（道路与铁道工程专业论文）寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施研究.pdf

摘要 伴随高等级公路的建设，路基边坡破坏的事情时有发生。路基边坡破坏影响 了道路环境，严重时直接威胁交通安全，给公路养护管理带来了很大的困难。随 着社会的发展、生活水平的提高，人们的环保意识逐渐增强，对高等级公路路基 边坡安定性及道路绿化、美化的要求也越来越高。为此，建设公路时，在适宜植 物生长的土质边坡、服务区、立交区，根据土壤、气候条件栽种花草树木，以此 吸收尾气、美化环境、诱导视线，防止暴雨对路基边坡的击溅冲刷。但由于各地 自然条件不同，技术水平的差异，导致了防护物种和设计方案干差万别，防护的 效果也有优劣。 本论文对位于黑龙江省境内的哈同公路哈尔滨至佳木斯段的路基边坡稳定 性和防护技术进行了调查，分析了该公路路基边坡破坏机理，对现有工程防护方 法的适应性进行了探讨，在侵蚀冲刷机理研究的基础上对哈同公路土质边坡进行 综合系统研究。 本论文根据实地观测，对阴面、阳面边坡的不同特点进行了总结归纳，从美 观、实用、经济的角度出发，论述了植物防护时提高植物成活率的方法，提出适 合寒区自然条件的高等级公路土质路基边坡防护的有效技术措施。 关键词： 寒区、公路路基、边坡、稳定性、治理措施。 a b s t r a c t w i t hb o o s t i n gu po fp e o p l e se n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ni d e aa n dl i v i n g l e v e li n c r e a s i n g ，s o i ls i d es l o p ei nw h i c hp l a n tg r o wp r o p e r l y ，s e r v i c e a r e aa n ds 0 1 i d ec r o s ss e c t i o np l a n tf l o w e r s ，g r a s s e ea n dt r e ea c c o r d i n g t op r o p e r t yo f s o i la n de l i m a t e ，n o to n l yp r e v e n t i n gw i n da n ds h i e l d i n g s i d es l o p e ，r e c o v e r i n ge c o t y p i cb a l a n c ed e s t r o y e db yc o n s t r u c t i n gh i g h w a y b e a u t i l y i n ge n v i r o n m e n t ，a b s o r b i n ge x h a u s tl e a d i n gs i g h t 一1 i n e ，b u ta l s o p r e v e n t i n ge r o d eo fs u b g r a d es i d es l o p eb yr a i n s t o r m b u t b e c a u s eo f d i f f e r e n t e so fg e o g r a p h i c a lw e a t h e ro ne n g i n e e r i n gp r o j e c te v e r yw h e r e a n di n t e r s e c to fh i g h w a yp l a n ts h i e l da n dg a r d e ns p e c i a l i t y ，i ti e n d s g r e a td i f f e r e a c e ss h i e l do fs p e c i e sa n dd e s i g np r o j e c t t h i sp a p e r i n v e s t i g a t eh i g h l e v e lh i g h w a ys i d es l o p es h i e l ds y s t e mc o m p r e h e n s i v e l y o nb a s i so fp r i c i p l eo fc o m o s i o ne r o d e d i s t i n g u i s hn o n i d e n t i t yo f s u n f a c ep o o r l i g h ts i d es l o p ea c c o r d i n gt os i t eo b s e r v a t i o na to n et i m e p u t t i n g f o r w a r dt oc h n i c a lm e a s u r e m e n to fb o o s t i n gu pt h er a t eo fs u r v i v e o fs h i e l dp l a n t t h i sp a p e ra n a l y s e st h es t a b i l i t yo f s o i