（水利工程专业论文）丘陵地区路基沉陷加固技术应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着我国经济建设的发展，作为国家基础设施体系的重要组成部 分，交通事业在我国得到了飞速的发展，修建丘陵地区公路越来越多，但由于受 多种客观因素的影响，或多或少都存在着路基病害，将直接影响到公路的质量 或正常运营。为提高道路的运营能力，需要对部分路基采取加固措旌，因此，开 展安全、经济的路基病害处理的方法研究，已成为公路养护管理的重大课题。 本文从对丘陵地区路基常见病害的种类及成因的分析入手，主要对路基 边坡加固技术，高填路堤下沉病害处理技术及特殊路基病害加固技术的应用 进行研究。 丘陵地区路基边坡加固技术中结合济南绕城高速南线k 3 5 + 1 9 0 k 3 5 + 4 1 0 段 路基边坡病害，从边坡锚固机理、锚杆设计计算、构造要求等方面论述了路基边 坡锚固技术的应用，另外从灌浆材料和灌浆加固设计方法方面简单介绍了边坡灌 浆加固技术的应用。这种灌浆技术与锚固技术相结合的联合加固技术在丘陵地区 高陡边坡路基裂陷滑移加固中可以广泛采用。 丘陵地区高填路堤加固中着重阐述压力灌浆法在高填土路基沉降中的应用， 从压力灌浆的基本原理、设计方案、施工工序、加固效果进行具体分析，并 通过具体灌浆工程试验，深入了解压力灌浆的作用机理，以及灌浆法对于不同填 方土的加固效果。通过结合灌浆法处治具体工程实例，进一步论述了压力灌浆 技术在路基因压实不足、地基软弱和填料不合理等造成的路基下沉处理中的 应用，并取得的良好加固效果。 特殊路基病害处理中主要阐述了托底灌浆这种新技术在岩溶塌陷病害 中的应用。通过结合国道3 0 9 线章丘段岩溶路基塌陷情况，进行了岩溶塌陷 的机理分析，提出本处岩溶塌陷的成因，并通过理论分析，提出相应的托底 灌浆解决方案，并总结出了托底灌浆技术的工艺参数、施工流程以及质量检 测手段。并通过对加固处理和监测效果分析进一步说明“托底灌浆”理论的 正确性和可用性。 关键词：丘陵地区路基沉陷边坡加固锚固技术灌浆技术 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t hr e c c n ty e a r s ，a l o n g 谢t ht h ed e v e l o p m e mo f e c o i l o m yc o n 鼬n l c 位n g ，t h e 伽c p r o j e c t 够觚h n p o r t a mp a r to ft h em 血o n a if o u n 埘o ne s t a b l i 幽e n ts y g t e mc o m e s i n t 0as t a t eo fv i g o m l l sd e v e l o p m e n ti no wc l l i n 扎t h eb 1 1 i l d i n go fl l i 曲w a y s b e c o m e sm o r ca n dm o r ei 1 1t l l eu p l a n d h o w e v e r ，d l 坞t 0m 缸yo b j c c t i v ef 如t o 塔，t h e r o a d b e dh 邪p r o b l e m sm o r eo rl e s s t h e s ep r o b l e m si n f l u c ed i r e c to nt h eq l l a l n y 锄d m l a lm 孤a g e m e n to ft h eh i g h w a y s w en e e da d o p ts o m em e a s l l r e st o r e i n f o r c et h er oa d _ b c df o ri m p r o v i n gt h em a n a g c m e n tc a p a b i l i t yo ft h eh i g h w a y s t h e r e f o r e ，t h e 托s e a r c ho nd e a l i n g 谢t l lt h ed i s e 嬲e so fr o a d b e dh 勰b e e na n i m p o n a n tt 船ki nt h em a n a g e m e n ta i l dm a i n t a i n i n go f m eh i 曲w a y s f r o mm e 锄a l y s i so ft h et ) ，p e sa n dc a u s e so fu s u a lp r o b l e m so ft l l er o a d b e d i nt h eu p l 柚d ，t h et l l e s i sm a i n l yr e s e a r c h e so nt l l e a p p l i c a t i o no ff o l l o w i n g t e c l l n o l o g i e s ：t e c h i l o l o 盯o fs l o p er e 幽啪e n t ，t e c l l n o l o