边坡工程学论文-边坡加固机理及加固技术的初步探究.docx

研究生课程考核试卷科 目： 边坡工程学 教 师： 姓 名： 学 号： 专 业： 土木工程 类 别： 学术 上课时间： 2015年5月至7月 考 生 成 绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语： 阅卷教师 (签名) 边坡加固机理及加固技术的初步探究摘要 随着我国城市建设规模的不断扩大和交通事业的飞速发展，越来越多的边坡伴随着工程而产生，边坡稳定性问题也日益突出,尤其是城市基坑边坡，加固难度大，周围环境复杂，一旦失稳破坏便会造成重大损失和不良影响。本文结合重庆市某基坑边坡，对其进行稳定性分析和防治方案的比选，以此为例介绍边坡的加固机理和边坡一般的加固技术，对比其优缺点从而选择较为合理的加固方案。最后根据本工程实例，对加固措施给出一定建议。关键词：基坑边坡 加固机理 加固技术 边坡稳定分析Abstract With the expand of the size of city construction and high-speed development of transportation, more and more slope forms with the projects. So the stability of slope becomes more and more serious especially the foundation pit slope in the city. It is difficult to reinforced and the environment surrounding is complex. If the stability is destroyed, huge loss and bad influence can be caused. The paper mainly aims at a certain foundation pit slope, analyzing its stability and choosing best reinforcing solution. Take it as an example to introduce reinforcing mechanism and technology of common slope, and compare the reinforcing methods to choose reasonable reinforcing solution. Finally, provide some advance according to the practical engineering example.Keywords: foundation pit slope reinforcing mechanism reinforcing technology slope stability analysis0 引言边坡是自然或人工形成的斜坡，是人类工程活动中基本的地质环境之一，也是工程建设中常见的工程形式。近年来我国经济发展迅猛，开矿、筑路、水利等基础建设日新月异。然而，我国是一个多山的国家，山地面积相当广阔，工程建设过程中大量开山、筑堤，形成很多裸露的坡面，而且大多数的坡面的地质条件不良，岩石破碎，土质松软不足以承担足够的荷载。多年来国内外许多工程中不乏由于对边坡认识不足，施工过程中未采取或采取不适当的措施而造成严重的后果。1985年6月12日的新滩滑坡，滑坡的体积约3000余万立方米，滑坡体前部的土石堵塞了长江江面约1/3，当时，江心激起的巨浪高达80多米，涌浪波及上下游共42公里的江段。近期有巫山县龙江红岩子滑坡，滑坡造成江水大面积涌浪。滑坡产生涌浪已累计造成停靠在江对岸1艘14米海巡艇沉没，9艘小渔船和7艘自用船翻沉，而且2人遇难，可谓损失惨重。边坡失稳带来血和泪的案例教训不胜枚举，它一次次地说明了边坡加固的重要性。因此为了减少或杜绝边坡对人们带来的危害，应在加强对其破坏机理的认识的同时，施工过程中必须采取合理有效的措施对其进行加固。本文的技术路线如下图所示：边坡的加固机理边坡常见加固方法边坡的稳定性分析方法结论和展望对重庆某基坑边坡进行加固方案比选对重庆某基坑边坡进行稳定性分析图0.1.技术路线图1 边坡的加固机理边坡的加固方法多种多样，不同的方法有不同的作用和加固机理，下面就分别以岩石锚索加固、土钉支护软边坡和现浇钢筋混凝土结构锚固来阐述其各自的作用和加固机理，从而为边坡加固技术的应用和发展奠定理论基础。