ls u b g r a d es i d es l o p ea n d i n v e s t i g a t e sa d a p t a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gs h i e l dm e t h o d ，o b s e r v a t e ss i d e s l o p er a t i o n a lg r a d ea n da t t e s t a t e se x p e r i m e n ta n a l g s i s ：r e s e a r e h i n g m a k i n gt e c h n i c a lm e a s u r e m e n to fs t a b i l i t yo fs h l - e l df o rs o i ls u b g r a d es i d e s l o p ef a c e r e c o n c il e db yo u rp r o v i n c es o i1 ，w e a t h e ra n dm a t e r i a l s ， a n a l y s i n gc e r t a i nf a c t o r so fs o iis u b g r a d es i d es l o p es t a b i t i t ye f f e c t e d b yt h ec o l da r e a ，d i s c u s s i n ga d a p t a b i l i t yo fe x i s t i n ge n i g e e r i n gs h i e l d m e t h o d t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e sh a r b i n j i a m u s ip l a c eo fh a t o n gh i g h w a y l o c a t e di nh e i l o n g j i a n gp r o v i n c e ，a n a l y s e st h ef a i l u r ep r i c i p l e so ft h e h i g h w a ys u b g r a d es i d es l o p e f r o mp r a c t i c a l l t y 、p l e a s i n gi na p p e a r a n c e 、 n o tw a s t i n gs t a n d p o i n t ，p u t t i n gf o r w a r de f f e c t i v et e c h n i c a lm e a s u r e m e n t o fh i g h l e v e lh i g h w a ys i d es l o p es t a b i l i t y k e y w o r d c o idar e a s h i g h w a ys u b g r a d e s id e s i o p e s ，s t a b ii t y p r o t e c tn gm e a s u r e m e n t 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措臆的研究 1 绪论 1 1 本论文研究的目的 在边坡防护的系统设计中，国际上特别是发达国家尤为重视植物防护或植物与圬 工防护相结合的方法，以期达到同时发挥防护与美化的作用。随着我国公路等级的提 高，路基边坡防护日渐引起有关部门的重视。我国在多年的道路工程实践中，积累了 许多边坡防护与加固经验。国内在植物防护方面，随着人们环保意识的增强和生活质 量的提高，在适宜植物生长的土质边坡、服务区、立交区，根据土壤、气候特点栽种 花草树木，既可防风护坡，恢复因建路而破坏的生态平衡，美化环境、吸收尾气、诱 导视线，还可防止暴雨对路基边坡的击溅冲刷。但由于各地自然条件不同，技术水平 的差异，导致了防护物种和设计方案干差万别，防护的效果也有优劣。另外，由于理 论研究不足和设计随意性，工程建设规模的差异，决定了不同地区边坡综合防护方案 的不同，所以在侵蚀冲刷机理研究的基础上，对不同地区的高等级公路边坡进行综合 系统研究，提出最佳防护设计方案已迫在眉睫。 反思我国的高等级公路边坡防护现状，虽然做了许多实验性尝试，采用了多种防 护型式，有的达到了预期防护效果，但也有许多沉痛的教训值得认真总结，归纳起来存 在的问题有： ( 1 ) 缺乏系统的防护措施和综合设计； ( 2 ) 在防护方案、防护型式选择方面缺乏技术、经济分析： ( 3 ) 植物物种选择方面，随意性过大，缺乏和园林部门的合作研究； ( 4 ) 由于各地区的差异，缺乏各地区的最佳防护典型型式，致使设计人员难以操作。 总之，我国公路路基边坡防护一方面达到了防护效果却存在浪费大量资会的现象， 另一方面由于防护不当导致路基边坡的早期破坏。 本论文的研究目的是对寒区高等级公路路基边坡破坏的原因和影响因素进行分 析，提出可行的路基边坡防护设计方法；在植物防护方面，针对土质边坡的特点，研 究植物品种的选择；在工程防护方面，对现有的防护措施进行调查分析，提出适合本 地区的有效技术。 