高填土路基边坡新型加固技术研究及应用硕士论文.pdf

天津大学 硕士学位论文 高填土路基边坡新型加固技术研究及应用 姓名：马素幹 申请学位级别：硕士 专业：建筑与土木工程 指导教师：朱劲松；刘家胜 2011-12 摘要 随着我国交通事业的蓬勃发展和西部公路建设工作的逐步推进，路基高边坡工程日 益增多。近年来，我国公路维修加固的任务急剧增加，公路的运营安全也越来越受到重 视，为避免和减少公路路基病害和灾害性事故的发生，需要对公路路基维修加固理论和 技术进行总结，为公路建设者和管理者提供理论学习参考。 本文在查阅大量国内外相关文献、资料的基础上，结合自身多年的工程经验，针对 高填土路基边坡侧滑失稳机理及加固治理技术进行了较深入的探讨和研究，且详细介绍 了锚杆+ 钢管桩联合加固技术的加固原理和技术要点，并使用f l a c 3 d 对其加固效果进行 了模拟分析。在此基础上，结合山东某省道部分路段路基侧滑失稳加固治理工程的实际 特点，通过地质勘探、室内试验、理论计算等手段，对该病害路段的加固治理方案进行 了优化设计，文中得到的主要结论如下： 1 、经调查分析可知，路堤边坡发生破坏的原因十分复杂，除与路堤断面形式有关 外，其工作环境、服役状态、地质条件、设计水平、施工质量等因素对其安全稳定都有 很大的影响。文中根据路基侧滑的诱发原因对其进行了系统分类，为路基侧滑失稳的归 类分析和加固处治提供了依据。 2 、使用简布法和基于强度折减理论的数值分析方法分别对同一假定的计算模型进 行了边坡稳定性分析，两种方法计算所得边坡安全系数相近，计算结果较合理。 3 、基于强度折减理论，使用f l a c 3 d 对锚杆+ 钢管桩联合加固技术加固效果进行 了有限差分计算，计算结果表明，该种加固方法对高填土路基边坡的加固效果明显，能 很大程度的提高边坡稳定系数。 4 、根据f l a c 3 d 的模拟计算结果，该计算模型中上排锚杆拉力明显大于下排锚杆， 可适当增加上排锚杆的材料强度和锚固长度。 关键词：高填土路基边坡；稳定性分析；快速l a g r a n g e 有限差分法；联合加固 a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fo u rc o u n t r y st r a n s p o r t a t i o na n dt h ew e s tp a r tc o n - s t r u c t i o n ，h i g hs l o p es u b g r a d e sa r em o r ea n d m o r eu s e dt or o a d se n g i n e e r i n g r e c e n t l y , t h e t a s k so fr o a dm a i n t e n a n c ea n dr e i n f o r c e m e n ti no u rc o u n t r ya r ei n c r e a s i n gr a p i d l y ，t h eo p e r a - t i o n a ls a f e t yo f h i g h w a y sa r ea l s om o r ea n d m o r ei m p o r t a n t t oa v o i da n dr e d u c ed i s e a s eo f r o a d b e d sa n dc a t a s t r o p h i ca c c i d e n t so ft h eh i g h w a y s ，s u b - g r a d er e i n f o r c e m e n tt h e o r ya n d t e c h n o l o g yn e e dt ob es u m m a r i z e da n ds t u d i e d a tt h es a m et i m e ，i tc a na l s op r o v i d et h e o r y r e f e r e n c ef o rt h er o a db u i l d e r sa n dm a n a g e r s b a s e do nl o t so fd o m e s t i ca n d f o r e i g nr e l e v a n tm a t e r i a l s ，a n dc o m b i n e dw i t hy e a r so f p r o j e c te x p e r i e n c e ，t h es l o p el a t e r a li n s t a b i l i t ya n ds t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yo fh i g he m b a n k m e n ta r et h o r o u g h l yd i s c u s s e da n ds t u d i e d t h er e i n f o r c i n gp r i n c i p l ea n dm a i nt e c h n o l o g i e so ft h e j o i n ts t