1.1 岩土锚固作用机理及荷载传递规律岩土锚固就是通过预先在地质体埋设锚杆(锚索)，将结构物与地质体连锁在一起，依靠锚杆(锚索)与地质体间的相互作用，将结构物的荷载传递到地质体，或使地质体自身得到加固，增强其承载力。岩土锚固技术由于其效果好，造价合理，已经在边坡加固处理中得到广泛的应用。岩土锚固理论的发展大概经历了三个阶段:(1) 结构工程概念阶段。这个阶段采用结构力学建立起来的支撑理论，其技术措施对岩体的作用是被动的，消极的，即当岩体破坏或较大变形时它才起作用，否则支撑作用不明显。主要特点是，把岩土中潜在的破坏部分作为荷载由锚杆(锚索)结构支撑。其代表理论有：悬吊理论、成拱理论、组合梁理论及销钉理论等。 (2) 岩土工程概念阶段。 这个阶段通过直接或间接的施加预应力，将锚固体系由被动承载转为主动加固，充分发挥内部岩土体的强度和自稳能力，使锚固体系由支撑概念转变为加固概念。锚喷支护技术和预应力锚索技术便是采用岩土加固概念发展起来的岩体加固新技术，主要应用于自然或人工边坡的稳定，有变形限制要求的开挖边坡或洞室。这是岩土锚固理论在思想上的巨大进步，为岩土锚固理论的发展开辟了天地。(3) 工程地质概念阶段。在这个阶段强调对工程地质体进行有效的调控，经过反馈环节，适时地控制岩体变形，调整岩体强度，改善岩体应力状态，维护与改善环境稳定性，以期使工程地质体的工程能力得到充分发挥，使工程地质体具有服务功能，高效地实现工程目的。主要通过研究岩土锚固，环境因素及结构工程三者之间的相互作用，使岩体，环境，工程措施三者达到新的稳定平衡的综合技术措施，这种锚固理论是在思想上的重大进步，将以阻为主的加固概念转变为既阻又导的调控概念。为岩土锚固理论的发展开辟了新的天地，不过建立在此理论上的岩土锚固的研究还比较少。1.1.1预应力锚索内锚固段荷载传递机理预应力锚索设计的关键环节之一是确定内锚固段的长度，而内锚固段长度的确定有赖于两个十分重要的参数，即锚束体与注浆体、注浆体与围岩体的界面粘结强度，这两个参数与锚索的荷载传递机理关系密切，从 20 世纪中期开始，国外不少学者都陆续对该方面进行了探索研究，其中以 Phillips 的研究结果较为有代表性。对于拉力型锚索，Phillips给出钢筋与注浆体的剪应力分布公式如下： （1.1）式中： 距锚固段张拉端x处的粘结应力； 内锚固段与自由段交点处的粘结应力； 钢筋的直径； 钢筋中粘结应力与主应力相关的常数。 该公式指出，钢筋与注浆体之间的剪应力按指数函数单调递减分布，沿锚固长度积分，应用边界条件，可以求得施加于锚杆的荷载P 为： （1.2）岩体锚索胶结式内锚头采用水泥浆或水泥砂浆等皎洁材料固定锚索内端，并同外锚头配套，确保锚索实现张拉。其受力特点是依靠锚束钢材(钢绞线或高强钢丝)同浆体的裹握及浆体同钻孔壁的粘结来承受张拉力。内锚段的荷载传递路径为：锚束体浆体围岩体。当锚索材料、岩体条件、混凝土锚墩强度确定并满足设计要求时，岩体锚索承载力的发挥主要受控于内锚段锚束体与浆体界面及浆体与岩体界面上的剪应力，及一定内锚段长度上的剪应力大小及分布。1） 锚束体与浆体间的剪应力 锚索一旦承载，其锚束与浆体间的结合(粘结)作用就得以发挥，但在两者发生一定的相对位移时，这种有效结合就会遭到破坏，锚束体与侧限浆体之间的剪应力主要由两者间的摩擦作用产生，并随浆体的膨胀而增大，增大锚束体表面的粗糙度就增大了一部分浆体的剪切强度。由于锚索是相当长的弹性构件，相对浆体其位移量是沿内锚段长度变化的，位移很小的地方，剪应力主要是粘着力，在一般工作荷载下，这种粘着力通常发生在锚固段内端(顶端)，而在锚固段外端(近自由端)，由于锚索的弹性伸长，相对浆体产生一定位移，两者间将产生摩擦与机械连锁效应。一般说来，随着施加荷载的增加，结合应力的最大值移向锚索内端，以渐进方式转移并改变其在内锚段长度上的分布，当内锚段全长都发挥了最大结合粘着力时，两者间就会发生相对位移，进而发挥摩擦阻力。锚束体与浆体间的剪应力包括 以下3 个方面的因素： 粘结力：当发生剪切作用时，锚束体与浆体界面间的物理粘着力就成为基本的抗力；当锚束与浆体间产生相对滑移时，这种力就消失; 机械嵌固力：由于锚束体钢材表面存在肋节、螺纹和皱曲等，使得锚束体与浆体之间形成机械式连锁，这种力与粘着力一起发挥作用; 枣核状内锚固段受力时，注浆体部分被锚束体夹紧。当锚束与浆体间产生相对位移时，两者接触面产生摩擦力，其大小与夹紧力及材料表面粗糙度成函数关系。