东北林业大学硕士学位论文 1 2 本论文研究的背景与意义 公路路基边坡的防护与治理是公路工程中一个非常普遍的技术问题，由于以往公 路等级低、边坡矮，这个问题在工程中未得到充分认识和注意。随着我国经济的飞速 发展，公路建设步伐的加快，公路等级的不断提高，对公路路基边坡的防护与治理的 要求也就越来越高。复杂地形条件下修建高等级公路的情况日益增多，高大边坡的数 量增多，规模扩大。由于公路边坡失稳不仅影响道路环境，还掩埋公路，中断交通， 威胁行车安全，甚至迫使放弃己建成公路的使用，造成重大的经济损失。 近几年，山区高速公路的大量建设，边坡防护与加固技术有了较大的发展。在评 价边坡稳定性时，第一要考察边坡的土质、地质、地形地貌和水文地质条件等，因为 这些因素往往是边坡稳定性的根本原因。第二要研究人类的工程活动，如开挖坡脚、 人工削坡等诱发边坡失稳，植物防护或工程防护对边坡的保护作用。 综上所述，研究公路边坡稳定性和边坡防护方法十分必要。特别是寒区，冻胀引 起路基边坡的破坏现象非常严重，边坡破坏具有受气候影响较大的特点。为此，研究 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施具有实际意义。 1 3 本论文研究内容 1 3 1 本论文的主要研究内容 l 、分析影响我省土质路基边坡坡面稳定性的具体原因，并确认目前的丰要影响因 素； 2 、进行边坡合理坡度观测与土质试验，调查分析现有植物防护和工程防护方法的 适应性： 3 、研究适合我省土质、气候和材料等情况的土质路基边坡坡面稳定与防护的技术 措施。 1 3 2 本论文的技术关键 本论文的技术关键在于如何就边坡冻融滑塌及雨水或路表径流的冲刷、渗透等做 出理论上的定性或定量分析，并据此提出技术对策。同时如何根据实地观测，对阴面、 阳面边坡的不同特点进行区分，提出提高防护植被成活率等的技术措施。 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措旖的研究 1 3 3 本论文的实旌方案 1 、调查试验。对省内重点路段进行详细调查和土质试验，分析影响寒区土质路基 边坡坡面稳定性的具体因素、现有对策，以及现有技术对策中存在的问题与不足之处。 2 、对现有的植物防护和工程防护方法的适应性进行探讨，从实用、美观、避免不 必要的浪费角度出发，确定对应技术措施的针对性及改进方法，如防水浸、抗冻融等。 3 、根据前期调查分析结果，依据填方路堤边坡与挖方路堑边坡的不同特点，结合 我省的土质、水文、气候和材料情况，研究土质路基边坡合理坡度与防护措施。 4 、通过试验和观测，对试验的技术措施与分析结论进行总结与完善，形成针对性 和实用性较强的技术方案。 东北林业大学硕士学位论文 2 公路路基边坡稳定性的既往研究 2 1 公路路基边坡的分类 公路路基边坡的类型很多。岩质边坡有时依据岩石的类别、岩体结构或岩层的产 状进行分类。扬航宇在公路边坡与治理一文中，依据边坡的成因、岩性、坡高、 坡长、坡度和稳定性等进行分类( 表2 一l 、2 2 。) 边坡分类表表2 - 1 分类依据名称特点 自然边坡由于自然地质作用形成地面具有一定斜度的地段，按地质作用 成因 ( 斜坡)可细分为剥蚀边坡、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。 岩性 由土构成，按土体结构又可细分为：单元结构、多元结构、土 土质边坡 石混合结构、土石叠置结构。 超高边坡岩质边坡坡高大丁3 0 m ，十质边坡坡高大t1 5 m 高边坡 岩质边坡坡高1 5 3 0 m ，十二质边坡坡高1 0 一1 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 一1 0 m 低边坡岩质边坡坡高小于8 m ，七质边坡坡高小于5 m 艮边坡坡长大于3 0 0 m 坡氏中跃边坡坡长1 0 0 3 0 0 m 短边坡坡长小t1 0 0 m 缓坡坡度小1 - 1 5 ” 中等坡坡度1 5 i 一3 0 0 坡度陡坡坡度3 0 l - 6 0 0 急坡坡度6 0 l 9 0 0 倒坡坡度人丁9 0 ” 稳定坡稳定条什好，不会发生破坏 稳定性不稳定坡稳定条件著或己发生局部破j 乖，必须处理才能稳定。 己失稳坡己发生明显的破坏 岩质边坡分类表表2 - 2 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 由沉积岩构成，可细分为碎屑沉积岩边坡、碳酸盐岩边坡、拈 岩石类别沉积岩边坡 十岩边坡和特殊岩边坡。 变质岩边坡由变质岩构成，可细分为止变质岩边坡及副变质岩边坡 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 岩质边坡分类表续表2 - 2 边坡岩体呈块状结构，岩体较完整，由岩浆岩体、厚屠( 或中 块状结构边坡 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结构，由强化或强烈构造运动形成的破碎岩体 碎裂结构边坡 构成 边坡岩体呈散体结构，由全风化或大断层形成的极破碎岩体构 散体结构边坡 成 岩层与坡面 顺向坡两者基本一致 的走向、倾向反向坡两者的走向基本一致，但倾向相反 关系 斜向坡两者的走向成较大角度( 大于4 5 “) 相交 岩质路基边坡的破坏类型，一般可根据破坏的形状进行划分为平面、楔形、圆弧 等类型( 表2 - 3 ) 。