小取决于预应力长期损失 和滑坡推力之间作用的结果。曾云华，郑明新1 2 1 】通过室内预应力锚索抗滑桩 的模型试验，得出滑坡推力对抗滑桩的作用大致呈矩形分布；锚索的预应力 作用，使桩前的一部分土体受压，该受压区的c 、舻值增大，从而增大抗滑 力。 1 3 边坡稳定性分析的研究现状 边坡稳定性的分析方法归纳起来可分为两类：即确定性方法和不确定性 方法。确定性方法是边坡稳定性分析的基本方法，它包括传递系数法、极限 平衡法、数值方法、块体理论法、赤平极射投影法等。极限平衡分析法目前 仍是边坡稳定性分析的主要方法之一，主要包括：b i s h o p 法、f e l l e n i u s 法、 j a n b u 法、s p e n c e r 法、m o r g e n s t e r m p r i c e 法、s a r m a r 法。工程实践中常采用 二维极限平衡法。数值方法是6 0 年代引入边坡稳定性分析中，它包括有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 法、边界元法、离散元法及混合法等。数值方法能从较大范围考虑介质的复 杂性，全面地分析边坡的应力应变状态，有助于对边坡变形和破坏机理的认 识，较极限平衡方法有很大改进和补充。由于一些新理论、新方法的出现及 人们在边坡工程设计和分析中认识到有大量的不确定性因素，7 0 年代初开始 出现边坡稳定性分析的不确定性方法。不确定性方法包括可靠性分析法、模 糊数学法、灰色预测系统法、分形几何法、人工智能法等。其中，可靠性分 析法是边坡稳定性分析中目前应用最广的不确定性方法。 近年来，用有限元法对边坡进行稳定性分析和破坏的渐进性模拟已成为 边坡稳定分析的一个新的发展方向。有限元法分析边坡稳定问题克服了极限 平衡方法中将土条假设为刚体的缺点。考虑了土体的非线性本构关系，能模 拟边坡的施工过程，可适用于任意复杂的边界条件。有限元法分析边坡稳定 性先计算出边坡内每一单元的应力，然后按沿整个滑裂面的抗剪强度与实际 产生的剪应力之比来求得安全系数。目前，主要是利用商业有限元软件 a n s y s 、f l a c 和p l a x i s 进行一些研究。 钟国强1 2 2 j 采用a n s y s ，通过强度折减来求加筋土挡墙的稳定安全系数。 国内利用f l a c 进行岩土工程数值模拟的工作也不少。杨天鸿【2 3 】等采用 n a c 程序对抚顺西露天矿北帮西区高陡边坡倾倒滑移变形机理进行数值模 拟分析，并对采取的抗滑桩加固工程和疏干减压工程的治理效果进行评价， 为边坡整治工程设计提供技术指导和依据。徐文源等【2 4 】应用p l a x i s 对西攀 高速公路关门高边坡土钉支护工程进行仿真研究并与现场试验进行了对比， 发现有限元计算结果与实测结果比较相符。 抗滑桩加固边坡后的设计计算时，滑坡推力计算国内一般采用传递系数 法，将土体自重引起的下滑力乘以安全系数i 【 铁路路基设计规范规定安 全系数k 一般情况下可取1 0 5 一1 2 5 瞄1 。p o u l o s 2 6 l 介绍了抗滑桩的设计首先计 算出将安全系数提高需要值所需的剪力，再计算每根桩在阻止边坡潜在失稳 部位滑动时所能提供的最大剪力，最后选择桩型，桩数和在坡体中间合适的 部位。锚索加固后边坡的安全系数常用二维极限平衡分析法计算，锚索拉力 作为一集中力沿滑面的切线方向和法线方向分解，然后计算边坡的稳定性。 但预应力锚索桩加固边坡后的安全系数计算问题一直是一个难点 1 4 本文主要研究内容和思路 预应力锚索桩板墙是一种新型的支挡结构，其在工程上的应用已经很普 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 遍。