r e n g t h e n i n gt e c h n i q u e w i t hs t e e lp i p ep i l ea n da n c h o ri si n t r o d u c e di nd e t a i l e d ，a n df l a c 3 di su s e dt os i m u l a t ea n d a n a l y z et h er e i n f o r c e m e n te f f e c t o nt h i sb a s i s ，c o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a lf e a t u r e so fs p e c i a l p r o v i n c i a lh i g h w a ys l i d es u b - g r a d er e i n f o r c e m e n te n g i n e e r i n g ，t h r o u g ht h em e t h o d so fg e o - l o g i c a lp r o s p e c t i n g ，l a b o r a t o r yt e s ta n d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g ni sd o n et o t h er e i n f o r c e m e n to f t h i ss e c t i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 t h ec a u s e st ot h ed e s t r u c t i o no fe m b a n k m e n ts l o p ea r ev e r yc o m p l e x i na d d i t i o nt o t h ee m b a n k m e n tf o r m ，t h ef a c t o r sj u s tl i k et h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，s e r v i c es t a t u s ，g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h ed e s i g nl e v e l ，c o n s t r u c t i o nq u a l i t yh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t y i nt h ep a p e r ，t h e s ea r ec l a s s i f i e ds y s t e m a t i c a l l yb a s e do nt h ec a u s e so fe m b a n k m e n t s k i d d i n g t h e r e f o r e i tp r o v i d e sab a s i sf o rc l a s s i f i e da n a l y s i sa n d s t r e n g t h e n i n gt r e a t m e n to f e m b a n k m e n ts k i d d i n g 2 t h es a m ea s s u m e d c o m p u t a t i o n a lm o d e l sa r ea n a l y z e db y b o t ht h ej a n b um e t h o da n d t h en u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d sb a s e do ns t r e n g t hr e d u c t i o nt h e o r y 1 1 1 es a f e t yf a c t o r so f s l o p ec a l c u l a t e db yb o t hm e t h o d s a r es i m i l a ra n dt h er e s u l t sa r er e a s o n a b l e 3 t h ef i n i t ed i f f e r e n c ec a nb eu s e dt oa n a l y z et h er e i n f o r c e m e n te f f e c to fi o i n tr e i n - f o r c e m e n tt e c h n i q u eo f a n c h o ra n ds t e e lp i p ep i l e s ，u s i n gf l a c 3 db a s e do ns t r e n g t hr e d u c - t i o nt h e o r y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h er e i n f o r c e m e n