斜坡在自然条件下破坏变形的形式一般分为滑坡、崩塌、剥落等( 表 2 4 ) 。 岩质边坡破坏类型 表2 - 3 破坏类型特征 主要结构面的走向、倾向与坡面基本一致，结构面的倾角小，坡角且人 岩体边坡平面破坏 于其摩擦角 岩体边坡楔形破坏 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 岩体边坡圆弧破坏节理很发育的破碎岩体发生旋转破坏 岩体被陡倾结构面分割成一系列岩椁，当为软岩时，岩柱产生向坡面弯 岩体边坡倾倒破坏 曲，当为硬岩时，岩柱可再被正交仃理切割成岩块向坡面翻到。 斜坡破坏形式分类表2 - 4 斜坡在一定自然条件f ，部分岩( 十) 体在重力作i 【f jf 沿着一定的软弱 面( 舍) ，缓慢地、整体地向f 移动。滑坡一般具有蠕动变形、滑动破坏 和渐趋稳定二个阶段。有时也具有高速急剧移动现象。 滑坡 因f 伏岩层压缩，斜坡沿岩( 十) 体内较陡的结构面发生枢体f 坐( 错) 位移，称为坐( 错) 落。组成斜坡的岩( _ 十) ，常不发展琏续的滑动面而 顺斜坡方向发生塑性变形称为倾倒 整体岩( 士) 块脱离母体，突然从较陡的斜坡上崩落f 米，并顺斜坡猛烈 翻转、跳跃，最斤彳堆落在坡脚，规模巨人时称为山崩，规模小时称为塌 崩塌 方。 悬崖陡坡上的个别岩块突然r 落，称为坠落的岩块( 或危i i ) 。 斜坡表层岩( 土) ，长期遭受风化，在冲刷和重力作_ l f ，岩( 十) 屑( 块) 剥落 不断沿斜坡滚落，堆积在坡脚。 东北林业大学硕士学位论文 2 2 影响路基边坡稳定性的主要因素 2 2 1 地质条件 ( i ) 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。坚硬岩石 边坡失稳以崩塌和结构面控制型失稳为主；软弱岩石边坡失稳以应力控制型失稳为主。 对其它因素给定的边坡，岩土体的工程地质性质越优良，边坡的稳定性越高。 ( 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。在评价结构面对边坡稳定性的影响时，要 特别注意结构面的产出状态与边坡面的相互关系。图2 1 表明，结构面与边坡面的组 合不同，边坡的稳定性也不同。 j b ) 图2 - i结构面与边坡面组合类型对边坡稳定性影响示意图 a ) 反倾稳定：b ) 陡坡顺倾稳定；c ) 中、低坡顺倾易失稳 2 2 2 水文地质条件 边坡失稳往往与地下水的活动有密切关系。水文地质条件包括地下水的赋存、补 给、径流、排泄条件。地下水的富集程度既与气候条件有关，又与水文地质条件有关。 边坡水文地质条件的改变必然导致其地下水富集程度的改变。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强度，引起孔隙水压力上升，降低滑动面上的有效f 应力，导致 滑动面的抗滑力减小。因此，地下水富集程度的改变相应地引起边坡稳定性发生改变。 有不少边坡失稳与边坡水文地质条件恶化有关，而治理边坡也往往是由于改善了水文 地质条件而获得成功。 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 2 2 3 新构造运动 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玻失 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。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。 2 2 4 地貌因素 边坡的形态和规模等地貌因素对边坡稳定性的影响是显而易见的，不利形态和规 模的边坡往往在坡顶产生张应力，并引起坡顶出现裂缝：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边坡的稳定性。边坡面与地质结构面的不利组 合还会导致边坡结构面控制型失稳。 2 2 5 气候因素 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。暴雨 或长期降雨以及融雪过后，往往可以见到边坡失穗增多的现象，这说明大气降雨等对 边坡的稳定性有很大影响。大气降雨、融雪的增加提高了地下水的补给量，一方面降 低岩体的强度，增大孔隙水的压力，使边坡滑动面的抗滑能力降低；另一方面增大边 坡的下滑力，两者结合起来极大地降低了边坡的稳定性。岩土风化速度、风化层厚度 以及岩石风化后的机械变化和化学变化( 矿物成分的改变) ，均与气候有关。 2 2 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：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。 2 2 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繁发生，使得人们不得不重视人类工程活动对边 东北林业大学硕士学位论文 坡稳定性的影响。