g yo f 订e a t m e mf o r 也c r o a dc 0 u a p ，a n dt e c h n o l o g yo fs t r e n 舀h e n i n go fs p e c i a lr o a d b e d 1 km e i h o do f i e i l 懒伽n c n to fr o a d b c d ss l o p e s 砸堍m e 唧l e “m e r e m e d yo f p f o b l e m so f u mp a r to fo u t e rr i i l go fj i n 锄缸蚺m y 丘d m3 5 k + 1 9 0t o 3 5 k + 4 l o f r o mt h e 船p e c t s o f 让幛p r i n c i p l e so ft l l e 觚c h o m g ct c c h n o l o g y ， d e s i g n a t i o n 锄dc a l c u l a t i o no f a n c h o rr o d ，觚dt h e e d sf o rs t m c t i l r e ，t h et h e s i s d i s c l i s s e st h e 锄c 嘛t e c h o l o g yi nt h c 印p l i c a t i o no fs l o p er e i n f o r c e m e n t i i l a d d i t i o n ，t h i st h e s i ss i m p l yi n t r o d u c e st h eg r o u d n gt e c h n 0 1 0 9 yf r o mt h ea s p e c t so f t h e 掣o u t i n gm a t e r i a l s 觚dr c i n f o r c e m e md e s i g i l a t i o nm e t h o d s t h i sc o m b i n a t i o n r e i n f o r c e dt e c h n o l o g yo fg r o u t i n g 明da n c h o m g ec 姐b e1 l s c d 、i d e l yi nt h e r e i i l 】白r 。锄e mo f m a d c o l l a p a 1 1 ds l o p es l i p p a g e 1 1 1 cr c i i l 】溉e n to fh i 曲f i l l c d 鲫b a i l h l l t si nt l l eu p l a n dm a i n l yc x p o u n d s t h ea p p l i c a ：t i o n0 fp r e s s u r eg r o u t i l l gi i l 曲忙鲕 1 k i n gr o a d b e d s 缸吼b 嬲i ct h e o r i e s ， d e s i 弘s c j l e i n e ，t h ep r i n c i p l eo fc o n s 仇l c t i 雌锄do t l l e r 嬲p e c t s v i ap m c t i c a lg r o 曲g p r o j e c te 】【p 洳饥t a t i o n w es u 喵c i e n n y a l i z em eo p 删o n m e c h 锄i s ma n dt h e i n f b i c e m 哪e 丘b c to f 也ep r 豁s i l g r o u t i n g t h r o u g ht h e e x 锄p l e s ，t h et h e s i s e x p l a i 璐t h ep r o m o t i o n 孤da p p l i c a t i o no ft h eu t i l i t yo fp 地s s u r eg r 0 砸l 唱m 删 i i lt h er o a d b c dw i l i c hh 船p r o b l 锄sf b rt h el a xc o n l i 锄o n ，m o m l 觚di i l l p r o p e r s t i l 丘- m g ，e t c 1 kf a c tp r o v e s 疵i f o r c 锄e n te 腩c tn i c e l 2 山东大学硕士学位论文 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，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：至匿笠 日期：丝z ：丛! r 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国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；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：础导师签名：邋日 期：丝! ：! _ f 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 公路路基是路面的基础，它与路面构成一个整体结构，是公路的基本结构物， 承受行车作用和自然因素的影响。