2) 浆体与岩体界面间的剪应力 锚束体负载时，从浆体到围岩体的应力转移往往以径向应力和剪应力的形式出现，浆体与围岩体的剥离现象极可能出现在荷载水平接近极限值时。一般来说，锚孔的粗糙度和围岩的强度控制着破后面，具体取决于浆体和地层岩体的相对强度。当地层为硬岩时，破坏主要出现在浆体与岩石交界面，甚至于浆体中；若为软岩，则破坏面往往会进入地层一定深度。通常情况下，破后面多出现在两者的交界面上。浆体与围岩间剪应力作用原理与锚束与浆体界面上的作用类似，主要包括以下 3 个方面因素： 粘结力，即浆体与岩体界面间的粘着力； 嵌固力，即由于孔壁粗糙而形成浆体与围岩在起伏面处的嵌固力； 摩擦力，即由于受拉剪(拉力型内锚固段)作用产生剪切滑移与浆体膨胀，在破坏面上产生摩擦力。3) 预应力锚索内锚固段锚束体与浆体界面剪应力分布弹性解 该剪应力分布弹性解得建立是基于理想弹塑性荷载传递模型，如下图1.2所示：图1.2理想弾塑性荷载传递模型图中为界面摩阻刚度系数，标志着剪应力发挥的强弱，其大小不但与锚固层界面的物理力学性质有关，还取决于钢绞线表面的粗糙程度、灌浆压力和灌浆次数等因素。此模型反映了注浆体与钢绞线之间的剪应力与剪切位移之间的函数关系，比较清晰地反映出两者之间的实际应力情况，同时该模型简单明了，函数关系清晰，应用方便。其不足之处就是没有反映出注浆体与钢绞线之间发生真实破坏时的应力情况，但对于研究弹塑性状态下，即两者之间未发生破坏时的锚固机制，此模型是比较合理的。图1.3是预应力锚索锚固段受力分析示意图。其中为锚固段， F为拉拔荷载。建立坐标：由锚固段始端为原点O，指向孔底方向为正方向。锚固段界面采用理想弹塑性模型模拟，锚索达到极限承载力之前，锚固段界面处于弹性工作状态。图1.3锚索锚固段计算简图 根据共同变形理论，锚固段单元体在拉拔荷载作用下，锚固段的轴力应该和摩阻力平衡，可列出平衡方程为： （1.3）该方程是二阶齐次常微分方程，其通解为： （1.4）式中： 钢绞线的弹性模量； 钢绞线的横截面积； 钢绞线的轴向刚度，令=考虑边界条件：当时： (1.5) 时： （1.5）可求出式(1.4)中的两个微积分常数为： (1.6)把式（1.7）带入式（1.4）中可得到钢绞线位移表达式为： （1.7）界面剪应力 的分布规律为： （1.8）由虎克定律可得到锚固体内轴力计算公式为： （1.9）将式(1.8)带入式(1.10)可得锚固段轴力的计算公式为： （1.10）3）预应力锚索内锚固段浆体与孔壁界面剪应力分布弹性解 预应力锚索从结构上可分为锚固段和自由段两部分。锚固段由于离岩(土)体表面较远，在受力分析上可认为是位于无限体中，不受表面边界的影响。在无限体内部一点O受集中力P 的作用，如图4所示，这个问题称为Kelvin问题。图1.4Kelvin问题计算简图该问题沿方向的位移为： （1.11）式中： 岩体的泊松比； ； G岩体的剪切模量。根据荷载-位移互等定理，在O点集中力P 产生的m 点的位移等于m 点集中力P 产生的O点的位移。同时，取锚固体与z 轴重合，这时 x = y=0，因此，在锚固段任意一点 z 处，集中力P 产生的锚固外端O点的位移为 （1.12）根据微单元体的受力平衡可知: （1.13）式中： 锚固半径（mm）； 粘结应力（Mpa）。假设锚固段从锚固外端O开始具有足够长度，而锚固段与岩体的变形都处于弹性状态，两者的变形满足变形协调条件。在集中力P 作用下，锚固段沿z 轴对岩体产生的剪应力为(z)，则(z) 引起的锚固外端 O 点的位移可写成： (1.14)(锚固段的总伸长量为: (1.15)因为锚固段和岩体的变形都处于弹性状态，两者的变形满足变形协调条件，故有，即: (1.16)将式(1.17)两边对 z 求3次导数，并经过化简可得二阶变系数齐次常微分方程为: (1.17)利用边界条件解得锚固段注浆体-孔壁界面剪应力分布为： （1.18）对式（1.19）进行积分可得到锚固体的轴力分布函数为： （1.19）1.2现浇钢筋混凝土格构锚固加固理论现浇钢筋混凝土格构梁的型式可分为方型、菱型、人字型或弧型四种,实际使用中多采用方型格构梁。目前对于格构锚固措施中的锚杆(索)的设计同单纯的锚杆(预应力锚索)支挡加固措施相同,采用理论计算的方法,即在测得岩体和支护结构力学参数的前提下,根据岩土体力学特征建立数学模型,计算确定支护参数。但是对于格构梁的受力计算,却存在多种计算方法,可分为解析解法和数值解法两类。解析解方法有:文克尔弹性地基梁法、倒梁法、简支梁或连续梁法;数值解方法有:矩阵法、差分法。