对边坡稳定性产生显著影响的人类活动有： ( 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，这样边坡的稳定性降低。当 结构面或软弱夹层的覆盖层被切穿时，结构面与边坡面构成不利组合，边坡产生结构 面控制型失稳( 图2 2 ) 。 图2 - 2 削坡引起边坡失稳示意图 ( 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，使边坡岩土体破坏，降低 强度，因而引起边坡稳定性降低。当坡顶加载物为松散物时，情况就更为严重。因为 松散加载物减少大气降雨的地表径流，增加大气降雨的人海量，也会降低边坡稳定性 ( 图2 - 3 ) 。 图2 - 3 坡加载松散物导致边坡失稳图2 - 4 沿岩层走向开挖导致边坡失稳 ( 3 ) 地下丌挖。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， 但其范围却显著减小；近地表的地下采掘往往引起小范围沉降和塌陷，边坡的变形和 破坏是局部的；当地下丌挖埋深较大时，地表移动和失稳的范围比较大，失稳往往是 整体的。 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 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。地下开挖对边坡的影响程度受边坡地质条件控制，在图 2 4 所示的顺倾边坡中，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。如果地下工程垂直于边坡走向，地下开挖对 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。地下开挖首先引起边坡地表移动，当 地表移动到一定程度时，边坡坡顶附近拉裂、出现拉裂缝，坡脚附近出现剪切破坏带。 当边坡岩土体破坏较严重时，拉裂缝与剪切破坏带贯通或近于贯通，边坡滑动面的抗 滑力急剧下降，边坡的稳定性显著降低，甚至失稳。 通过以上对路基边坡稳定性的既往研究，可以看出我国对路基边坡稳定性的研究已 经取得了一定的进步和阶段性成果。但对高速公路的边坡稳定性防治既有惨痛的教训， 又有取得丰富的经验，仍存在一定的不足，丰要体现在边坡水害的治理措施不当，造 成边坡多次损坏，治理不彻底。因此，非常有必要对寒区路基边坡稳定性的进行深入 研究，尤其边坡水害的治理的研究和对应技术措施的研究需要进一步加强，为科学治 理边玻奠定基础。 东北林业大学硕士学位论文 3 一般路基边坡稳定性与防护 3 1 路基边坡稳定性的工程地质类比法 边坡稳定性分析，其目的在于根据工程地质条件确定合理的断面尺寸( 即边坡容许 坡度和稳定度) ，或验算拟定尺寸的边坡是否稳定、合理。稳定性分析的方法如下。 3 1 1 自然斜坡类比法 ( 1 ) 方法原理 1 ) 自然斜坡的外形受地质结构、岩性、气候条件、地下水赋存状况、坡向等请多 因素影响。由于重力因素的作用，通常稳定的高坡要比稳定的低坡平缓( 图3 一1 ) 。 2 ) 影响斜坡的重力、岩性、岩体结构构造、气候条件、坡向相同时，人工边坡可 比自然斜坡维持较陡的坡度。 3 ) 稳定的自然斜坡的高度和坡面投影长度依循下列关系： h = a l 6 ( 3 1 ) 式中：h 自然斜坡高度( m ) ； l 自然斜坡坡面投影长度( m ) ； a 、b 常数。 4 ) 将同一种斜坡调查所得h 、l 数对绘于双对数坐标纸上，可得到一条斜率为b 的直线。对于不同斜坡调查的结果所绘制的各直线有会聚的趋势，根据经验该会聚点 应标为h = 3 0 5 0 m ( 图3 2 ) 图3 1 坡高与坡角的关系图3 - 2 斜坡坡高坡面长度经验会聚点 ( 2 ) 调查统计方法 1 ) 在详细踏勘的基础上，从地形图上选取与设计的边坡在坡向、岩性、构造以及 o 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措旖的研究 地下水赋存状态等条件相同或相近的天然斜坡。 2 ) 将选出的天然斜坡划分成若干档次，在各段坡高的较陡区段量取其相应的坡面 水平投影长，进行筛选，找出该档次坡高的最小坡面投影长度。此坡高与其相应的最 小坡面水平投影长度即为所获取的一对数据。如此进行，可获得对应不同档次坡高的 一系列数对。 3 ) 将这些数对标在双对数坐标纸上，绘出曲线( 常为直线) ，参照和利用前述经验 会聚点的位置由最高数据点附近曲线的一点到经验会聚点连线的外插结果，可用以估 计更高的自然坡的稳定坡度。 3 1 2 观测地质现象判断边坡稳定性法 例如，可根据地貌形态的演变判断斜坡( 包括滑坡) 的稳定性，因为失稳斜坡和稳 定斜坡具有不同的地貌特征。又如从构造分析入手判断斜坡是否稳定，往往可节省勘 探工作量。另外还可以从各种影响斜坡稳定性的因素的发生可能性及其组合情况束判 断斜坡稳定性的变化趋向等。 在地形复杂地区修筑路基，正确合理地确定路堑横断面形状和边坡坡度是很重要 的。由于地层在长期自然生成和演变过程中，一般都具有较复杂的地质结构，在开挖 后，地层的平衡条件受到人为的改变和影响，边坡稳定性的影响因素极为复杂，难于 进行计算和预测。