对这种结构的受力变形和加固效果研究可以为以后类似工程的设计和施 工提供合理的依据。本文以昆明市昆洛路改扩建工程k 0 + 3 8 0 ，k 0 + 8 0 0 段边 坡为依托工程，通过现场试验和室内1 ：6 0 的离心模型试验，对预应力锚索桩 板墙的受力变形和安全性作出评价。 1 通过查阅文献，对预应力锚索桩板墙结构的应用现状、试验研究现状 和边坡的稳定性分析的研究现状作以简要阐述。 2 通过昆洛路垂直高边坡预应力锚索桩板墙结构的现场试验，分析桩和 挡板的土压力分布、桩身内力、桩的悬臂段与路线垂直方向的位移以及锚索 的轴力变化。 3 对土工离心模型试验的原理、发展状况，误差问题等作以系统的总结 和归纳。 4 以昆洛路边坡为原型，设计1 ：6 0 的离心模型试验，研究预应力锚索 桩板墙( 未施加预应力) 的受力变形特点并与现场试验结果比较，分析二者 之问的差异，总结出预应力锚索桩板墙的锚固机理并对安全稳定性进行评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章昆洛路垂直高边坡预应力锚索桩板墙支护现 场试验研究 2 1 工程概况 2 1 1 概述 建设中的昆明市昆洛路改扩建工程为连接昆明主城和呈贡新城的放射性 城市主干路。工程位于昆明市滇池东岸，南北走向，全长2 2 7 5l 【l i l ，规划红线宽 8 0 m ，机动车双向1 0 车道、加非机动车道和人行道。设计荷载为城a 级，设计 车速6 0k m h 。道路在北段k 0 + 3 8 0 k 0 + 8 0 0 、南段k 1 + 4 4 0 k 1 + 7 8 0 和 k | 7 + 0 2 0 一k 7 + 1 5 4 9 7 穿越丘陵地带。设计道路切坡平距在3 0 5 2 m ，道路边缘 切割山体深度最大超过2 2 m 。山体顶部为自然上延的边坡。坡顶除大量树木 外，还有重要建筑结构、民居等建筑群。高度超过3 0 m 的部分建筑物距征地 界线仅8 m 左右。道路的建设必然影响到山体及其顶部建筑物的稳定性。根 据建筑边坡工程技术规范( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 和建筑基坑支护技术规程 ( j g j l 2 0 9 9 ) 的规定，该高大边坡工程的安全等级属于一级工程。 很显然，无支护条件下进行人工切坡极可能造成工程滑坡或不稳定边坡， 严重威胁施工人员及公路的安全。因此必须采取必要的支挡措旄对边坡进行 防护。在支挡结构的设计论证中，一方面，受征地边线的限制，无法自由放 坡，边坡开挖为垂直切坡，并且用于边坡支挡结构的空间也受到限制。另一 方面，坡顶建筑物的重要性和特殊性( 军用建筑) 要求边坡在施工和运营期 间都必须保证其稳定性。基于这些考虑，在昆明市昆洛路改扩建工程指挥部 ( 甲方) 的直接领导和建议下，有关单位和我课题组( 乙方) 共同提出了在 现有征地范围内采用“多点预应力锚桩板支挡结构”对边坡进行防护。同时 为了更深入了解这种支挡结构在垂直高边坡防护中的受力机理、变形情况、 稳定安全性如何，在甲方委托下本课题组对边坡开展了试验和数值模拟分析 的研究。为使试验具有典型性和代表性，选取边坡高度最高、地质情况复杂 的k 0 + 3 8 0 一k 0 + 8 0 0 段边坡作为试验边坡，主要试验为现场监测试验和室内 离心模型试验。图2 - 1 和图2 - 2 为该段边坡的平面图和全景图。 