现分别作简要介绍。1.2.1 文克尔弹性地基梁法许英姿、唐辉明等人采用此种格构锚固计算方法,认为:格构梁受锚固力的作用压在坡面上,使坡面对梁产生反作用力,格构梁可视为作用于地基上的梁,梁受到若干锚固力和基底反力的作用。为了简化计算,提出两点假定:(1) 假定纵梁刚度远大于横梁,可仅考虑纵梁对荷载的传递作用；(2) 定钢筋砼梁为弹性材料,锚索预应力作为集中力作用在格构梁上。对坡面土体模型采用文克尔地基模型,将格构梁视为弹性梁。将弹性地基梁按照其特征长度可以分为无限长梁、半无限长梁和有限长梁,建立边界条件,求解微分方程推导出文克尔地基上弹性地基梁的解析解。1.2.2倒梁法格构梁内力计算中的倒梁法主要引用柱下条形基础的计算方法。有以下假定:(1) 假定格构梁的基底反力为直线分布;(2) 假定锚杆(索)为固定铰支座。在此前提下,以基底净反力作为荷载,将格构梁看作倒置的连续梁进行内力的计算。当计算所得的支座反力与锚杆(索)的力不相等时,可采用逐次渐进的方法调整基底反力,即将支座处的不平衡均匀分布在支座附近的1/3跨度范围内,然后再进行连续梁分析,可反复多次,直到支座反力接近锚杆(索)作用于节点的荷载为止。 1.2.3 有限差分法 吴荣燕、吕小平等人将有限差分法引入格构梁的计算中。有限差分法是一种数学上的近似,用有限差分法求解格构梁的挠度和内力,就是用差分方程代替微分方程和边界条件,把微分方程的求解变为线性代数方程组的求解。将格构梁看作是文克尔地基上的弹性梁。以梁的挠度为X未知量用差分法求解梁的微分方程,通过求出各结点的挠度,从而求得各结点的内力值。由差分的基本原理可推得节点的差分方程,根据此差分方程的形式对每个节点都建立一个差分方程,组成一个多维的线性方程组。求解该方程组,可得各节点的挠度。再利用内力与挠度的关系,即可求得各结点的内力值。根据弹性框架梁差分计算方法,建立靠边界结点的差分方程时,要用到边界外虚结点的未知挠度。如果梁系的边界是固支边或简支边,则可利用边界条件,把边界外一行虚结点的挠度及附近结点的挠度表示。如果是自由边,则可利用边界条件M=V=0求出虚结点挠度和边界内结点挠度的关系。对该加固方法的建立的理论尽管有很多，但都不是很符合实际，都有很大的缺陷，所以必须不断努力，通过大量的实验和实际工程来逐渐完善理论，这样才能促进该方法的发展的知道施工。2边坡加固方法简介 边坡因所处的地质条件不同，水文条件的差异和本身的物理力学性能的差别，其表现出不同的工程特性也具备不同的安全系数。在对边坡进行治理和加固时，一定要考虑其独有的特点，采取不同的加固措施，因地制宜综合治理，这样才能取得比较好的效果。下面就介绍几种常用的有效的加固方法。2.1工程支挡措施最常用的方法有：重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式挡墙、板肋式或格构式锚杆挡墙支护、排桩式锚杆挡墙支护、岩石喷锚支护、坡率法等。一下介绍其中的几种。2.1.1重力式挡墙 重力式挡土墙依靠墙身自重支撑土压力来维持其稳定。一般多用片（块）石砌筑，在缺乏石料的地区有时也用混凝土修建。重力式挡土墙圬工量较大，但其形式简单，施工方便，可就地取材，适应性较强，故被广泛采用。图2.1.重力式挡墙为适应不同地形、地质条件及经济要求，重力式挡土墙具有多种墙背形式。其中墙背为直线的形式是普通重力式挡土墙，其断面形式最简单，土压力计算简便。带衡重台的挡土墙，称为衡重式挡土墙，其主要稳定条件仍凭借于墙身自重，但由于衡重台上填土的重量使全墙重心后移，增加了强身的稳定。 2.1.2扶壁式挡墙扶壁式挡土墙指的是沿悬臂式挡土墙的立臂，每隔一定距离加一道扶壁，将立壁与踵板连接起来的挡土墙。 扶壁式挡土墙是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，其主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好的发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的低级。一般在较高的填方路段采用来稳定路堤，以减少土石方工程量和占地面积。扶壁式挡土墙，断面尺寸较小，踵板上的土体重力可有效地抵抗倾覆和滑移，竖板和扶壁共同承受土压力产生的弯矩和剪力，相对悬臂式挡土墙受力好。适用 612m 高的填方边坡，可有效地防止填方边坡的滑动。