目前是根据对自然山坡和已有的人工边坡进行稳定性分析，通过工 程地质条件对比，按条件相类似的稳定边坡值，作为路堑边坡设计的依据，这就是工 程地质法。 采用工程地质法对路堑边坡比拟设计，关键是通过认真，详细地调查和勘测，如 实反映路段的地层土质和水文地质状况，据以进行对比分析。按地层性质不同，一般 可分为两种类型，即土质( 包括粗粒上) 路矩和岩石路堑。对土质路颦，应着重调查土 的成分和类别，组织结构，密实程度、地下水埋藏情况以及土的成因类型及生成时代 等：对岩石路堑，应着重调查岩性、结构和构造，岩石的风化破碎程度，地下水等。 路錾设汁主要是确定边坡的形状和坡度。选择路颦横断面的边坡形式，一般可采 用下列几种： 东j b 林业大学硕士学位论文 ( 1 ) 直线形一当工程地质条件和水文地质条件较好，土质均匀，且边坡高度不 大时可采用，即一坡到顶的直线形； ( 2 ) 折线形当边坡较高或由多层土组成，而上部土层的稳定性较下部好时， 采用上陡下缓的折线形。若上部为覆盖层，且稳定性较下部差时，则宜采用上缓下陡 的折线形。折线形边坡在变坡点处容易出现坡面的冲刷破坏，在降水量大的地区，应 采用适当的防护措施，或者改用直线形成台阶形边坡。 ( 3 ) 台阶形当边坡由多层土组成且高度较高( 超过1 5 - 2 0 m ) 时，可在边坡中部 或土层变化分界处，设置宽度不小于1 0 m 的平台，使边坡成为台阶形，设置平台可以 增加边坡的稳定性，减少坡面冲刷。 土质( 包括粗粒土) 路堑边坡坡度，应根据边坡高度，土的密实程度、地下水和地 面水情况，土的成因类型及生成时代等因素确定。一般情况下，参照表3 2 确定。 岩石路堑边坡坡度，应根据岩性、地质构造、岩石的风化破碎程度，边坡高度地 下水及地面水等因素综合分析确定。岩石路堑边坡高度超过3 0 m 时，其边坡坡度应根 据现场情况，调查附近工程的人工边坡及天然山坡情况，参照表3 - 3 对比确定。 填土( 路堤) 边坡容许坡度值表3 - i 压实度( )边坡高度 填土类别 8 m 以内 8 一1 5 m 碎石、卵石1 ：15 l ：1 2 5l ：1 7 5 l ：1 5 砂夹石( 碎、卵孑t 占3 0 一5 0 ) 9 4 9 71 ：1 5 l ：l2 51 ：1 7 5 l ：1 5 土夹石( 碎、卵石占3 0 5 0 )1 ：1 5 1 ：1 2 51 ：2 0 0 l ：1 5 粉质粘十粉土8 i 。 1 5 1 ：17 5 l ：1 51 ：2 2 5 1 ：17 5 土质( 路堑) 边坡窖许坡度值表3 - 2 边坡高度 士的类别密实度或粘性十的状态 5 m 以内5 一1 0 m 密实1 ：03 5 l ：0 5 0 1 ：05 0 l ：o7 5 碎石土中密 1 ：0 j 0 l ：0 7 5l ：0 7 5 l ：1o 稍密l ：0 7 2 l ：1 0 ：1 0 1 ：l ，2 5 粉土稍湿 l ：1 0 l ：1 2 5l ：1 2 5 l ：1 5 坚硬l ：0 7 5 l ：1 0 l ：1 0 1 ：1 2 5 粘性士 硬塑 l ：1o 1 ：i2 51 ：1 2 5 1 ：1 5 对一些特殊土质( 如黄土) ，特殊工程地质条件( 如硬岩层中央有薄的软弱岩层或含 1 2 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 水的粘性土层) 和其它特殊条件( 如大爆破施工，较高地震烈度区) ，路堑边坡应根据具 体情况确定。 在实际工作中，岩土( 包括黄土、填土) 边坡容许坡度值可按表确定；但凡遇到下 列情况之一时，不得采用表中数值。 ( 1 ) 开挖土质边坡高度大于l o m ，岩石、黄土或填土边坡高度大于1 5 m 时； ( 2 ) 坡体中地下水比较发育或有软弱结构面的倾斜地层时： ( 3 ) 岩层层面或主要结构面的倾向与边坡开挖面的倾向一致或二者走向的交角小 于4 5 0 时。 路堑或挖方路基边坡的稳定性主要与当地的工程性质、水文性质和地面排水条件 有关，此外，地貌、气候等因素对其稳定性也有很大影响。设计时应参考当地稳定的 自然山坡和人工边坡( 如已建成道路的边坡等) 的坡度，井结合采用的施工方法等因素 综合考虑。 为防止边坡不稳而发生坍方等病害，在设计路堑边坡之前，首先应对山坡的自然 稳定性作出正确的判断。不同的山坡的地貌特征对于判定山坡稳定性具有重要意义。 例如，整体岩层，风化较轻，边坡的稳定性一般较好；岩质山坡或坡积斜坡上，如风 化严重，有与路线平行的台阶地形，可能出现山坡滑坍；岩质山坡有与路线平行的裂 缝，可能出现山坡不稳定的现象：圈椅状的山坳容易发生滑坡，小的山坳容易发生边 坡坍方。 岩土( 路堑) 边坡容许坡度值表3 - 3 边坡高度 岩石类别风化程度 8 m 以内8 1 5 m 微风化 1 ：0 1 0 l ：02 01 ：0 2 0 1 ：0 3 5 硬质岩石中等风化 l ：0 2 0 i ：03 5t ：0 3 5 1 ：0 5 0 强风化 1 ：0 3 5 1 ：0 5 0l ：0 5 0 l ：0 7 5 微风化 l ：0 3 5 l ：0 5 0l ：0 5 0 l ：0 7 5 软质岩彳i 中等风化 l ：05 0 l ：0 7 51 ：0 7 5 l ：l0 0 强风化 1 ：07 2 1 ：1 0 01 ：1 0 0 1 ：12 5 土质( 包括粗粒土) 挖方边坡坡度应根据边坡高度、土的密实度、地下水、地面水 的情况、土的成因类型及生成年代等因素确定。