实践证明，没有坚固、稳定的路基，就没有稳 固的路面。坚固、稳定的路基是保证公路具有良好使用品质的基本条件，提高路 基的强度和稳定性，可以适当减薄路面厚度，降低造价，节省维修费用。 路基的修建改变了原地面的自然平衡状态，在某些地形、地质条件下，路堑 边坡可能坍塌，路基可能下滑。为了使路基具有抵抗自然因素侵蚀的能力，必须 采取一定的技术措施来保证路基整体结构的稳定性。 路基既要承受由路面传递下来的行车荷载，还要承受路面和路基的自重，势 必对路基土产生一定的压力。只有路基具有足够的强度，才能抵抗应力的作用而 不产生超过允许范围的变形。 根据土力学的理论，土质路基的强度受含水量的影响十分显著。在大气负温 度作用下，土在冻结过程中水分发生迁移和积聚，此现象称之土的水温状况。在 季节性冰冻地区，由于水温状况的变化，路基将发生冻融循环，其强度急剧下降。 因此，必须保证路基在最不利的水温状况下仍具有足够的强度。所以，要求路基 具有一定的水温稳定性是十分重要的。 路基在自然因素和行车荷载重复作用下，会不断累积变形最后导致破坏，这 就是路基的病害现象。 1 1 1 路基典型病害 ( 1 ) 路基沉陷 填方路基下沉导致断面尺寸改变的病害现象，为路堤沉陷。沉陷经常是不均 匀的，严重时会破坏局部路段，造成交通中断。沉陷有路堤本身下陷和地基陷落 两种情况，前者因填料不当、填筑方法不合理、压实不足等原因而引起的，后者 是由于软弱地基未经处理引起的。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 边坡坍方 坍方的表现形式有剥落、碎落、滑坍和崩坍。 剥落、碎落、滑坍主要发生于路堑边坡。剥落是指边坡表层土壤、岩石风化 成零碎薄片，从坡面上脱落下来的现象，剥落碎屑的堆积，会阻塞边沟，影响路 基稳定。 碎落是岩石碎块的一种剥落现象，落石产生的冲击力可使路基、路面遭到破 坏，威胁行人及车辆的安全。 崩坍是大量土石脱离坡面翻滚于边坡下部形成倒石堆或岩堆的现象。崩坍的 土石方往往造成交通中断，也是危害最大的路基病害。崩坍的发生，主要是路堑 的开挖使原有的自然坡面失去平衡所致。 滑坍是指边坡上的大量土石沿着一定滑动面整体向下滑移的现象。路堤边坡 的滑坍，是由于边坡过高，坡度较陡，填方不密实，缺少必要的支撑与加固等原 因造成的。路堑边坡的滑坍，则是由于挖方岩层倾向路基，倾角在5 0 0 7 0 。之间， 夹有软弱和透水层或岩石严重风化，在水的侵蚀和冲刷作用下形成滑动而使土石 失去平衡所致。 ( 3 ) 冻胀与翻浆 在冬季寒冷地区的潮湿路段，路基土中的水分在冰冻过程中不断向上移动， 使路基上部含水量大大增加；春融期间，土基强度因含水过多而急剧下降，在行 车作用下路面发生弹簧、裂缝、鼓包、冒泥等现象，称之为翻浆。 冻胀是由于土基下部的水向上集聚并冻结成冰所致，过大的冻胀可使柔性路 面鼓包、开裂，使刚性路面错缝、折断。冻胀是翻浆过程中的一个阶段，同时也 是一种单独的路基病害。 造成冻胀和翻浆的条件，首先是由于寒冷的气候所致，冬季寒冷的时间越长， 路基土壤的冻结深度越大。其次是由于水源的原因，同时还必须是毛细作用强的 粉土、细砂等细颗粒土壤。可见，影响翻浆的因素是温度、水、土质、路面结构 和行车荷载。 ( 4 ) 水毁 水毁是在多雨季节，因降雨或山洪暴发引起的坍方或冲毁路基。水毁是由于 不利的气候、水文、地形、地质等条件综合作用造成的。 2 山东大学硕士学位论文 1 1 2 路基病害原因 路基病害的原因是多方面的，各种病害，既有各自的特点，又有共同的原因。 归纳为以下几个方面： ( 1 ) 不良的工程地质与水文地质条件。如地质构造复杂，岩层走向及倾角不利， 岩性松软，风化严重、土质差、地下水位较高以及其他特殊不良地质等； ( 2 ) 不利的水文与气候因素。如降雨量大、洪水、干旱、冰冻、积雪或温差大 等； ( 3 ) 设计不合理。如断面尺寸不合乎要求，包括边坡率不当、填挖高度不当、 路基低于临界高度以及排水、防护与加固不妥等； ( 4 ) 施工不符合要求。如填筑顺序不当、土基压实不足、不按设计进行施工、 工程质量不合标准等。 上述原因中，地质条件是影响路基工程质量和产生病害的基本前提，水是路 基病害的主要原因，因此在研究公路路基缺陷加固技术措施时，必须进行地质和 水文勘察工作，针对具体条件及各种因素的综合作用，采取合理的加固处治方案。 1 2 研究的背景和意义 近年来，随着我国经济建设的发展，作为国家基础设施体系的重要组成部 分，交通事业在我国得到了飞速的发展，修建丘陵地区公路越来越多。 而丘陵地区公路高填路堤较多，路堤填料大多取自于路基附近的挖方段，多 为填石或土石混填，由于受多种客观因素的影响，路基边缘的压实度往往难以达 到标准要求，在行车荷载的反复作用下，不仅会引起路面的不均匀沉陷，影响路面 的平整度，导致车速降低、促使路面过早破坏，而且当路基发生塌方或滑坡时，往 往会发生重大的交通事故。 