图2.2扶壁式挡墙2.1.3锚杆（索）挡墙锚杆（索）挡土墙支护结构一般是由锚杆（索）、肋柱（立柱或格构梁）和挡板等组成。根据结构形式的不同，锚杆挡墙可分为板肋式锚杆挡墙、格构式锚杆挡墙和排桩式锚杆挡墙（此时立柱为桩）。如下图所示：图2.3锚索挡墙锚杆（索）上下排垂直间距不小于 2.5m，水平间距不小于 2m；当垂直间距小于 2.5m 或水平间距小于 2m 或锚固段岩土层稳定性较差时，锚杆（索）采用长短相间的方式进行布置。第一排锚杆（索）锚固体上覆土层的厚度不小于 4m，上覆岩层的厚度不小于 2m。第一锚点位置可设于坡顶下 1.52m 处。锚杆的倾角宜为 1035。锚杆布置尽量与边坡走向垂直，并与结构面呈较大倾角相交。立柱位于土层时在立柱底部附近设置锚杆（索）。对岩质边坡，泄水孔优先设置与裂隙发育、渗水严重的部位。泄水孔边长或直径不小于 100mm，外倾坡度不小于 5%，间距为 23m，梅花形布置。最下一排泄水孔高于地面或排水沟底面 200mm 以上。在泄水孔进水侧设置反滤层或反滤包。反滤层厚度不小于 500mm，反滤包尺寸不小于 500mm500mm500mm。反滤层顶部和底部厚度不小于 300mm 的黏土隔水层。坡脚设排水沟，坡顶潜在滑塌区后缘设置截水沟。坡顶设护栏。2.2液压喷播植草防护液压喷播植草护坡防护是随着人们绿色环保意识的日益提高，以及边坡防护新技术、新材料、新工艺的不断研制、开发，在国内十多年开发的一项集机械、化学、生物，土壤学为一体的土质边坡裸地强制绿化施工新技术。液压喷播植草技术是利用液态播种原理，将试验确认适用、生命力强、且能满足各种绿化功能的植物种子经科学处理后与肥料、防土壤侵蚀剂、内覆纤维材料、保水剂、色素及水等按一定比例放入混料灌内，通过搅拌器将混合液搅拌至全悬浮状后，利用离心泵把混合液导入消防软管，经盆腔喷播在欲建边坡裸地，形成均匀覆盖层保护下的草种层。利用混合液中的纤维、防土壤侵蚀剂所形成的半渗透覆盖层和外铺无纺布覆盖层的防护作用，保证植物种子遇刮风、降雨不流失，创造植物种子的适生初始条件。植物具有截流作用及植物发达根系的固土作用和水分渗入土壤的引导作用，减少和减缓地表径流量和流速，达到持久防止表土侵蚀、涵养水源、恢复生态植被的目的。2.3土工网植草护坡土工网垫护坡是指利用活性植物并结合土工合成材料等工程材料，在坡面构建一个具有自身生长能力的防护系统，通过植物的生长对边坡进行加固的一门新技术。根据边坡地形地貌、土质和区域气候的特点，在边坡表面覆盖一层土工合成材料并按一定的组合与间距种植多种植物。通过植物的生长活动达到根系加筋、茎叶防冲蚀的目的，经过生态护坡技术处理，可在坡面形成茂密的植被覆盖，在表土层形成盘根错节的根系，有效抑制暴雨径流对边坡的侵蚀，增加土体的抗剪强度，减小孔隙水压力和土体自重力，从而大幅度提高边坡的稳定性和抗冲刷能力。图2.4土工网垫护坡在选择边坡加固措施前，要详细调查地形、地质和水文条件，认真研究和确定滑坡的类型及发展的阶段，认真研究和确定滑坡的类型及发展的阶段，分析形成滑坡的主、次因素及彼此的联系，结合工程的重要程度、施工条件、工程防治的难易，投资多少等情况综合考虑。边坡防护措施的选择还要兼顾改善生态环境、保持水土等。大型滑坡在支护的基础上，采取排水、减重等综合措施，提高边坡的整体和局部的稳定性。3 对重庆某边坡进行稳定性分析通过对边坡所在区域的现场地质调查，并结合所在区边坡地形地貌、地层结构、变形特征等，对要研究的高陡边坡进行符合工程实际的稳定性计算并评价，为下文的工程治理方案的选取提供依据。3.1 工程概况基坑边坡所在地块面积约 0.033K m2，设计地坪标高00=230.00m，地下室设计底标高=172.400m，结合环境设计标高，基坑边坡高度 19.057.6m，场地北侧为已建市政道路；东侧为在建轨道交通六号线一期大剧院站；南侧为已建江北城B9 市政道路；西侧为施工区域。3.2 场地工程地质条件 3.1.1地形地貌边坡区位于嘉陵江左岸，地貌属侵蚀、堆积河流岸坡地貌。拟建场地位于一原始斜坡地形中部，原始斜坡地形南略低、北高，原始斜坡总体倾向约 175，斜坡倾角约 2030，场地原始地面高程约 196234m。因地处主城区，人类活动频繁，原始地形面貌已不存在，现拟建场地标高为 194230m。场地北侧为已建市政道路；东侧为在建轨道交通六号线一期大剧院站；南侧为已建江北城 B9 市政道路；西侧为施工区域。 