te f f e c to ft h i st y p eo fr e i n f o r c e m e n t m e t h o di so b v i o u sf o rh i g h - f i l l i n ge m b a n k m e n ts l o p e i tc a nl a r g e l yi m p r o v et h es l o p es t a b i l - i t yf a c t o r 4 t h ec a l c u l a t i o nb a s e do nt h ef l a c 3 ds h o w st h a tt e n s i o no fu p p e ra n c h o ri sg r e a t e r t h a nt h en e t h e ro n ei nt h ec a l c u l a t i o nm o d e l s ot h es 仃e n g t ho fm a t e r i a l sa n da n c h o r a g e l e n g t hc a nb ei n c r e a s e da p p r o p r i a t e l y k e y w o r d ：h i g he a r t hr o a d b e ds i d es l o p e ：s t a b i l i t ya n a l y s i s ；f a s tl a g r a n g ef i n i t ed i f - f e r e n c em e t h o d ：j o i n tr e i n f o r c e m e n t 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 随着我国交通事业的蓬勃发展，公路建设取得了举世瞩目的辉煌成绩，截至2 0 1 0 年底，我国公路通车里程已超过4 0 0 万公里( 不含村道) ，其中高速公路达7 4 1 万公里， 居世界第二，高边坡工程也随之日益增多。公路边坡有路堤和路堑两种形式，它是公路 的重要组成。如何防治边坡病害，是近二三十年来才引起重视。由于上世纪八九十年代， 我国公路建设规模刚刚起步，公路资金投入较少，公路等级较低，只是以改善路况为主， 平、纵线型较差，没有大填大挖现象，因此，公路边坡病害较少，并且一直把边坡支护 作为公路附属工程。9 0 年代后期，随着投资规模的逐渐增大，山区公路及高等级公路 逐年增多，大填大挖现象较突出，边坡稳定问题逐渐引起的重视，但边坡防护与加固仍 主要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，为工程埋下不少隐患。 针对高填土路堤边坡工程，现有加固技术手段落后，主要采取传统的重力式挡墙、 抗滑桩等以荷载一结构模式为基本特征的被动加固措施，因其自重大，地基要求高等原 因，它们防护边坡的高度有限；在遇到地质条件较差的高边坡时常以大刷坡、宽平台甚 至明洞作为代价，造成了资源的极大浪费。近年来，预应力锚索框架技术等主动加固措 施开始用于路堑土质边坡加固的加固中，但仍存在手段单一、造价较高等缺点。 针对上述问题，本文在查阅大量国内外相关文献、资料的基础上，结合自身多年的 工程经验，针对高填土路基边坡侧滑失稳机理及加固治理技术进行了较深入的探讨和研 究，为高填土路堤边坡稳定性分析和病险加固提供了较全面的参考依据。同时针对高填 土路堤边坡特点，提出锚杆+ 钢管桩联合加固技术，并对其加固原理和技术要点进行了 详细介绍。文中使用f l a c 3 d 对锚杆+ 钢管桩联合加固技术的加固效果进行了数值模拟分 析，从数值计算角度对该种加固方法的可行性和可靠性进行了探讨，为该种加固方法的 应用和优化提供了坚实的理论依据。同时笔者应用本文研究成果，结合该省道路基侧滑 失稳加固治理工程的实际特点，通过地质勘探、室内试验、理论计算等手段，对该病害 路段进行了原因分析和方案设计，设计通过采用预应力侧向锚杆+ 抗滑钢管桩联合加固 的技术方案对其进行加固处理，为曰后该类加固方法的推广和应用提供了重要参考资料 第一章绪论 和理论依据。 文中提出并应用的锚杆+ 钢管桩联合加固技术兼具安全稳定和经济节约的特点，其 社会经济效益明显优于传统的重型支挡结构，对高填土路堤边坡加固工程提供了一种全 新的加固方式，具有重要的应用价值和推广意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡滑动机理研究现状 滑坡是指在一定地形、地质条件下，受到各种环境或人为因素的影响，使边坡的服 务环境和工作状态发生较大变化，破坏了边坡内部原有的力学平衡条件，使得边坡上的 不稳定岩土体在自重或其他荷载的共同作用下，沿一定的软弱带作整体的、缓慢的、间 歇的、甚至是突发的向前向下移动的一种不良地质现象瞳1 。 滑坡机理是一定地质结构条件下的斜坡，在各种因素作用下从稳定状态变化到失稳 滑动，再达到新的稳定状态或永久稳定( 死亡) 整个过程动态变化的物理力学本质和规 律口1 。为了加强边坡稳定，减少滑坡的灾害发生，必须对引起滑坡的原因进行深入分 析、研究，只有掌握了引起滑坡的原因，才能有效进行预测、预防，从而达到防治。