2 1 2 地质环境条件 1 气象水文 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 1k 0 + 3 8 0 一i ( 0 + 8 0 0 段边坡平面图 幽2 2k 0 + 3 8 0 一k 0 + 8 0 0 段边坡全景幽 工作区地处滇池湖盆东部，属低纬度高原型温湿气候分布区，具有日温 差大，年温差小，冬无严寒，夏无酷暑，四季如春的特点；气温受地形控制 影响明显；年平距气温1 4 7 。c ，每年5 7 月最高气温达3 0 余度，1 2 月至次 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 年2 月气温最低，最低气温0 8 c ，3 一1 0 月为1 1 1 9 ，气候温和。 区内降水形式以降雨为主，霜雪量较少，降雨主要集中在5 1 0 月，降 雨量占全年的8 5 ，年平均降雨量7 8 2 5 r a m 。为雨季；1 1 月至次年4 月有 少量霜雪，降雨稀少，占全年降雨量1 5 ，为旱季。 区内地形平坦，日照时间长，空气干燥，蒸发作用强烈，以水面蒸发为 主，年总量为1 8 0 0 m m ，多年平均蒸发量为1 7 5 m m ，每年3 5 月蒸发量最 大，为2 7 5 5 m m ，1 2 月为最小，为9 5 1 1 1 1 r a m ，蒸发量明显受气湿、降雨 控制，且与风力、地形、温度等因素密切相关，表现出随降雨量、温度的减 小而增大。 工作区位于金沙江水系，属滇池流域，北部发育马料河，南部发育捞鱼 河，两河流呈平行状分布，自北东向南西流入滇池。马料河河长1 3 0 5 k m ， 该河属季节性山溪河流，上游比降1 5 o ，呈贡段比降2 5 o ，河流多年平均径流 深为1 9 2 3 r a m ，多年平均径流量1 3 6 2 x 1 0 4 m 3 a ；捞鱼河河长3 0 8 k m ，上游 比降2 1 o ，河谷呈“v ”字型，中游河段河谷呈“v u ”混合并存，比降7 4 1 6 o 河流多年平均径流深为2 4 1 m m ，多年平均径流量3 0 5 4 x1 0 r a 3 a 。 在建的昆洛公路k 0 + 3 8 0 一k 0 + 8 0 0 段斜坡处附近无较大的地表水系发育， 在其东侧有一条洛龙河，河宽2 4 m ，为季节性河流，洛龙河整体自东向西径 流，现状流量约3 0 m 3 i 。 2 地形地貌 k 0 + 3 8 0 一k 0 + 8 0 0 段斜坡坡面总体倾向北，地形坡度2 0 。3 5 。，南部坡度 相对较缓，为1 5 。一2 0 。，山顶呈浑圆形，地形平缓开阔，坡顶高程1 9 5 3 m ， 坡脚高程1 9 0 7 m ，相对高差4 6 m ，坡顶缓坡地带植被发育，覆盖率约5 0 ， 植被主要以松树、灌木为主，斜坡下部植被稍差，覆盖率1 0 一2 0 左右，坡 体下部即为昆洛公路线，公路自西向东切穿坡脚，在公路中心线一带，原始 地形为一东西向沟渠，沟渠基本为两地貌单元的分界线。 坡脚沟渠北侧主要为冲湖积平原地貌，属盆地边缘地带，地形平坦开阔， 自然坡度5 。一1 0 。，标高1 9 0 3 1 9 0 7 m ，高差4 m ，植被不发育，在坡体对面亦 发育一条南北向小沟，小沟自北向南发育，沟宽2 - 5 m ，沟内有少量积水。 3 地层岩性及岩土体类型 据工程地质测绘与地质钻探揭露，区内地层按其岩土成因及工程地质特 征分为五大层、七个亚层，分别为：第四系人工堆积层( q “) 、冲洪积层 ( q 矾制p ) 、残坡积层( q “1 ) 、残积层( q “) 及寒武系沧浪铺组( 1 c 1 ) 全 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 风化粉砂岩、泥岩；强风化粉砂岩、泥岩；中等风化粉砂岩、泥岩。