3.1.2地层岩性 勘察区出露的地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层(Q4ml)、残坡积层(Q4el+dl)和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层。 3.2.2地质构造 拟建区属重庆向斜轴部西翼近轴部，岩层受构造影响较大，岩体中构造裂隙较发育，岩层倾向约 180190，优势面倾向为 183，岩层倾角 3240，由西向东逐渐趋缓，优势面倾角为 38，层面结合很差。根据场地基岩露头地质测绘调查，基岩内裂隙发育程度为较发育，岩体呈块状结构。场地中有两组裂隙存在：J1：倾向 300320，优势面倾向 310；倾角 4065，优势面倾角 40；延伸 810m，裂缝宽 23mm，局部达 1015mm，无充填，裂面粗糙，裂隙间距 58m/条，结合程度一般，为硬性结构面。J2：倾向 270295，优势面倾向 280；倾角 5570，优势面倾角 55；裂缝宽 25mm，延伸 1520m，裂面平直，多为粘性土充填，裂面粗糙，裂隙间距 810m/条，结合程度差，为硬性结构面。 3.2.3水文地质条件本次勘察的建筑场地位于斜坡上，周围无地表水体，场地地下水按含水层性质可分为两类，即基岩裂隙水和松散层孔隙水：.基岩裂隙水：场地内基岩为砂岩、砂质泥岩互层，基岩裂隙水分布于砂岩裂隙及风化裂隙、构造裂隙中；.松散层孔隙水：第四系土层中含有较多的粗颗粒，属于透水层，场地地下水来源主要是大气降水，位于斜坡上，储水条件差，场地内于基岩面之上局部有少量上层滞水赋存，受季节影响较大。3.2.4 不良地质现象拟建区内无滑坡、崩塌、危岩、软弱夹层、地面塌陷等不良地质与特殊地质现象。在场地内西侧分布有人防洞室，洞顶高程 191210m，洞底高程187207m，洞高 2.34.0m，洞室未衬砌，围岩为砂岩。洞室主要顺斜坡走向延伸，延伸长度约 2050m。由于本次场地基坑将挖至高程 173.4m，洞室在本拟建场地建设中大部分被挖掉，对基础无影响，但是施工开挖过程应注意。3.3 坡稳定性分析与评价通过对治理区域的现场地质调查，并结合治理区边坡地形地貌、地层结构、变形特征等，对要研究的高陡边坡进行符合工程实际的稳定性计算并评价，为下文的工程治理方案的选取提供依据。3.3.1 边坡加固前的稳定性分析3.1.1.1 边坡变形破坏情况及模式预测根据前期工程的钻探、槽探以及现场地质调查等工程勘查资料，并结合拟建基坑边坡区边坡地形地貌、地层结构、变形特征等综合分析，预测所治理区域边坡可能的失稳破坏模式。下部泥岩和泥灰岩基岩体节理裂隙较发育，存在不利节理裂隙结构面切割基岩体，基岩地层具有块体沿节理裂隙面产生滑移破坏的可能；沿上部第四系粉质粘土内部发生局部的圆弧形滑动破坏；沿泥岩和泥灰岩岩体的接触面发生整体式折线形滑动破坏；地形坡向与岩层倾向基本一致会产生滑动破坏。3.3.2 边坡稳定性计算3.3.2.1 计算模型选取最危险的1-1截面进行计算，若该截面稳定性满足要求，则其他截面安全性也有保障。图3.1计算截面图（1） 裂隙岩体滑移破坏 裂隙岩体稳定性通常采用赤平极射投影法计算，其基本原理为：首先利用一个球体作为投影工具并通过球心作一赤道投影面，然后将球面上的任一点、线、面以下极或上极为发射点投影到赤平面，利用赤平极射投影可以把已知边坡的坡面线段与结构面产状反映到赤平面上来，进而可确定出它们之间的夹角、交线以及空间组合关系，最后根据投影面上结构面交点与边坡面投影弧相对位置可判定裂隙岩体稳定性状况。 （2）圆弧滑移破坏图3.2圆弧滑移破坏图 瑞典圆弧滑动面条分法，是将假定滑动面以上的土体分成n个垂直土条，对作用于各土条上的力进行力和力矩平衡分析，求出在极限平衡状态下土体稳定的安全系数。该法由于忽略土条之间的相互作用力的影响，因此是条分法中最简单的一种方法。 瑞典条分法求稳定系数（3.1）其中：ci该分条的粘聚力 li该分条地面长度 fi该分条的摩擦系数 Wi该分条的重量 i该分条底面与水平面的夹角 3.3.2.2 计算结果 （1）基岩裂隙岩体滑移破坏根据基坑边坡的地质调查与测绘资料，利用赤平极射投影原理绘制赤平极射投影图，如图 3.3 所示。 图3.3.赤平极射投影图结构面以及产状的详细参数见表3.1.表3.1结构面及产状参数结构面 产状倾向（度）倾角(度)坡向/岩层倾向1801903240裂隙隙L22702955570从该区边坡的赤平极射投影图分析可知：该区域典型边坡两组主要节理裂隙交汇于赤平投影图中的位置与边坡坡面的投影弧处在不同侧，且节理裂隙组合交线向坡内倾斜，边坡处于稳定状态。