还有一部分是由于当地软岩风化物和地表有机物质经过流水的搬运，沉积于 地形低洼处，并经过长时间的饱水软化以及微生物的分解作用而形成的软土路 基，该路基既有一般软土路基的含水量高、孔隙比大、压缩性高等特点，又具有 成分复杂、分布不均的特性，同时，软土在地表长期与周围大气环境相连，加上降 雨形成的集中地表径流的影响，使得软土在自然界风化、淋蚀作用下形成一硬壳 山东大学硕士学位论文 层，导致软土具有较强的隐蔽性。 丘陵地区软土成因及其工程性质有其特殊性，从而使软土路基在破坏形式上 也有别于一般内陆平原和东部沿海地区的软基。 丘陵地区大多路段与沟谷或河道并行，使软土路基很容易遭水的浸透和冲蚀， 尤其是暴雨、滑坡和泥石流等灾害的频繁发生，更使软土路基遭到严重毁坏。其 路基破坏主要表现为剪切拉裂破坏、浸水沉陷破坏、剥蚀坍塌破坏、推挤滑动破 坏等4 种类型。 虽然路基结构和填土类型各种各样，但路基发生病害的表现形式主要有以下 几种： a ) 填方路堤完工后沉降或不均匀沉陷，路面横纵坡变化、行车颠簸； b ) 路面出现纵向裂缝，严重时裂缝变宽，裂缝向土路肩边缘伸展，裂缝处呈现 错台，形成滑裂面； c ) 路面出现横向通缝，裂缝处出现错台。 上述路基病害将直接影响到高等级公路的质量或正常运营，甚至威胁到高速 运行车辆的安全，造成不必要的损失，同时也给日常养护和维修工作带来许多麻 烦。为提高道路的运营能力，需要对部分路基采取加固措施，提高承载能力，但由 于我国在路基加固的研究上，起步较晚，没能形成一套系统的理论和技术，路基 处理从技术到管理都存在一些困难，因此，开展快速、安全、经济且不影响正常 通行的路基病害处理的方法研究，已成为公路建设管理养护的重大课题，也是迫 在眉睫需要解决的问题。 1 3 国内外研究概况 自从公路的修建，公路路基加固的研究就已经开始，早在1 8 0 2 年，法国土 木工程师查理士贝里尼( c h a r l e sb e r i g n y ) 就发明了“注浆法”，至今已有一百九 十多年的历史。从2 0 世纪6 0 年代，国内外在地基处理方面发展十分迅速，老方 法得到改进，新方法不断涌现，在6 0 年代中期，从如何提高土的抗拉强度这一 思路，发展了土的“加筋法”；从如何有利于土的排水和加速固结这一基本观点 出发，发展了土工聚合物、砂井预压和塑料排水带；从如何进行深层密实处理的 方法考虑，采用加大击实功能的措施，发展了“强夯法”和振动“水冲法”以及 4 山东大学硕士学位论文 压密注浆方法等。随着新方法的引入、地基处理工程的实践和新工程问题的出现， 人们在改造土的工程性质的同时，不断丰富了对土的特性研究和认识，从而又进 一步推动了地基处理技术和方法的更新，因而成为岩土工程领域中一个较有生命 力的分支。 路基加固工程的设计特点主要是如何在复杂多变的条件下，因地制宜，但又 不千篇一律的合理设计，因此，充分考虑地形、地质、气象等自然条件及周围的 社会环境，进行符合当地情况的设计是非常重要的。2 0 世纪9 0 年代以来，随着 我国公路建设的顺速发展，针对不同地质和不同类型的路基沉陷，我国广大的公 路建设者和研究人员进行了深入的探讨和研究，利用现代技术，发明和创造了很 多更为有效的加固技术。 在高填路堤、软土、岩溶塌陷等特殊不良地质条件路基病害、边坡处治技术 中，注浆技术被广泛采用。国内外的注浆技术、施工工艺、理论研究及应用范围 等都取得了显著的成就，但注浆技术在丘陵地区公路工程中的应用极少，没能形 成一套系统的理论和技术，路基处理从技术到管理都存在一些困难。把注浆法引 入到丘陵地区公路路基病害加固处理中，从机具的配套、施工工艺、浆液材料以 及加固机理等方面立题进行研究，其成果应用到高等级公路路基病害处理中具有 显著的经济效益和实用价值。在土木工程建设中如铁道、矿井、市政和地下工程 等，灌浆法占有十分重要的地位。劈裂灌浆在国外己有3 0 多年的历史，我国2 0 世纪7 0 年代末在乌江渡坝基工程中首次采用这类灌浆工艺建成有效的防渗帷 幕。此后这种技术取得长足的发展，尤其在软弱地基中，劈裂灌浆技术已越来越 多地用作提高地基承载力和消除( 或减少) 沉降的手段。在一些较发达的国家中， 己较普遍地在灌浆施工中设立电子计算机监测系统，用来专门收集和处理诸如灌 浆压力、浆液稠度和进浆量等重要数据，这不仅可使工作效率大大提高，还能更 好的控制灌浆工序和了解灌浆过程本身。 在丘陵地区特殊路基如岩溶地区路基病害加固技术中，除了采用桩处理( 即 利用混凝土桩、钢筋混凝土桩、钢管桩和管柱桩) 技术外，仍可采用灌浆技术。 其中，托底灌浆技术处理岩溶塌陷及煤矿采空区的路基病害，是一种新的加固技 未。 软土路基的加固技术，除了灌浆技术，还有排水固结法( 包括堆载预压法、 真空预压法、降水预压法、电渗排水法) ；胶结法( 包括水泥搅拌桩、高压喷射注 山东大学硕士学位论文 浆法、灌浆法、水泥土夯实桩) ；加筋法( 包括加筋土、土工织物、树根桩、锚固 法等：置换法、挤密法及挤密置换法( 包括振冲置换法、c f c 桩、钢渣桩、石灰 桩、强夯置换、砂桩、夯坑基础、强夯法、振冲法、挤密碎石桩) 。其中复合地 基加固法是研究的热点，被广泛应用于多种软基处理工程中。丘陵地区软土路基 的加固，有些可沿用软土路基缺陷加固技术方法 丘陵地区地区的路基沉陷往往伴随着路基滑移，因此，在对路基沉陷进行处 治时，必须采取相应措施对路基滑移进行加固。