因 此，国内外学者和设计者们都对滑坡发生和运动机理进行着手研究、分析和判断。 对于滑坡机理，国内外学者从不同角度出发做过很多研究，特别是地质学家和土力 学家提出过不少假说和观点。在国外，k t e r z a g h i 主要从滑带土中孔隙水压力的变化 来分析、揭示滑坡的机理，同时也注考虑到了地质条件的控制作用。之后，h v o r s l e v ( 1 9 5 1 ) 、h a e f e li ( 1 9 6 5 ) 、m o g e n s t e m ( 1 9 7 1 ) 等分别定量地把孔隙水压对土体强度的 影响进行研究h 1 。a w s k e m p t o n 提出了黏性土的残余强度理论。l b j e r r u m 等研究了土 的渐进破坏过程。t e r - s t e p a n i a n 研究了土体的蠕变过程和滑坡发生的关系瞄1 ，把滑坡 机理的研究进一步推向深入。斋滕迪孝对黏性土的蠕变破坏规律进行了系统研究，将其 划分为减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变三个发展阶段，并将该理论应用于日本饭山线高 场山隧道滑坡大滑动时问的预报，获得成功哺1 。在国内，研究人员对滑坡形成的条件和 影响因素、滑坡体的受力状态、滑带岩土体的强度变化规律、滑坡的破坏形态及发育阶 段等与滑坡机理研究相关的问题进行了较深入的研究。主要集中于研究路堤破坏原因和 路堤设计和施工中存在的问题，如路堤内部的排水、地基土和路堤土的试验方法、稳定 性计算方法和计算参数的选取等方面。 第一章绪论 卢肇钧口3 从应力状态和应力路径、应变、孔隙水压力、加荷速率、受力时间、土体 不均匀性和不等向性等方面阐述了土体的破坏机理。 宴同珍随1 根据滑坡发生的初始条件、原因及滑动方式，概括了滑坡形成的8 种机理， 即流变倾覆、潜蚀陷落、地层悬浮一下陷、高位能飞越、应力释放平移、孔隙水压浮动、 震动崩落及震动液化平推、切蚀一加载等。 陈守义阳1 分析了突然失稳型和渐进破坏型滑坡在破坏机理和发生条件上的差异， 阐明了土的应力应变模式与滑坡发育过程的特点有非常密切的关系。 胡广韬n 叩提出滑坡滑动的“临床弹性冲动效应”机理；张倬元、王兰生等3 从坡 体的地质结构和受力过程出发提出了5 种滑坡破坏模式：高根树等n 幻提出了两类大型 ( “斜坡牵引失稳产生次生高能滑体与先失稳滑体发生碰撞，经过能量传递调整获得高 速”和“滑体下覆岩土体内形成低摩擦次生滑动面使滑体的高速滑动维持较长一段时 间”) 高速滑坡滑动机理。 刘文伟n 胡在湖南省高速公路滑坡灾害现状研究的基础上，对导致高速公路边坡滑坡 产生的内外在原因进行了较全面的研究，并深入探索了滑坡的动力学特征。 胡明鉴等n 劬从决定滑坡稳定性的物质条件、结构条件和影响滑坡稳定性的环境条件 及降雨强度、降雨量、降雨入渗、土体力学参数改变等多个方面阐述降雨对滑坡的作用 过程。并进行了大型的野外人工降雨激发滑坡试验和室内人工试验，试验结果表明粘聚 力和内摩擦角与含水率呈线形递减关系；降雨诱发滑坡是以降雨为主导因素的多种因素 综合作用下发生的复杂过程。 胡江洋n 现以陕西省道3 0 3 线延安一吴起段大路沟滑坡为工程背景，系统研究了巨厚 层滑坡的发育背境、基本特征、形成机理、以及动态综合处治方案优化等问题。 张武洪n 6 1 依据工程地质特性分析资料，对高含水滑坡的诱发机理、稳定性分析以及 加固防治技术进行了研究。 1 2 2 边坡稳定性分析方法研究现状 边坡稳定性评价一直是边坡工程的一项主要内容，也是进行边坡工程设计和施工的 重要考虑因素。随着不良地质条件下的工程活动越来越多，边坡稳定性问题越来越受到 人们的重视。先后有许多学者从事于边坡稳定性分析评价方法的研究，取得了很多成果。 边坡稳定分析中常用的方法有：定性分析法、定量分析法、不确定性分析法等多种n 引， 并逐渐由定性分析向定量分析、定性和定量综合分析的方向发展。边坡稳定分析发展至 第一章绪论 今虽已经提出了多种较为成熟的计算方法。但近年来，仍有一些新方法和新理论不断被 应用于边坡稳定性的研究中。 i 、定性分析法 定性分析法主要是借助工程地质勘察等手段，对分析影响边坡稳定性的各种因素， 进行分析，定性地判断边坡破坏的几率大小和潜在破坏方式等，主要有类比法、自然历 史分析法、图解法等几种。 2 、定量分析法 边坡稳定性分析中的定量分析方法很多，主要有极限平衡分析法和数值分析法等。 ( i ) 极限平衡分析法 极限平衡方法是边坡稳定性分析过程中最常用的方法，主要分为：经典极限平衡法、 弹塑性极限平衡分析法和优势面理论分析法等。 i ) 经典极限平衡法 1 9 1 5 年瑞典人k p e t t e r s o n 基于对多= 0 的粘性土坡的相关研究，提出了所谓的瑞 典条分法，后来f e l l e n i u s n 踟考虑土的粘聚力，基于m o h r - c o u l o m b 准则，并忽略条间 力的影响，依据力和力矩的平衡关系对边坡稳定性进行分析，使其得到了进一步的发展， 这标志着普通条分法的正式诞生。 b i s h o p n 叫等将土坡稳定安全系数定义为沿整个滑裂面的抗剪强度与实际产生的剪 应力之比，提出毕肖普法。这不仅使安全系数的物理意义更加明确，而且使用范围更广 泛，为以后非圆弧滑动分析及土条分界面上条间力的各种考虑方式提供了有利条件。 