（2） 圆弧滑移破坏根据现场情况，对边坡进行一定的削坡处理后，采用圆弧滑移破坏模式计算公式（3.1），在天然状态下的圆弧滑移稳定性分别进行分析计算，计算简图如图 3.4 所示，计算参数如表 3.2 和3.3所示。图3.4边坡圆弧滑移计算简图表3.2计算岩层的物理参数 岩层号 重度(km/)粘聚力（kpa）内摩角（度）砂质泥岩 26.5 74833.10表3.3边坡计算系数sin0.18350.34380.49070.58250.73570.82570.93940.98461cos0.98180.93750.86610.76420.64310.50040.34260.17930.000796.383.472.663.851.349.531.419.610.8根据以上稳定性分析计算结果，边坡稳定系数计算结果如表 3.4所示。表 3.4 边坡稳定性计算结果破坏形式圆弧滑移破坏 赤平极射投影稳定系数K 1.47 稳定 通过分析知，该基坑边坡属于一级边坡，根据建筑边坡工程技术规范GB50330-2002中关于边坡安全系数的规定，该边坡稳定性满足要求。关于边坡安全系数的规定如下图所示：图3.5.边坡安全系数规范图3.3.2.2 边坡稳定性评价及危害性预测根据稳定性分析计算结果，并结合各边坡地形地貌、地层结构、岩土特性以及各边坡体已发生的变形破坏特征等综合分析，对边坡的稳定性综合评价如下。该基坑边坡下部的砂质泥岩为软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为 IV 级。砂岩主要分布于场地表层为场区内的主要岩层，主要位于砂质泥岩之上，根据土、石可挖性分级标准，该层土为次坚石，土石等级为级。砂岩属较软岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为 IV 级。拟建区岩层存在两组节理裂隙J1和J2，通过赤平极射投影法画出它们和岩层坡面的相对位置关系，通过理正软件分析可得，该两组裂隙对坡体的稳定性影响不大，坡面处于稳定状态；接着根据圆弧滑移破坏模式对边坡进行稳定性分析，可得其稳定系数满足规范的要求，基坑边坡处于稳定状态。但是边坡的开挖势必会扰动原有岩体的稳定性，若其外部环境条件不发生较大变化的条件下（如边坡体地下水位上升影响等），预测未来该基岩地层总体上仍处于稳定状态，其坡面上目前已存在的风化仍会持续发生，若不进行工程整治，势必会影响到边坡出露基岩地层的整体稳定性以及诱发上部第四系粉质粘土和强风化砂岩和砂质泥岩地层产生更大规模的变形与开裂破坏。上部第四系粉质粘土和强风化泥岩和泥灰岩地层目前总体上处于不稳定状态，预测未来该第四系地层总体上仍处于不稳定状态，特别在饱水状态下上部土质边坡总体上基处于极限平衡状态，即当边遇降雨、冰胀、爆破、振动等不利外部因素作时，极有可能发生较大规模牵引式滑动失稳破坏，进而发产生更大规模的滑动失破坏，直接施工区域的安全构成严重威胁。因此，必须对边坡进行综合工程整治，以高其安全稳定性系数，同时坡面进行防护处理，以避免边坡岩土体由于不断风化、雨水冲刷等所产生的渐进式局部破坏。3.3.3边坡加固前稳定性的数值模拟分析3.3.3.1 FLAC3d软件简介FLAC3d软件是由Itasca公司研发的一款连续介质力学分析软件，它的基本分析原理是源于流体力学的拉格朗日差分法。FLAC3d软件包含11种材料本构摸型、5种计算模式和多种单元形式及边界条件，可以模拟岩土体的多种施工工况，在实际工程中运用相对广泛，其计算特征主要包括以下几个方面:(1)、采用混合离散法，所有的应力、应变等变量均在网格划分后的四面体上进行，而六面体单元上的变量可通过加权平均计算得到，采用此法来模拟土体材料的塑性破坏和塑性流动，比有限元法中的“离散集成法”更加合理；(2)、采用显示有限差分法，无论是非线性本构关系还是线性本构关系，其实质上并无差别，只需根据已知的应变增量就可以很方便的求出应力增量和不平衡力，无需形成刚度矩阵，也无需推导大变形本构模型；(3)、采用动态松弛法，无论是动态系统还是静态系统，Flac3d软件均采用动态运动方程进行求解，在求解过程中通过增加阻尼力来使系统运动衰减至平衡状态，采用此法在处理不稳定问题时不会遇到数值上的障碍。采用FLAC3d软件对土体进行摸拟，一般需要进行原始平衡和工况模拟两个步骤，然后按照是否需要参数研究而进行下一步分析，其计算流程图如图所示。 图3.6FLAC3d计算流程图原始平衡分析包括三个部分:网格的生成，本构关系、材料特性的选取，边界条件、初始条件的指定。