路基边坡加固的类型一般分为辅 助工程措施和主体工程措施。前者主要有边坡排水系统，通常是外截内排，同时 加以坡面封闭、恢复植被、改变地形等辅助手段；后者主要是设置支档结构，维 持和恢复其自然力学平衡，常用有重力式挡土墙、抗滑桩、锚杆挡土墙、土钉墙、 锚喷网、板桩式挡土墙、预应力锚索、加筋挡墙、压浆锚柱( 固结) 、排水固结等。 在实际应用中，往往采用多种加固措施的组合，实现优势互补，改善支档结构受 力条件，节约投资，提高边坡治理的可靠性。常见的有预应力锚索与抗滑桩的组 合简称锚拉抗滑桩、预应力锚索与绿化结合简称格构地梁锚索等。 在当今时代，路基加固技术，无疑已经成为基础工程师所面临的最大挑战之 一。在许多情况下，经济因素限定了优先采用一般加固地基土的方法，而不采用 先进的，因此，清楚地了解每种加固方法的技术可行性及其运用的土质条件，就 变得越来越重要了。许多方法是仅以一些试验资料开始，而后进一步发展起来的。 即使在目前，很多技术也还是常通过简单的经验方法来完善。在目前已有的这些 加固方法中，要使有些方法朝更为科学的分析手段发展，尤其是在科学知识的基 础上，为使这些方法应用得更为经济，还有一段很长的路要走。 1 4 本课题的研究内容 本课题主要研究分析丘陵地区公路路基发生病害的不同原因，从联合加固的 角度，根据不同的原因研究采取何种有效的加固方法，从而建立起一套系统的加 固方案，为山区公路路基沉陷的加固提供理论指导和操作依据，具体将在以下几 个方面展开研究： ( 1 ) 丘陵地区路基边坡加固技术的应用研究。介绍了路基边坡加固的设计 原则及常用加固治理技术。对锚杆( 索) 加固边坡的锚固机理进行了较全方面的 6 山东大学硕士学位论文 研究，并提出了设计方法和施工关键工艺。 ( 2 ) 丘陵地区高填路基下沉加固技术应用研究。通过对前人研究成果的分 析和总结，提出路基不均匀沉降产生的原因和发展变化模式，指出了路基不均匀 沉降的特点、方式和可能产生的后果。对灌浆理论进行了研究，提出了压力灌浆 法处治路基沉陷的设计计算方法和灌浆施工工艺及质量检测评价方法。 ( 3 ) 丘陵地区特殊路基加固技术应用研究。特殊路基病害处理中主要阐述 了托底灌浆这种新技术在岩溶塌陷病害中的应用。进行了岩溶塌陷的机理分 析，提出岩溶塌陷的成因，并通过理论分析，提出相应的托底灌浆解决方案， 并总结出了托底灌浆技术的工艺参数、施工流程以及质量检测手段。 7 山东大学硕士学位论文 第二章丘陵地区路基边坡加固技术的应用研究 随着国民经济的发展，大量铁路、公路、水利、矿山等设施的修建，特别是 在丘陵和山区建设中，人类工程活动中开挖和堆填的边坡数量越来越多，高度也 将越来越大。其中公路建设中的高边坡更是常见，如北京福州高速公路福建段 2 0 0 余公里内高度大于4 0 m 的边坡达1 8 0 多处；云南省元江一磨黑高速公路1 4 7 l 锄 内高度大于5 0 m 的边坡1 6 0 余处。然而由于地质条件复杂，加之设计施工方法不 当，高边坡开挖和堆填后发生变形和造成灾害的事故频繁发生，使得路基边坡问 题在路基病害中尤为突出。目前己修建完成的和正在修建的高等级公路，几乎是 “无路不坍、无路不滑”，特别是在雨季，公路边坡的坍方、滑移等地质灾害更 为普遍。这些灾害的产生轻者影响公路交通的正常运行或导致公路修建的成本大 幅度增加，重者导致公路交通中断甚至严重威胁着人民的生命和财产安全。据不 完全统计，我国每年用于治理边坡坍塌、滑坡等地质灾害的费用多在十亿元以上。 因此，边坡工程地质灾害的防治己成为我国山区丘陵公路建设中，特别是西部山 区公路建设中的重大工程问题，亟待研究解决。 2 1 边坡稳定与加固技术的发展 ( 1 ) 边坡稳定性研究方面 公路边坡( 或人工边坡) 的坍塌、滑移是滑坡的一种，因此，对边坡的稳定 性研究常常包含在滑坡稳定性研究之中。 人类对滑坡的研究最早出现在1 9 世纪中叶，开始于西方国家，但当时只限 于对滑坡现象的观测。二战后，随着各国经济建设的恢复和发展，大量的大型土 木工程的修建遇到了很多滑坡和边坡稳定性问题，促使刃面对边坡岩、土体的性 质及滑坡和滑坡体的防护进行系统的研究，如：1 9 4 9 年a m 伏罗洛夫在土体 及建筑物稳定性的保证措施一书中，对土体坍滑原因及其防治措施进行了详细 描述；1 9 5 0 年美国土力学家k t e r z o g h i 在滑坡机理一文中，对边坡破坏的 原因、过程、稳定性计算作了详细说明。后来，前苏联、日本和美国的专家与滑 8 山东大学硕士学位论文 坡研究机构对滑坡的研究方法和防治措施进行了系统的总结。 随着对滑坡研究的深入，各国学者交流增多，滑坡研究与防治经验得到积累， 滑坡的研究水平和防治技术水平不断提高。2 0 世纪8 0 年代以来，随着数理力学 的发展，尤其是计算机的飞速发展，滑坡的研究进入了一个崭新的阶段。就边坡 稳定性评价方法而言，不仅继承了早期简单实用的基于刚体极限平衡理论的条分 法、s 锄a 法、楔形块体的h o e k 法，而且研究和开发了计算机数值模拟理论和 方法，如有限元分析理论和方法、离散单元理论和方法、快速拉格朗日( f l a c ) 法等这些理论和方法在边坡稳定性评价中的应用为滑坡和边坡工程的变形破坏 机制研究和稳定性评价提供了新的方法和手段。 