j a n b u 心们假定条问法向作用力的作用点在滑面以上i 3 土条高度处，在这一前提下 每个条块都满足全部静力条件和极限平衡条件，滑动土体的整体力矩平衡条件也自然得 到满足，而且适用于任何滑动面而不必规定滑动面是一个圆弧面，称为简布条分法。 m o r g e n s t e r n 和p r i c e 1 、s p e n c e r 乜羽等假设滑动面为任意面，且法向条问力和切向 条间力之间为某函数关系，分别提出了摩根斯坦一普赖斯法和不平衡推力法等。 s a r m a 法分析节理岩体边坡稳定较为合理，因为该法考虑了滑体本身的强度，可以 处理具有复杂结构面的边坡，可以根据坡体内的各类结构面来划分条块并且不要求各条 块保持垂直。 刘杰等瞳3 1 基于土条侧面作用力平行于土条底面且大小不相等建立了稳定性系数的 求解式，对瑞典圆弧法进行了优化改进。 郑颖人等雎钔将现有1 3 种极限平衡条分法对条问力的假定表示成统一形式，推导出 4 第一章绪论 简洁的条间力递推方程和条间力矩递推方程，并建立了边坡稳定性系数的统一求解格 式，方便了程序的编写和各类方法的比较与理解。 上述方法通常是根据边坡岩体的结构等特征假想一个滑动面作为危险滑动面，从而 计算该假想滑动面相应的稳定安全系数。极限平衡法由于其把滑动土体作为刚性体，假 定整个滑移面上同时达到屈服，难以反映边坡滑动的真实状态。 2 ) 弹塑性极限平衡分析法 为克服和弥补经典极限分析法在边坡稳定性分析中的不足，弹塑性极限平衡分析法 逐渐得到发展。该方法基于边坡体的应力和变形特征来确定边坡体的极限平衡状态，避 免了确定边坡体最小安全系数的重复工作，从而减少了计算工作量，提高了准确率。 弹塑性极限平衡法计算时采用强度折减法，即通过逐渐降低材料强度( 即降低材料 抗剪强度参数c 和咖) 的方法来逼近计算体系的极限平衡状态，并以屈服区的贯通来判 定极限平衡状态，因此把材料强度折减系数( 彳) 定义为系统的整体稳定安全系数( 只) 。 弹塑性极限平衡法不必假设土条间的作用力和破坏面的位置和形状，因此，该方法能处 理复杂几何轮廓和边界条件，有广泛的适用性和良好的应用前景。z i e n k i e w i c z 硷劫等首 先提出了强度折减技术，通过逐步折减土体的强度参数，使土坡达到整体破坏失稳状态， 这时的折减系数即可认为是土坡达到破坏时的安全系数。 1 9 7 8 年，潘家铮对建筑物的抗滑稳定和滑坡分析提出了著名的最大最小原理瞳也2 。 最大原理认为滑坡体的滑面肯定时，则滑面上的反力( 以及滑坡体内的内力) 能自行调 整，以发挥最大的抗滑能力( 最大值原理) 。最小原理指出滑坡体如能沿多个滑面滑动， 则失稳时它将沿抵抗力最小的那个滑面滑动。陈祖煜等乜8 ，2 如在d r u c k e r 准则和s a r m a 的 斜分条边坡稳定分析方法的基础上，使用了虚功原理和塑性力学的上、下限定理，分析 证明了边坡稳定性分析的最大最小原理，该原理可以在较大程度上弥补传统的极限平衡 法的理论缺陷。 3 ) 优势面理论分析法 为克服和弥补经了典极限分析法中要假定滑动面、反复试算最小的安全系数及最危 险滑动面等方面的缺点和不足，就岩坡问题1 9 7 9 年提出了优势面分析观点和方法，并 于发表1 9 8 1 年瞄0 | 。利用方法可确定岩坡的控稳优势面，通过优势面组合分析，确定边 坡破坏模型，并采用极限平衡分析法分析计算优势分离体的安全度及边坡稳定安全系 数，以此判断边坡整体稳定状况，提高了计算最小安全系数的可靠性。 综上，极限平衡法由于使用简单、物理意义相对比较清晰，在实际工程中得到了广 e 第一章绪论 泛的应用。目前很多商用程序，如加拿大的s l o p e 、r o c k s c i e n c e 公司的s l i d e 、国内 的s t a b 等都是基于极限平衡法开发的。但由于其对问题的简化及假定可能与实际不符， 因而具有一定的局限性。其中，我国广泛应用的方法之一是不平衡推力法。它适用于任 意形状的滑裂面，而假定条间力的合力与上一条土条底面相平行，根据力的平衡条件， 逐条向下推求，直到最后一条的推力为零。 ( 2 ) 数值分析法 该方法就是采用数值分析方法进行边坡稳定状态的极限平衡分析。该方法区别于弹 塑性极限平衡分析法中以屈服区从坡脚到坡项的贯通来表征极限平衡状念，极限分析数 值分析法采用有限元静力平衡方程组是否有解、有限元数值计算是否收敛作为土体破坏 的依据。采用数值分析法对某一岩土边坡工程进行计算分析，可得到各节点的位移及单 元的应力情况，根据应力与强度的关系判断该单元是否破坏，由此可得到剪切破坏区( 塑 性区) 范围。这种方法不仅可以从宏观上判定整个滑体是滑动状态，得出其稳定性系数 及安全系数，而且微观上可以得出应力集中系数，从而可以保证在加固方案中对应力集 中区及塑性区进行重点支护，可以用较经济的手段达到较好的效果。现在主要的数值分 析方法有：有限元法( f e m ) 、快速拉格朗日分析法( f l a c ) 、边界元法( b e m ) 、离散元 法( d e m ) 、无限元法( i e m ) 、数值流形元法( n 删) 、刚体有限元法( r f e m ) 、无单元法 ( e f m ) 及各种耦合分析法。随着科技的发展，数值计算的硬件、软件条件日益改善， 从而扩大了数值分析法的应用和推广。 