在一般情况下，土质( 包括粗粒土) 挖 方边坡高度不宜超过3 0 米，坡度设计取值宜因地制宜，结合当地成熟经验，并根据公 1 3 东北林业大学硕士学位论文 路技术等级及路基排水、防护等措施进行综合分析而定。 3 2 路基边坡稳定性的力学验算法 3 2 1 不利倾斜结构岩石的路堑设计 若路堑边坡所在地层具有明显的倾斜结构( 如层面、节理面、断层面和其他软弱 面) ，且倾向路线，则此结构面的倾斜坡度及其面上的单位粘聚力和摩擦力的大小将影 响边坡的稳定性。另外，由于岩层倾斜结构面的单位粘聚力c 和摩擦角中值一般比岩 体本身单位粘聚力和摩擦力小得多，故岩体一般沿结构面滑动。 调查统计资料表明： 当滑动面为粘土岩、粘土页岩、泥质灰岩等泥化层面时，滑动倾角为9 1 2 0 。 各类软弱面与抗剪强度有关的参数表表3 - 4 软弱面类型摩擦角( o )摩擦系数单位粘聚力 ( k p 。) 各种泥化的软弱面滑石片岩片理面，云母片岩片理面 9 2 0o 1 6 03 60 5 0 等 粘土岩层面、泥灰岩层面，凝灰岩层面，夹泥断层、 2 0 - 3 0o 3 6 o5 85 0 1 0 0 页岩层面，炭质夹层，干枚岩片理面、绿泥石片岩片有时至4 0 0 理面等 砂岩层面、石灰岩层面、部分页岩层面、构造：值理等3 0 4 00 5 8 0 8 45 0 1 0 0 各种坚硬岩体的构造节理，砾岩层面，部分砂岩层面、 4 0 - 4 3 50 8 4 - 0 9 58 0 2 2 0 部分石灰岩层面等有时至4 9 有时至1 1 5有时至5 0 0 注：本表是椎据相当数量的现场试验，沿软弱面施加剪力所得的岩体软弱面峰值抗剪强度资料而综台 软弱夹层与抗剪强度有关的参考数值表3 - 5 软弱夹层性质f c ( k p 。)软弱夹层性质 f c ( k p 。) 含仰起石的构造挤压破碎 0 4 82 7 肖理中充填如：j o 10t 0 0 带 的粘十 粘页岩夹层0 4 0 1 5 。甘理中充填如4 0 o 5 1o 的粘十 断层破裂带 0 3 5o碎_ i 充填i ，理0 4 - 0 51 0 0 3 0 0 膨润士薄层充填的页岩状 0 1 31 5 有粘士覆盖的1 7 理 0 2 - 0 3o - 1 0 0 千i 灰岩 膨润土薄层 o 2 l o 3 09 3 一1 1 9 含角砾的泥岩 0 4 2l o 当滑动面为砂岩层面或砾岩层面时，滑动倾角大于3 0 - - 7 5 。 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 在仅有重力作用时，软弱面的倾角大于其摩擦角而小于边坡角时，该软弱面是最 危险的软弱面。各类软弱面或软目自夹层的抗剪强度c 、由如没有试验数据，可参考表 3 4 及表3 5 中的数值进行设计。 1 ) 平面破坏的稳定性分析 ( 1 ) 边坡上力的平衡条件 图3 - 3 边坡上力的平衡条件 设边坡的变形岩体为单一的层状结构，如图3 3 所示，按平面问题分析，则岩体 在自重作用下的稳定性，必须由岩体的重力所产生的滑动分力( t ) 等于或小于滑动面的 抗滑阻力( f ) 来维持平衡，即t f ( 按边坡长度为l m 计) 。 其稳定系数k 为： 尼= 等= w c o 面s a i t a i n - b + c l ( 3 2 ) 又= 芒 z c o s 口代人上式并简化后即得： ：t a n j + 丝( 3 3 ) t a n 口西s i n 2 a 式中：w 变形岩体重力( k n ) ； h 滑动面上变形岩体的高度( 简称“变形体高度”) ( m ) ； a 滑动面的倾角( 。) ； l 滑动面的长度( m ) ： y 岩体的容重( k n m 3 ) ； 中、c 滑动面的内摩擦角( 。) 、单位粘结力( k pa ) 。 东北林业大学硕士学位论文 图3 - 4 变形体高度相同而坡度不同的两个边坡示意图 又如图3 4 所示，两个坡面呈三角形的斜坡，其稳定系数分别为： 变形体i ： k ，：t a nc p - i _ 生( 3 4 ) t a n 口 r h ls i n 2 a 变形体i i ：k ，：竺塑+竺一 ( 3 5 ) t a n 口 r h 2s i n 2 c t 当h l = h ：时：k ：k ，：! 业+ !( 3 6 ) t a n a r h s i n 2 a 由上式可知：在同一层状结构面的情况下，两个坡面呈三角形的斜坡，当其变形 体高度相同，而其他条件不变时，即使b 角不同，两个斜坡的稳定性也是相同的。在 不受边坡高度( t t ) 限制的情况下，当变形体高度( h ) 相同时，b 角可以在a 与9 0 。之间任 意变化，如图3 - 5 所示。 图3 - 5h 、h 、b 三者之间的关系 从公式来看，变形体高度h 在公式的分母中，稳定系数将随h 的减小而增大。因 此当进行削坡减荷时，应尽可能从变形的临空自由面方向削坡，将变形体高度减小， 这样对提高变形的抗滑稳定性是有利的。 ( 2 ) 稳定性的验算方法 在边坡稳定分析计算时，直立边坡和倾斜边坡的计算公式是相同的，坡顶平的边 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 坡和坡斜的边坡计算公式也是相同的。其中直立边坡是斜边坡的个特例，同样坡顶 平的边坡也是斜边坡的一个特例。这样使计算方法大大简化，只要把直立平顶边坡稳 定问题解决了，则不同形状边坡的稳定分析问题也可解决。设有单一倾斜结构面所构 成的直立平顶边坡( 如图3 6 所示) ，岩体的稳定系数k = l ，即滑动与抗滑力平衡，则极 限变形高度h ，为： h 矿= 办y = 面万忐磊而 ( 3 - 7 ) 根据以上证明，直立边坡与倾斜边坡求算变形高度的公式完全一样。所不同的， 仅是直立边坡的极限设计高度( h ，) 恒等于变形高度( h ，) ；而倾斜边坡，则h 。= h ，如图 3 7 所示。其岩体的极限稳定坡角1 3 ，可根据已求得的h 。( h ，) 的数值通过作图求得。 图3 - 6 直立平顶边坡力的平面图图3 - 7 坡高、坡角与极限变形体高度关系 图3 - 8 受结构面控制的路堑边坡 也可按下述公式来求取( 见图3 8 ) ： 1 h = h _ l ( 3 - 8 ) l m t a n 盘 式中：h 边坡高度( m ) ； h 变形体高度( m ) ，由计算而得： 1 7 东北林业大学硕士学位论文 r i r 一边坡坡率，m = c t a n 0 ； b 边坡坡角( 。) 。 当确定边坡坡角为b 或坡率为m ( c t a nb ) 时，则可用上式求极限边坡高度h ；反之， 当坡高为h 时，则边坡保持极限稳定状态的最大边坡坡角的正切为 t a n p = 熹t a l l a 或卅= c t a n 口= h - h c t a n a j h 2 ) 具有张节理和静水压力的边坡稳定性验算 存在于边坡的张节理，对边坡的稳定性有很大的影响。特别是在暴雨情况下，由 于张节理底部排水不畅，张节理可能临时充水达一定高度，沿张节理及时滑动而产生 静水压力，使滑动力突然增大，这往往是暴雨后产生滑动的重要原因。张节理的位置， 有两种情况： ( 1 ) 张节理在坡顶上； ( 2 ) 张节理在坡面上。 作如下假设： ( 1 ) 滑动面及张节理的走向平行坡面。 ( 2 ) 张节理是直立的，深度为z ，其中充水深度为z 。 ( 3 ) 水沿张节理的底进入滑动面并沿滑动面渗透，在大气压下坡面的滑动面出露处 流出。在张节理中和沿滑动面存在着地下水，由此而引起的水压分布如图3 9 所示。 图3 - 9 具有张节理和静水压力的边坡 a ) 张节理在坡顶：b ) 张节理在坡面 寒区高等级公路路基边坡稳定性及对应技术措施的研究 ( 4 ) w ( 滑动块的重力) 、u ( 滑动面上水压所产生的上举力) 和v ( 张节理中的水 压力) 三力均通过滑体重心来作用，也就是假定没有使岩块旋转的力矩，所以破坏仅 是滑动。 ( 5 ) 考虑单位长度的岩块，并假定有节理面存在，所以破坏的侧面边界对滑动没有 阻力，稳定系数等于总抗滑力与总滑动力之比。即： 女：唑型! 二竺二竺尘竺2 塑! ! 型 s i n 口一vc o s 口 ，= ( 一z ) c $ c 口 1( 3 1 0 ) u 2 i 7 - z w ( h - z ) c s c 。 矿= i 1 r z 当张节理位于坡项上时 删c t a c o t 0 形= 圭y 。h2 - 一( 号) 2 c t a n 口c c t a n 二t a n 一寸 c s 一z ， 上述式中y 、y 。分别为岩体、水的容重，w 为张节理以下部分的岩块重力( 张节 理以上部分的重力不计) 。 3 2 2 碎石土路堑边坡稳定性验算 乏惫墨。，一 。；，拿髟一。 图3 1 0 直线破裂法验算图 在有剪切试验结果或有较可靠的经验数据时，可用圆弧或直线滑动面法验算边 印iiu 2 日 九 ，一2 i i ： 时e面坡于位 理节 张当 东北林业大学硕士学位论文 坡稳定性。对于疏松的碎石土路堑边坡，宜用直线滑动面法，此时，路堑边坡的最小 稳定系数可按下述方法求得。 如图3 - 1 0 所示，土楔a b d 沿假定的破裂a d 滑动，其稳定系数k 按下式计算： k ：c o s a + d ( 3 一1 3 ) tws i n 口 又= 孚，掣，并令吼= i 2 c ，代人上式加以变换，得 k = v + 口o ) e o t 口+ t 2 o c t a n ( p 一口) ( 3 - 1 4 ) 式中：1 v _ 一土楔a b d 的重力( k n ) ，按1 m 长度计。 n 破裂面的倾斜角( 。) ； 0 边坡的坡度角( 。) ； y 边坡土体的容重( k n i i l ：1 ) ： h 边坡的竖向高度( m ) ： f 一边坡土体的内摩擦系数； c 边坡土体的单位粘聚力( k p 。) ： l 破裂面a d 的长度( m ) ： q 。参数 r r r 一边坡斜度系数( 横：纵) 。 3 3 路基边坡防护的一般方法 路基在水、风、冰冻等自然因素的长期作用下，经常发生变形和破坏，例如，边 坡的表土剥落，形成冲沟以及滑坍等。为保证边坡的稳定性，除做好排水工程外，还 必须采取有效的措施，对粘土、粉砂及容易风化的岩石路基边坡，进行必要的防护与 加固。 防护的重点是路堑边坡，尤其是地质不良与水文地质不良地段的路颦、容易受水 冲刷