目前，很多新思路、新方法如混沌理论、灰色系统、分形理论、模糊数学理 论等已经被引用到滑坡、边坡稳定研究和滑坡灾害预报中。这些理论的引用为边 坡变形破坏机制内在控制因素研究提供了理论基础。 边坡研究发展到今天，无论从理论上还是从实践中，都积累了大量的成果和 经验，但在工程应用中还存在着问题，集中体现在理论和实践的脱节，理论不能 或不完全能反映复杂的岩、土体的物理力学行为，对地质体缺乏正确的认识而出 现的错误判断等。例如，在边坡工程中，由于对地质原型认识不清，未把握住边 坡的变形破坏机制，采用的计算方法不当，盲目地选取治理措旌，均导致支护工 程失效和边坡失稳事故。因此，有必要系统的研究边坡变形机制和各种方法的实 用条件，以便将边坡的防治工作提高到一个新的水平。 ( 2 ) 边坡加固方面 在山区修筑高等级公路时，在已确定的边坡设计上所采用的边坡几何参数不 能满足稳定时，往往需要采取有关的工程措施来改善边坡岩体的稳定性。因此， 对高边坡加固技术的研究，在近几年来越来越受到整个工程界的重视和关注。 边坡加固的本质在于改变滑动体滑面上的平衡条件，而平衡条件的改变可以 通过改变滑坡体的抗滑力和下滑力来实现。采取工程措施必须根据边坡的岩体特 性、不稳定的主要原因，经济效果与及施工技术的可能性等进行选择，尽可能采 用综合治理的方法。 边坡加固的具体措旌很多，但在总体上可分为三类：直接加固法，包括挡 墙及护坡、抗滑桩、锚杆及预应力锚索；间接加固法，包括地面截水、排水、 防水及削坡减载卸荷；特殊加固法，包括麻面爆破、压力灌浆等。 9 山东大学硕士学位论文 在直接加固法一类技术措施中，锚杆、锚索最具发展潜力。目前，国内外仅 各类岩石锚杆就己达6 0 0 余种，每年使用的锚杆量达2 5 亿根。日本土锚的用量 逐年成倍增加，德国、奥地利的地下开挖工程已把锚杆作为支护的重要手段，无 论硬土或软土层，几乎没有不使用锚杆的。 在我国锚杆、锚索的应用始于2 0 世纪5 0 年代后期，最早用于矿山巷道支护， 并逐渐拓宽其应用领域。进入6 0 年代，普通砂浆锚杆与混凝土支护在矿山巷道、 铁路隧道和边坡整治工程中大量应用。近2 0 余年来，随着我国改革开放后工程 建设项目的不断增加，岩土锚固技术也得到了突飞猛进的发展，高应力、大变形、 大跨度等复杂情况下的地下工程建造技术有了突破。 在特殊加固法中，压力灌浆发展十分迅速，发达国家对灌浆技术的开发研究 十分重视，并已经达到了相当高的水平，主要表现在： 灌浆材料。灌浆材料是灌浆技术的核心，国际上已开发出上百种使用不同 目的的灌浆材料，特别是日本最近开发出一种新型阻水膨胀浆材，其材料强度在 l 4 0 肝a 的范围内可调，膨胀量可达l 5 倍，凝结时间可为2 0 3 6 0 0 s ，具有 十分广泛的应用前景，其他国家也正在开发高性能、低成本的灌浆材料。 灌浆施工控制和质量检测技术。压力灌浆施工质量控制是加固是否成功的 关键，发达国家一直在进行该方面的研究。日本、法国等已经研制成功基于灌浆 施工设备一体化的施工质量适时监控设备；美英、德等国已开发出检测灌浆效果 的专业设备，并逐步使之标准化和规范化。 2 2 路基边坡加固工程设计的原则、基本要求及稳定性分析 2 2 1 边坡工程设计原则 ( 1 ) 目前在边坡工程设计中主要是应用较为成熟的结构可靠度理论，在保 证边坡稳定性的前提条件下对支护结构采用极限状态设计原则。有下列两类极限 状态： 承载能力极限状态：对应于支护结构达到承载力破坏、锚固系统失效或坡 体失稳； 正常使用极限状态：对应于支护结构和边坡的变形达到结构本身或邻近建 l o 山东大学硕士学位论文 筑物的正常使用限值或影响耐久性能。 ( 2 ) 边坡工程设计采用的荷载效应最不利组合应符合下列规定： 按地基承载力确定支护结构立柱( 肋柱或桩) 和挡墙的基础底面积及其埋 深时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的标准组合，相应的抗力应采用地 基承载力特征值； 进行边坡与支护结构的稳定性和锚杆( 索) 锚固体与地层的锚固长度计算 时，荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，但其荷载分项系数均取 1 o ，组合系数按现行国家标准的规定采用； 在确定锚杆( 索) 、支护结构立柱、挡板、挡墙截面尺寸、内力及配筋时， 荷载效应组合应采用承载能力极限状态的基本组合，并采用现行国家标准规定的 荷载分项系数和组合系数；支护结构的重要性系数yo 按有关规范的规定采用， 对安全等级为一级的边坡取1 1 ，二、三级边坡取1 o ； 计算锚杆( 索) 变形和支护结构水平位移与垂直位移时，荷载效应组合应 采用正常使用极限状态的准永久组合，不计入风荷载和地震作用； 在支护结构抗裂计算时，荷载效应组合应采用正常使用极限状态的标准组 合，并考虑长期作用影响。 承载能力极限状态下基本组合的荷载效应设计值按下式计算： s = 丫g + 丫q 1 ( p d & l i + 丫q 2 中。2 2 i + 人+ 丫9 平a ，汤畦 ( 2 1 ) 式中：按永久荷载标准值q 计算的荷载效应值； 丫。永久荷载分项系数； y 。可变荷载q 分项系数； 可变荷载q 组合系数。 正常使用极限状态下荷载效应标准值按下式计算： s = + 仕+ q 。2 & 2 i + q 。