极限数值分析法可以对贯通和非贯通的节理岩质边坡进行稳定分析，同时可以考虑 水文条件、施工情况等不同因素的影响，并同时考虑不同支挡结构物与岩土体材料的共 同作用，因而具有很大的技术优越性和广泛的应用前景。 赖志生等口门采用有限元数值法对散体结构岩质高边坡进行了模拟，在不同的台阶坡 比、台阶平台宽度、台阶高度等开挖参数下对边坡开挖进行了有限元分析。 李升瞄2 1 采用不同的有限元软件进行边坡稳定分析的比较，同时采用传统的刚体极限 平衡方法进行校核，从而为采用有限元弹塑性数值模拟岩质边坡稳定性方面提供了一些 有价值的参考。 冯君等口3 1 用地质力学模型试验方法和有限差分软件( f l a c - 3 d ) 模拟了顺层岩质边 坡开挖破坏过程。 王向东等口钉利用f l a c 一3 d 软件，对昆明东支线两面寺土质高边坡的稳定性进行了模 拟和分析，并与简化毕肖普法的计算结果进行了相互验证，结果表明：f l a c 一3 d 是边坡 6 第一章绪论 稳定性分析的一种有效工具。 刘祚秋，周翠英等口即将强度折减理论应用于土质边坡稳定及加固的弹塑性有限元 分析中，提出了以某一幅值的总等效塑性应变区，从坡脚到坡项贯通时为边坡破坏的标 准，不但物理意义很明确，而且可以根据边坡临界破坏时的等效塑性应变区确定滑动面 位置，并认为此前的折减系数即为边坡的安全系数。 郑颖人，赵尚毅等口6 1 通过对边坡非线性有限元模型进行强度折减，使边坡达到不 稳定状态时，非线性有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数就是稳定安全系数，同 时可得到边坡破坏时的滑动面。文章对此法的计算精度以及影响因素进行了分析，证实 了其实用于工程的可行性。 于沭、陈祖煜7 1 等应用f l a c 软件，采用强度折减方法对不同典型地质条件进行多 算例的数值分析，发现对于采用相关联或者非相关联流动法则，应用强度折减方法得到 的安全系数与m - p 方法求解的安全系数都相差较小；同时提出了确定滑裂面的方法，该 方法确定的滑裂面与m p 方法搜索到的滑裂面有很好的一致性。 传统的有限元分析以小变形为基础，但随着岩土工程分析计算方法的迅速发展和相 关研究工作的不断深入，需要使用大变形理论来解释边坡的一些行为和现象日益增多。 目前国内在边坡大变形数值计算分析方面研究较少，在这方面的工作需要进一步加强。 ( 3 ) 不确定性分析方法陷踟 不确定性分析方法主要有：概率统计分析法、模糊综合评价法、人工智能方法等。 模糊综合评价法主要是基于勘察资料，对影响边坡稳定的各种因素进行分析，采用 层次分析法将各种因素划分层次，建立递阶关系以此确定各类指标对边坡稳定性的影响 程度，是一种把模糊评判与层次分析相结合的滑坡综合评价方法。 常用的概率统计方法有解析法、精确的蒙特卡罗模拟( m o n t e c a r l om e t h o d ) ； 概率统计方法事先确定的自变量序列是否齐全、准确，以及其它许多因素限制分析结果 的准确性，而且其预测结果大多以用区间反映的边坡破坏概率来表示，也具有定性特点。 人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神经网络控制等。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，但其完善的理论、充实的数据库将使 它成为一种相对简便的方法，目前它可用应它来进行工程的验算。 陈祖煜等呤叩使用遗传进化算法从边坡任意形状滑裂面组合中搜索最有可能的滑裂 面，即安全系数最小的滑裂面。并作为实例应用于天生桥二级电站首部枢纽进水口右岸 滑坡案例。分析结果表明，在搜索边坡滑裂面问题上遗传算法较其它搜索算法具有准确 7 第一章绪论 性和可靠性的优势。 另外，吴春秋h 们等提出了以加速度是否为零作为土坡破坏达到临界状态的一个判 据，在分析滑动本质的基础上，提出通过搜索剪应变最大的点以确定临界滑裂面的方法。 1 2 3 路基边坡失稳加固技术研究现状 滑坡防治的目的主要在于避免或消除危害。根据滑坡的防治原则，能避开者应尽量 避开，能预防者应尽可能预防，特别是对于大型复杂的滑坡体；对于受条件限制不能避 开的，进行治理时应做到一次根治，不留后患，达到既稳定滑坡又节约投资的处治效果。 ( 1 ) 国外研究概况 1 9 世纪中叶欧美国家就开始了关于滑坡灾害防治工作的相关研究，由于当时人们 对滑坡形式、机理及其发育变化规律只有较为浅显认识，对于工程中遇到的大、中型滑 坡只能绕避的措施，对小型滑坡也主要以采取削坡减载、设置反压以及增设抗滑支挡构 造物等传统措施为主，同时增设排水设施更是优先考虑方案。后随着各国社会经济的飞 速发展及工程建设项目的不断增加，遇到的边坡失稳工程越来越多，此时人为支挡工程 治理才真正开始被大量应用，5 0 年代来该方面的应用有了较大的发展和提高。 边坡支挡防护措施的发展大体可概括以下三个阶段： 2 0 世纪5 0 年代以前，滑坡治理以增设排水设施为主，抗滑支挡防护措施主要是挡 上墙。2 0 世纪6 0 - 7 0 年代，因原有技术措施的的局限性，抗滑桩被广泛应用。前苏联 和欧美国家多用钻孔钢筋混凝土灌注桩，日本则多采用钻孔钢管桩、并在钢管内外注入 水泥砂浆或水泥混凝土。