具体分 述如下： ( 1 ) 人工堆积层( o - 。) 人工填土：褐黄色、杂色，松散，稍湿，成分以粘性土为主，夹碎石， 不均匀，上部含碎、块石。只存在于局部地方，厚0 4 0 1 7 0 m 。 ( 2 ) 冲洪积层( q “) 粘土、粉质粘土：黄灰色、浅黄色，硬塑状，含少量强风化泥岩、砂 岩砾石、碎石。只存在于局部地方，厚3 8 m 。局部地段夹薄层有机质土。 ( 3 ) 残坡积层( q “) 粘土：褐黄色、浅灰色，可塑状，局部软塑状，土面光滑有光泽，夹 粉质粘土。只存在于局部地方，厚0 7 0 2 2 0 m 。 ( 4 ) 残积层( q 。) 粘土、粉质粘土：褐黄色、棕红色、黄灰色，可硬塑状，稍湿，混 少量砂岩、泥岩碎块，块径一般2 1 0 c m ，含量5 2 0 。分布于整个工作 区的斜坡表层，厚0 5 0 4 8 0m 。 ( 5 ) 寒武系沧浪铺组( c ) 1 全风化粉砂岩、泥岩互层：褐黄色、黄色、紫红色，砂岩和泥岩互 层，粉砂岩全风化呈砂土状，泥岩全风化呈粘土、粉质粘土状；结合很差， 散体及破碎状结构，岩石易破碎，密实，部份碎石保留有原岩的成分和结构 特征，工程性状主要表现为土体特性，风化程度随深度的变化而逐渐降低， 厚1 3 0 2 0 2 0 m 。 2 强风化粉砂岩、泥岩互层：灰黄色、橙黄色，密实，砂岩与泥岩互 层，粉砂岩、泥岩强风化呈碎石土状，结构大部份破坏，岩体破碎，碎裂状 结构，干钻不易钻进，岩石质量指标r o d 为1 5 2 5 ，基本质量级别为 级，厚0 7 0 1 4 9 0 m 。 3 中等风化粉砂岩、泥岩互层：黄色、紫红色，块状，结构部份破坏， 风化裂隙发育，岩体被切割成岩块，砂岩风化为5 2 0 c m 的碎块，呈碎块状 结构，岩石质量指标r o d 为2 5 3 5 ，基本质量级别为级，厚1 5 0 1 9 6 0 m 。 依据工作区出露地层，将坡体岩土体类型划分为散体状结构和碎裂状结 构两类。散体状结构岩体土为第四系人工填土、冲洪积粘土粉质粘土、残坡 积粘土粉质粘土、残积层粉质粘土、寒武系沧浪铺组全风化砂岩泥岩、强风 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 化砂岩泥岩，其特点是泥质含量较高、结构松散、风化裂隙密集、结构面复 杂，多充填泥质形成无序小块。根据勘查试验，各岩土层厚度及物理力学参 数如表2 - 1 所示。 表2 - 1 主要岩土层物理、力学指标 容重粘聚力内摩擦压缩模承载力特征土层厚 土层 r k n m - 3 c k l a 角妒 量可m p a 值f , a p a度h i m 表层土 1 6 82 2 51 5 51 1 81 3 50 5 全风化砂泥岩1 9 41 3 11 8 51 0 12 4 54 8 强风化砂，泥岩 1 9 91 0 22 0 51 0 12 5 51 2 中等风化砂泥岩 1 9 91 2 32 4 71 3 32 8 01 5 4 地质构造与地震 昆明地区地处川滇经向构造带的普渡河断裂与小江断裂之间，有云南山 字型构造脊柱与其重接复合，西受多字型构造的影响。普渡河断裂带和小江 断裂带均为著名的活动性断裂，其生成时期早，长期活动，特别是挽近时期 表现出强烈的活动性，对该区的地层、构造发育、地貌形态特征等起着重要 的控制性作用。 总观昆明地区构造地质景观，以经向构造为骨干构造，纬向构造长期活 动，受区域构造应力场中南北向力偶作用，还发育了北东向构造和北西向构 造。 工作区附近主要断裂有： 黑龙潭一官渡断裂：南北向，长9 8 k i n ，倾向东，倾角5 2 。