3 s 刍t + 人+ 伞。s 泓 ( 2 2 ) 式中：艮按永久荷载标准值q 计算的荷载效应值； s & 按永久荷载标准值q 止计算的荷载效应值； 可变荷载q 组合系数。 ( 3 ) 永久性边坡的设计使用年限应不低于受其影响相邻建筑的使用年限。 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 边坡支护结构设计时应进行下列计算和验算： 支护结构的强度计算：立柱、面板、挡墙及其基础的抗压、抗弯、抗剪及 局部抗压承载力以及锚杆杆体的抗拉承载力等应满足现行相应标准的要求； 锚杆挡墙设计中，锚杆锚固体的抗拔承载力和立柱与挡墙基础的地基承载 力； 当边坡位于滑坡地段或边坡的滑坍可能影响周围建筑物时，应对边坡工程 进行支护结构整体或局部稳定性验算； 对变形有较高要求的边坡工程可结合当地经验进行变形验算，同时应采取 有效的综合措施保证边坡和邻近建( 构) 筑物的变形满足要求； 对施工期可能出现的不利工况进行验算。 2 2 2 边坡工程设计的基本要求 ( 1 ) 边坡工程设计时应取得下列资料： 建筑物平面布置总图以及相邻建筑物的平、立、剖面和基础图等。 场地和边坡的工程地质和水文地质勘察资料。 边坡环境资料。包括边坡影响范围内的岩土体、水系、建筑物、道路及管 网等状况资料。 施工技术、设备性能、施工经验和施工条件等资料。 条件类同边坡工程的相关经验。 ( 2 ) 一级边坡工程应采用信息( 动态) 设计法。应提出对施工方案的特殊 要求和监测要求，应掌握施工现场的地质状况、旅工情况和变形、应力监测的反 馈信息，必要时对原设计做校核、修改和补充。二级边坡工程宜采用信息( 动态) 设计法。 ( 3 ) 边坡工程的平面布置和立面设计应考虑对周边环境的影响，做到美化 环境，体现生态保护要求。坡面和坡脚应采取有效的保护措施，坡顶应设护栏。 ( 4 ) 在边坡工程的施工期和使用期，应控制不利于边坡稳定的因素产生和 发展。不应随意开挖坡脚，并防止坡顶超载。应避免地表水及地下水大量渗入坡 体，并应对有利于边坡稳定的相关环境进行有效保护。 山东大学硕士学位论文 2 2 3 边坡稳定性评价 根据公路路基设计规范( j t gd 3 0 一2 0 0 4 ) 3 7 4 条规定。 ( 1 ) 边坡稳定性评价宜综合采用工程地质类比法、图解分析法、极限平衡 法和数值分析法进行。 ( 2 ) 边坡稳定性计算应考虑边坡可能的破坏形式，按下列方法确定： 规模较大的碎裂结构岩质和土质边坡宜采用简化b i s h o p 法计算； 对可能产生直线形破坏的边坡宜采用平面滑动面解析法法进行计算； 对可能产生折线形破坏的边坡宜采用不平衡推力法进行计算； 对结构复杂的岩质边坡，可配合采用水平投影法和实体比例投影法分析及 楔形滑动面法进行计算； 当边坡破坏机制复杂时，宜结合数值分析法进行分析。 ( 3 ) 边坡稳定性计算应分成以下三种工况： 正常工况：边坡处于天然状态下工况； 非正常工况i ：边坡处于暴雨或连续性降雨状态下工况； 非正常工况i i ：边坡处于地震等荷载作用状态下工况。 2 3 路基边坡加固治理常用技术 路基边坡加固是指为了保证公路及其周围环境安全，对已发生或存在潜在失 稳危险的路基边坡所采取的支挡、加固及其相应的辅助工程技术措施。 目前，路基边坡加固的类型一般分为辅助工程措施和主体工程措施。前者主 要有边坡排水系统，通常是外截内排，坡面封闭，恢复植被，改变地形等辅助手 段；后者主要是设置支挡结构，维持和恢复其自然力学平衡，常用有重力式挡土 墙、抗滑桩、锚杆挡土墙、土钉墙、锚喷网、板桩式挡土墙、预应力锚索、加筋 挡墙等，在实际应用中，往往采用多种加固措施的组合，实现优势互补，改善支 挡结构受力条件，节约投资，提高边坡治理的可靠性。 2 3 1 放缓边坡 放缓边坡是边坡治理的常用措施之一，通常为首选措施。它的优点是施工简 山东大学硕士学位论文 便、经济、安全可靠。 边坡失稳破坏通常是由于边坡过高、坡度太陡所致。通过削坡，削掉一部分 边坡不稳定岩土体，使边坡放缓，稳定性提高。 2 3 2 支挡 支挡( 挡墙、抗滑桩等) 是边坡治理的基本措施。对于不稳定的边坡岩土体， 使用支挡结构( 挡墙、抗滑桩等) 对其进行支挡，是一种较为可靠的治理手段。 它的优点是可以从根本上解决边坡的稳定性问题，达到根治的目的。 2 3 3 加固 ( 1 ) 注浆加固 当边坡坡体破碎、节理裂隙发育时，可采用压力注浆这一手段，对边坡坡体 进行加固。 灌浆液在压力的作用下，通过钻孔壁周围切割的节理裂隙向四周渗透，对破 碎边坡岩土体起到胶结作用，形成整体；此外，砂浆柱对破碎边坡岩土体起到螺 栓连接作用，达到提高坡体整体性及稳定性的目的。 注浆加固可对边坡进行深层加固。 ( 2 ) 锚杆加固 当边坡坡体破碎，或边坡地层软弱时，可打入一定数量的锚杆，对边坡进行 加固。锚杆加固边坡的机理相当于螺栓的作用。 锚杆加固为一种中浅层加固手段。 ( 3 ) 土钉加固 对于软质岩石边坡或土质边坡，可向坡体内打入足够数量的土钉，对边坡起 到加固作用。土钉加固边坡的机理类似于群锚的作用。 与锚杆相比，土钉加固具有“短”而“密”的特点，是一种浅层边坡加固技 术。两者在设计计算理论上有所不同，但在施工工艺上是相似的。 ( 4 ) 预应力锚索加固 当边坡较高、坡体可能的潜在破裂面位置较深时，预应力锚索不失为一种较 好的深层加固手段。