为了增加桩的抗剪能力和群桩受力，国外常将两排或三排桩顶 用承台联接，形成刚架受力，也有少数用打入桩的。 2 0 世纪8 0 年代以来，在小直径抗滑桩应用的同时，大直径挖孔抗滑桩开始被应用 于大型滑坡体的加固治理。与此同时，锚索工程在滑坡防治工程中也被大量使用，或与 抗滑桩等支挡防护措施联合使用，或通过加反力梁或锚墩单独使用。 ( 2 ) 国内研究概况 在我国，滑坡防护治理工作始于2 0 世纪5 0 年代。工程人员根据我国工程应用现状 开发了一系列有效的防治办法，总结出绕避、排水、减重、支挡、反压等治理滑坡的原 则和方法。我国对边坡防护的研究和开发应用也可概括为三个发展阶段： 2 0 世纪5 0 年代起，主要学习前苏联的经验，以设置地表和地下排水工程为主，支 挡工程主要是各种形式的挡土墙。 r 第一章绪论 2 0 世纪6 0 一7 0 年代，支撑盲沟加小抗滑挡墙及沉井式抗滑挡土墙等措施被成功研 发应用，但存在较多不足。6 0 年代中期，研究设计用大截面挖孔钢筋钢轨混凝土抗滑 桩获得成功，在治理大、中型滑坡中几乎取代了抗滑挡土墙。7 0 年代中后期，在深入 研究抗滑桩的设计理论和工作机理的同时，又研究开发了多种新的结构形式。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着锚索技术的发展，锚索工程开始被大量的应用于滑坡防 治工程中。由于锚索是用高强度钢丝束锚固于滑体以下的滑床中，抗拉力大，预应力锚 索变一般支挡结构物的被动受力为主动受力，对滑体扰动小，又是机械化施工，所以应 用前景广阔。朱宝龙等h 妇利用现场试验方法研究了土质边坡加固中预应力锚索框架的内 力分布规律，得出了同一等级锚固力作用下框架的内力分布规律与不同等级锚固力作用 下框架的内力变化特征以及锚索力在框架纵横梁之间的分配特点，同时验证了锚索框架 内力的w i n k l e r 弹性地基梁计算模式。赵晓彦h 2 3 对类土质边坡的性质、锚固特性及锚固 边坡稳定性计算方法进行了系统研究。针对有框架和无框架两种情况，分别推导了锚固 力的传递范围，为确定锚索间距的大小提供了依据；推导了框架梁内力的变形梁法计算 方法，进行了现场试验和离心模型试验。 锚拉抗滑桩作为一种新的抗滑支挡结构，近年来也不断被应用于滑坡治理工程当 中，但现阶段其设计计算理论远滞后于工程应用。肖淑君h 3 1 通过室内模型试验和理论 分析手段较系统地研究了锚杆、普通抗滑桩和锚拉抗滑桩的受力及承载特性。何勇志h 4 3 对预应力锚索抗滑桩的内力计算方法和优化设计方法进行了研究，并通过室内模型试验 对相关结论进行分析和验证。李亚平h 朝对抗滑桩相关设计计算理论进行研究，并用有 限元软件对一般抗滑桩与预应力锚索抗滑桩的受力和变形进行了对比分析。 1 3 本文主要的研究内容 为适应路基高边坡工程防治工作的需要，本文在查阅相关资料的基础上，首先结合 自身工程经验，深入研究了高填土路基边坡侧滑的失稳机理和常用防治技术，为该类工 程的预防和治理工作提供了参考。同时，从加固原理和技术要点等方面详细介绍锚杆+ 钢管桩联合加固技术，并使用f l a c 3 d 对其加固效果进行了模拟分析。最后，结合山东 某省道部分路段路基侧滑失稳加固治理工程的实际特点，系统应用了锚杆+ 钢管桩联合 加固技术。主要研究内容为： ( 1 ) 边坡侧滑失稳原因分析 第一章绪论 根据对多项失稳工程的破坏特点、地形地貌特征、地质及水文条件、填筑情况、荷 载分布及工作状态等影响因素进行总结分析，对高填土路基边坡的侧滑失稳的类型、原 因和机理进行了探讨和研究。 ( 2 ) 高填土路基边坡稳定性计算方法的分析 对传统路基边坡稳定性计算方法进行了系统介绍和分析，在此基础上对简布条分法 和基于路基强度衰减理论的有限差分法( f l a c 3 d ) 进行了同工况的对比分析。 ( 3 ) 常用路基侧滑加固技术介绍及新型加固技术的研究 通过对现有资料的查阅、整理，从加固原理、技术方案、使用范围等方面进对多项 常用路基侧滑防治的技术进行了详细介绍：基于强度折减理论，针对锚杆+ 钢管桩联合 加固技术，使用f l a c 3 d 对锚杆+ 微型钢管桩联合加固方案的加固效果进行了有限差分计 算。 ( 4 ) 锚杆+ 微型钢管桩工程应用研究 结合山东某省道部分路段路基侧滑失稳加固治理工程的实际特点，通过对现场勘测 及室内试验资料和理论计算结果的分析，对该病害路段设计采用预应力侧向锚杆+ 抗滑 钢管桩的加固方案，文中对该方案的技术要点进行了详细说明。 1 4 本文技术路线 ( 1 ) 资料收集。通过对国内外资料收集与调查，全面了解高填土路堤边坡侧滑失 稳主要病害类型、特征及成因，分析其主要影响因素，并充分了解高填土路堤边坡侧滑 失稳加固技术的发展概况。 ( 2 ) 现有资料总结、分析。通过对现有资料的总结、分析，全面掌握边坡稳定分 析及路基侧滑失稳加固技术在国内外的发展和成熟程度，初步确定较合适的计算方法和 最终加固技术方案。 ( 3 ) 计算方法确定。分别使用简布法和数值分析法对既定高边坡进行稳定性分析， 根据对比计算结果，合理确定最终计算分析手段。 ( 4 ) 数值计算分析。基于强度折减法，运用f l a c 3 d 软件，建立路基稳定性分析模 型，对加固前后高填土路基的稳定性进行模拟计算，并对桩锚式新型加固技术的加固效 果进行宏观对比分析，并依据分析结果对加固方案进行优化改进。 ( 5 ) 工程应用。结合实际工程，对新型加固技术进行实际应用，待进一步的使用 资料，对其采取进一步的优化措施。 第二章高填土路基边坡稳定性分析 第二章高填土路基边坡稳定性分析 路基边坡的稳定性与岩土性质和结构、工作环境及状态、边坡高度及坡度、工程质 量与经济等诸多因素有关。一般情况下，对于边坡高度不高的路基( 如不超过8 o m 的 土质边坡，不超过1 2 0 m 的岩质边坡) 可按照一般路基设计，采用规范规定值，不作稳 定性分析计算。但对于地质与水文条件复杂、高填深挖或特殊需要的路基，应进行边坡 稳定性分析计算，据此合理的确定边坡坡度及相应的工程技术措施。 2 1 边坡侧滑失稳机理及成因分析 2 1 1 路基侧滑失稳特征及成因分析 公路在建设过程中及通车运营以后，受施工质量、环境条件、超载等因素的影响， 常会出现不同类型的工程病害，其中在高填方路段，路基的侧滑失稳问题尤为突出。此 类病害不仅会破坏路面结构的工作状态，造成路面的损坏，更由于其常常直接导致路基 的沉陷和塌方，对公路的建设和运营安全构成了严重威胁。因此，如何对路基的侧滑失 稳问题加以预防与治理，是一项事关公路建设和运营安全的重大技术难题。 经对国内数十处路基侧滑失稳情况综合分析，发现虽然事故发生的时间、地点各不 相同，但其发生破坏的外在形式却有着共同的基本特征： 是路面发生纵向开裂，一般有3 5 条裂缝，严重者可在路面上沿裂缝断开成横向 阶梯状； 是滑移面为弧形，符合土体边坡滑坡的一般特征。 2 1 1 1 边坡稳定的影响因素 总结边坡勘察实践，认为影响边坡稳定性的主要因素h 6 1 有： 1 、边坡工程地质特征 岩土体的力学性质决定了边坡的失稳方式。 缝质构造发育地段边坡稳定性差，地震加剧滑坡下滑速度。 边坡体结构不同，边坡的破坏方式就不同。 2 、水的作用 首先，水能够降低边坡组成物的力学强度；其次，地表水的冲刷侵蚀作用、地下水 1 1 第二章高填土路基边坡稳定性分析 动水压力也会加剧边坡失稳；再次，浮托力对边坡稳定不利，不同作用点下静水压力对 边坡稳定性也会有不同影响。 3 、地貌 地貌的不同对边坡失稳及破坏方式影响较大。 4 、气候 降雨对边坡影响大，它一方面增加渭体的下滑力，另一方面降低了边坡岩土体强度。 5 、风化作用 风化作用使岩土产生剥落、松散，降低了岩土体强度。 6 、人类工程活动 不当的人类工程活动可导致边坡失稳。如削坡、坡顶加载、地下开挖等。 7 、其它 如冻融作用、植物根劈作用等对边坡稳定性有影响。 2 1 1 2 路基侧滑失稳成因分析 一般来说，严格按照相关规范进行设计和施工，在设计荷载作用下路基不会出现侧 滑失稳的现象。但由于各种原因，在实际施工和运营过程中，此类事故却经常发生，主 要原因有以下几点： 1 、不良地质影响和设计中的遗漏。设计的主要依据是现场勘测和地质钻探资料， 但往往受地质情况复杂多变和设计周期太短等原因的影响，设计部门得到的有关资料不 能全面的反映实际的工程地质情况，造成在设计过程中对存在不良地基、边坡等( 膨胀 土、软弱夹层等) 不利条件的路段未采取的有效的防治措施，会为边坡失稳留下工程隐 患。 2 、施工中的缺陷。尽管规范对路基填料的质量和压实度标准都有明确、具体的规 定，但在施工过程中，常常由于施工、监理人员的懈怠，质量管理不严，加上取土场受 限、施工工期紧等原因的存在，致使填土压实度不够，超标土代替合格土等情况的出现， 在施工或运营过程中易产生边坡失稳问题。 3 、水文条件影响。虽然公路路基在设计时会考虑防水、排水的问题，但由于设计 理念的差距和为了节省资金等因素，路基和边坡的防、排水工作往往做的不够或不合理。 工程运营以后，毛细水不断上升集聚、雨水下渗等使边坡内部填料的强度衰减，填方路 基整体承载能力降低，容易诱发边坡失稳问题。 4 、超载因素。设计与运营时汽车荷载类型及大小的不同，会对路面及路基的稳定 1 第二章高填土路基边坡稳定性分析 性造成了严重影响。这也是通车以后出现路基边坡失稳的一大原因。 2 2 边坡稳定性分析计算方法 边坡稳定分析的核心包括两个方面的内容：一是对给定的滑动面进行边坡稳定分析 计算，确定与该滑动面相对应的安全系数：二是在所有可能的滑动面中，不断重复上述 步骤，寻找临界( 最危险) 的滑动面，即最小安全系数对应的滑动面。 2 2 1 极限平衡法 极限平衡法是基于极限平衡或力矩平衡理论，通过力的平衡或者力和力矩两者都平 衡建立起边坡安全系数表达式。极限平衡法中基本的假定为：土体为完全塑性材料且满 足摩尔一库仑破坏准则，沿潜在滑裂面上任一点都满足这破坏准则，滑裂面上的土体 在破坏时仍处于静力极限平衡。 2 2 1 1 直线滑动面的边坡稳定性分析 对于砂类土填筑的路基边坡，其渗水性强、粘性差，边坡稳定主要靠其内摩擦力支 撑，失稳土体的滑动面近似直线形态。 按静力平衡可得： 图2 - 1 直线滑动面上力系示意图 抗滑力fg c o s a t a n 缈+ c l ，f = = 一：= 一 5 下滑力t g s i n 口 ( 2 1 ) 式中：口滑动面倾角；c 滑动面上粘结力；够填料内摩擦角。 在干燥或有渗流作用下的边坡中，由于无粘性土土颗粒间缺少粘结力，因此，只要 位于坡面上的土单元体能够保持稳定，则整个土坡都是稳定的。其c = 0 ，根据静力平衡 条件，其稳定系数计算公式可简化为： 第二