7 0 。，断 层性质为张扭性，为活动性断裂，属西山断裂带，位于工作区西约5 k i n 。 白邑一横冲断裂：近南北向，长度大于7 3 k m ，东倾，倾角6 0 。8 5 。， 断层破碎带宽1 6 5 0 m ，有断层泥、角砾层、碎裂岩，性质为逆冲断层，属 普渡河一西山南北向断裂的边缘断裂，位于工作区东侧3 k m 。 官渡一龙宝山断裂：东西向，长5 5 k m ，性质不明，属黑龙潭一官渡断 裂次级断裂，位于工作区北，距离6 k m 。 大平关断裂：断层方向6 5 。左右，长度2 1 k m ，张扭性，受控于南北向 断层，位于工作区东南，距离工作区2 5 k m 。 勘察区主要处于呈黄立交桥北西侧山坡，昆洛路由山坡北侧经过，山坡 地层产状1 3 1 。1 7 8 。么1 3 3 8 。，呈单斜构造。1 c 1 地层中发育有小褶皱、 挠曲等，节理裂隙发育，节理主要发育两组，节理产状：2 0 5 0 。么4 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 8 4 。8 4 1 0 0 。么7 3 8 5 。；两组节理呈“x ”共轭，切层结构面为不利结 构面。裂隙大部份为闭合裂隙，部份张性裂隙宽l 3 m m ，泥质充填。裂隙 一般发育3 6 条m 。据节理走向玫瑰花图分析，走向3 4 0 3 6 0 。、2 7 5 2 9 0 。、7 0 9 0 。的节理最为发育，陡倾角( 7 0 8 5 。) 的切层节理面易形成崩 滑结构面( 见节理走向玫瑰花图) 。 昆明盆地总体特征表现为大幅度间歇性上升，且活动强烈，各时期运动 特征有所不同，并经历了强一弱一强一弱一强的几个发展阶段，现今状态下 处于稳定阶段，表现 出隆起与相对下降差 异性、间歇性、新生 性及继承性的特点。 昆明地区位于小 江地震带上，地震多 是活动性断裂诱发， 该区以南北主干大断 裂起主控作用，次级图2 - 3 节理走向玫瑰花图 构造相互切错，受主干断裂活动影响，伴随着地震活动。自1 5 0 7 年以来，该 区发生震级在4 7 6 1 级的地震共7 次( 见表2 2 ) ，最大一次发生在1 9 8 5 年4 月1 8 日的转龙，震级为6 1 级。 根据抗震设计规范g b 5 0 0 2 2 0 0 1 的规定，昆明市呈贡县抗震设防烈度为 8 度区，设计基本地震加速度值为0 2 9 ，第二组，属于抗震设防不利地段。 根据抗震设计规范g b s 0 0 2 。2 0 0 1 的规定，昆明市呈贡县抗震设防烈度为8 度 区，设计基本地震加速度值为o 2 9 ，第二组，属于抗震设防不利地段。 表2 - 2 区域地震统计表 地震时间震中位置震级 烈度 1 5 0 7 年7 月大新册5 5 1 6 9 6 正 朱街5 7 5 1 9 3 3 年6 月 晋宁5 5 级 1 9 3 8 年1 1 月2 9 日 松花山库5 o 1 9 4 3 年1 2 月1 5 日昆明 5 0 1 9 7 2 年7 月马金街 4 7 1 9 8 5 年4 月1 8 日转龙 6 1 级 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 5 水文地质条件 依含水介质不同，可分为松散层孔隙水及基岩裂隙水，二者具有互补关 系，水力联系密切。 松散层孔隙水：含水介质主要为第四系冲洪积层( q 蛆+ p 1 ) 、残坡积层 ( q d + d 1 ) 、残积层( o d ) 粉质粘土混碎石中，分布在坡脚部位及沟谷中，主 要靠大气降水及地表水补给，垂向补给下伏基岩裂隙水，动态受气候因素制 约，雨季流量大，于低洼地带以渗流形式排泄，旱季流量剧减，据钻孔揭露 地下水位标高1 9 0 0 2 8 1 9 0 2 2 3 m 。 