目前，在高边坡的加固工程中，正逐渐发展成为一种趋势， 1 4 山东大学硕士学位论文 被越来越多的人接受。 在高边坡加固工程中，与其他加固措施相比，预应力锚索具有：受力可靠； 作用力可均匀分布于需要加固的边坡上，对地形、地质条件适应能力强，施工条 件易满足；主动受力；勿需放炮开挖，对坡体不产生扰动和破坏，能维持坡体本 身的力学性能不变；施工速度快等优点。 2 3 4 防护 边坡防护包括植物防护和工程防护。 ( 1 ) 植物防护 植物防护是在坡面上载种树木、植被、草皮等植物，通过植物根系发育，起 到固土，防止水土流失的一种防护措施。这种防护措施一般适用于边坡不高、坡 脚不大的稳定边坡。 ( 2 ) 工程防护 砌体封闭防护 当边坡坡度较陡、坡面土体松散、自稳性差时，可采用圬工砌体封闭防护措 旅。砌体封闭防护包括浆砌片石、浆砌块石、浆砌块条石、浆砌预制块、浆砌混 凝土空心砖等。 喷射素混凝土防护 对于稳定性较好的岩质边坡，可在其表面喷射一层素混凝土，防止岩石继续 风化、剥落，达到稳定边坡的目的。这是一种表层防护治理措施。 挂网锚喷防护 对于软质岩石边坡或石质坚硬但稳定性较差的岩质边坡，可采用挂网锚喷防 护。挂网锚喷是在边坡坡面上铺设钢筋网或土工塑料网等，向坡体内打入锚杆( 或 锚钉) 将网钩牢，向网上喷射一定厚度的素混凝土，对边坡进行封闭防护。 2 3 5 排水 ( 1 ) 截水沟 为防止边坡以外的水流进入坡体，对坡面进行冲刷，影响边坡稳定性，通常 在边坡外缘设置截水沟，以拦截坡外水流。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 坡内排水沟 除在边坡外缘设置截水沟，在边坡坡体内应设置必要的排水沟，使大气降雨 能尽快排出坡体，避免对边坡稳定产生不利影响。 路基边坡常用加固类型及应用条件表2 1 边坡加固类型主要技术特点适应范围 依靠墙体自重来抵抗岩土压力，防止边陡坡地段或岩石风化路段，避免 坡围岩坍滑，使边坡保持稳定的人工构筑大填大挖，降低路基高度，沿河或 重力式挡土墙 物，施工简便，就地取材，造价低。变形受冲刷路基；桥隧与路基交接路 较大，开挖基坑，对边坡稳定有影响。段；节约用地或保护重要物路段。 依靠桩和庄周稳定岩土体的相互嵌制 作用来承受土体的下滑力使得变形体得 存在明显滑移面滑面不深，滑 抗滑桩以稳定，属被动受力支挡结构。抗滑能力床以下为稳定岩土层，对变形要求 大，工程量小，桩位灵活。桩顶位移大，不高的边坡。 属下卧稳定地层。 围岩，锚杆体和钢筋混凝土面板形成一整体结构稳定的边坡如岩石易于 种自稳定结构的轻型主动支护体系，提高风化，节理裂隙发育，易大面积碎 喷锚网 边坡围岩的结构强度和抗变形刚度，减少落或局部小型崩坍或过量爆破损 其侧向变形，增强边坡的整体稳定性。伤的岩石路堑边坡。 锚索固定于深部稳定的地层中，施加预高而陡或场地窄，存在滑动面， 应力，使被加固体稳定和限制变形，改善其它措施难以实现，存在深部稳定 预应力锚固 岩土体内部应力状况，尽可能少的扰动被层，施加预应力，有利于控制其变 锚固的土体或岩体，结构轻型。形的路基边坡。 土钉，面层和原位土体三者共同作用，无深部滑移面，单级墙高不大于 使被加固土体形成岩性地质与原来大为1 2 m 的一般地区土质软弱破碎岩质 土钉墙 不同的复合材料，是“重力式挡土墙”的堑坡，不宜于松散或地下水丰富的 主动支护体系。边坡。 由面板、拉筋和填料组成的一个类似 适用于一般地区的路肩、桥台、匝 于重力式挡土结构的结构物，支撑其后部 道，地形较为平坦而宽敞的填方边 加筋挡土墙土体传来的土压力和荷载，结构新颖，造 坡挡墙，不宜用于滑坡或坍塌变形 型美观，施工工艺简单，施工速度快，造 较大路段。 价低。 1 6 山东大学硕士学位论文 2 4 边坡锚固技术 在目前的边坡锚固技术中，锚杆和锚索以其自身的特点，成为改善坡体力学 条件、增大抗滑力的有力手段。锚固加固边坡岩土体与其他支护形式比较起来， 有如下的特点和优点： ( 1 ) 加筋增强作用。其他支护形式对岩土体的作用，主要是外部的支挡作 用，而锚杆则可以插入岩层，起到如钢筋混凝土中的钢筋一样的加筋作用，使岩 土体的整体性得到加强。特别是岩层中有层理、节理、裂隙时，这种作用就更加 明显，它起到阻止层面相对滑动的梢钉作用，可使岩土体的自承能力大大提高， 本身形成一个有效的防护结构，而其它支护形式是不具有这一特点的。 ( 2 ) 剪胀效应机理。当岩体中的粗糙不连续面发生剪切位移时，不连续面 的两壁因剪胀而产生扩容，使得贯穿不连续面的锚杆受拉产生附加的法向应力， 并通过不连续面的摩擦效应提供附加的抗剪强度。 ( 3 ) 预应力作用。预应力作用能有效的降低或消除岩土体中的拉应力和剪 应力，使应力集中现象得到缓解，从而改善了岩土体的应力状态，同时，预应力 使加固区的节理裂隙闭合，使节理裂隙的连通率降低，从根本上提高了岩土体的 抗剪强度和整体性强度。 ( 4 ) 良好的变形适应性。锚杆支护比传统的支架等有更大的适应岩土体变 形的能力，称为“柔性支护”，这对变形较大的软岩是很重大的必备条件。 2 4 1 公路边坡锚固主要结构形式 尽管锚杆和锚索的形式多样，但在公路路堑边坡的支护和加固中，应用最多 的是砂浆锚杆和拉力式锚索。 1 砂浆锚杆 砂浆