基岩裂隙水：含水介质主要为寒武系沧浪铺组砂岩、泥岩，赋存层状裂 隙水和风化裂隙水，地下水一方面接受大气降水和上覆松散层孔隙水补给， 主要还是北东部山体地下水的侧向补给。裂隙是地下水赋存的空间和运移的 通道，地下水沿裂隙顺地形径流，于低凹处渗出地表形成泉点；该斜坡前缘 坡脚处有两处人工揭露井水，为基岩裂隙水及孔隙水渗漏积水，地下水整体 流向为：自北东向南西径流。据此次勘察钻孔揭露情况，地下水水位埋藏深 浅不一，反映边坡区地下水受地形控制明显，立交区水位埋深一般在0 6 2 4 0 m ，水位标高1 8 8 9 0 5 1 9 3 5 9 3 m ；呈黄公路段水位埋深在2 2 1 3 3 m ， 水位标高1 9 0 0 2 8 1 9 1 4 7 7 m 。 经水质分析：p h 为7 1 0 ，侵蚀性c 0 2 为2 5 9 2 m g a ；h c 0 3 。为3 6 7 m m o l l ， s 0 4 2 为1 4 3 1 3 r a g l ，c l 。为8 2 6 m g l ，o h 为0 0 0 m g l ，n 0 3 为0 m g l ；m g “为 4 4 7 2 m g l ，n h 4 + 为0 o o m g a ，c a “为7 4 5 4 m g l ，n a + 为3 0 3 4 m g l ，k ? 为 1 0 1 6 m g l 。地下水水质类型为h c 0 3 s 0 4 2 - - c a m g 型水。说明本区地下水对 砼及砼中钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。 2 1 3 边坡支挡结构 如前所述，边坡采用多点预应力锚桩板支挡。锚固桩的嵌固深度5 7 m 。 i ( 0 + 3 8 0 k 0 + 8 0 0 段全长4 2 0 m ，根据设计，凡是边坡高度大于7 6 5 m 处均采 用这种支挡结构。按此原则，该区间边坡内共设有支护桩7 2 根( 实际施工的 支护桩根数以竣工图为准) 。其中最大桩长2 5 3 2 m ，最小桩长1 2 7 7 r a m ，桩 之间中心线距离为5 5 r a m ，净距为4 m 。桩身截面尺寸为1 5 m x 2 5 m ，即平 行于路线方向为1 5 m ，垂直路线方向为2 5 m ，沿桩身方向配有4 中2 8 m m 和 4 0 1 6 m m 螺纹钢筋，桩身材料为c 3 0 混凝土。桩由多排、每排多孔预应力锚 索支撑。锚索的锚固段长度均为1 0 m ，锚索材料为3 0 1 5 2 m m ( 1 8 6 0 m p a ) 钢绞线。桩顶之佃j 用用桩顶冠粱联结。 堕塑窒塑塑主坚壅生兰焦迨塞 篁! ! 夏 l 一 第五捧锚蛮 。 、 陵 -， 第四捧锚童 日 。 t 第三捧锚蜜 ， ， ， 。，。 第二捧锚蠢 。 d 第一捧锚索 、 。 业 ； ； 碰 挡板 锚杆 预府力锚素 重 馨 路喵线 计算中心缱 桩中心线 支护桩 图2 - 4 支挡结构正视图 2 2 现场试验 2 2 - 1 测试元件的布置和安装 根据科研计划安排，选取k 0 + 3 8 0 。k 0 + 8 0 0 段边坡的1 0 # 、3 0 # 、3 2 # 、 竺兰拿尊为试验桩。其中3 0 # 至3 2 # 桩之问为全段最高的边坡位置。岩土层 主要为全、强风化及中等风化砂岩夹泥岩，具体参数可参见表2 - 1 。本章主 要就3 0 # 和3 2 # 试桩的现场测试情况和分析作以详细阐述。 。考萼掣试元件为