网格的生成可采用软件内置的网格生成器，也可通过专业建模软件转换获得。本构关系和材料特性是用来表征模型在外力作用下的力学响应特性，对计算结果有很大影响，所以需要严格按照当地土质条件选取合适的模型和材料参数。边界条件分为真实边界和人为边界，真实边界用于模拟真实存在的边界条件，而人为边界是为了封闭单元体计算而不得不作出的假定。初始条件是为了构造模型原始应力状态而设置的条件，由于原始应力状态受地质构造等多种因素的影响，所以在理想情况下，原始应力信息需要来自于大面积测定，但是这个往往很难实现，所以我们通过设定模型的初试条件来实现摸型的原始平衡。进行完原始平衡分析，将模型的位移和速度置0，以保证模型与实际边坡一致，然后再改变相应的参数和边界条件进行工况模拟。3.3.3.2 有限元强度折减法（3.1）强度折减法定义为：在外荷载不变的情况下，边坡内土体所能提供的最大抗剪应力与抵御外荷载所发挥最低抗剪强度即按照实际强度指标折减后所确定的实际中得以发挥的抗剪强度相等。当假定边坡内所有土体抗剪强度的发挥程度相同时，这种抗剪强度折减系数相当于传统意义上的边坡整体稳定安全系数 FS，又称强度储备安全系数，这与极限平衡法中稳定安全系数的概念是一致的。折减后抗剪强度参数分别表达为： （3.2）在数值分析中,折减系数 的初始值应当取得足够小,以保证开始时是一个弹性问题.其次不断增加 的值,折减后的抗剪强度指标逐步减小,并反复进行分析。部分单元首先开始屈服,在单元之间应力重新分配,土体中出现局部失稳并且逐渐发展；直到某一临界状态,在虚拟的折减抗剪强度下整个土坡发生失稳.那么在发生整体失稳之前的那个折减系数值,即土体的实际抗剪强度指标与发生虚拟破坏时折减强度指标的比值,即为该土坡的稳定安全系数。图3.7强度折减法示意图3.3.3.3数值计算分析数值分析剖面采用平面应变模型，据边坡场地实际情况选取沿坡向与上述极限平衡状态相同的截面1-1，以便于对边坡岩土体内的应力分布及位移情况进行逐段分析，并与极限平衡法结果进行对比分析来研究边坡岩体的稳定性。图3.8计算剖面有限差分网格根据所提供的勘察报告，确定岩层的各项的物理力学参数如下表所示：表3.5 岩层的物理力学参数 岩层号重度(km/)粘聚力（） 内摩擦角（度）砂质泥岩 26.5 748 33.10将以上的参数输入软件中并运行命令流，可得运算结果，其安全系数为=1.24。3.4 边坡稳定性综合评价由以上对该边坡稳定性进行极限平衡分析及数值分析的结果，可以得出如下有关边坡稳定性问题的综合评价结论。 在对边坡进行简化分析后，极限平衡稳定性分析表明，边坡岩体在现有条件下的安全系数满足规范要求，但是安全储备较小。不排除边坡在降雨、施工振动等不利条件下有发生失稳破坏的可能。 通过数值计算发现，该岩石坡段坡脚和直立边坡与自然边坡交界处存在小范围的大、小主应力集中，应进行一定的加固处理。边坡在现有条件下，其变形量级较小，对边坡整体稳定性不构成威胁。所以，数值计算结果与极限平衡法分析结论基本相符。 该基坑边坡虽然现状稳定，但它并非是一个静态系统，而是随着施工工程的推进不断变化的，所以对其加固处理是必要的。在加固设计处理中，以下几个方面应当重点考虑。第一，坡脚和交界处是边坡比较薄弱的部位，对其应采取重点加固处理；第二，边坡失稳很多情况下都与水的作用有关，根据勘察报告，场地地下水贫乏，受季节影响较大，水文地质条件简单，但不可忽略大气降水的影响。在雨季来临之前应该做好防排水设施；第三，该岩质边坡高度较大，应及时做好防护，不可冒进。4 边坡加固措施4.1边坡加固处理措施如果稳定分析结果表明基坑边坡的安全系数达不到规定的要求，可采取不同的加固措施提高边坡的稳定性和安全度。目前可供采用的边坡加固措施很多，但归纳起来主要有如下几类：减载措施，排水与截水措施，锚固措施，混凝土抗剪结构措施，支挡措施，压坡措施等。锚固措施锚固措施包括预应力锚固和非预应力锚固两种，前者是一种主动加固，后者是一种被动加固。预应力锚固是采用预应力锚索、锚扦或钢丝对岩体进行加固，通过对可能失稳的岩体主动施加压力，提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力(通过提供正压力、反向力实现)，从而实现提高边坡的抗滑稳定安全度。非预应力锚固是采用砂浆锚杆、树脂锚杆等对边坡岩体进行加固，通过提高滑动面上的抗剪参数和阻滑力(通过提高抗剪力实现)来实现提高边坡的抗滑稳定安全度。在预应力锚固措施中，预应力锚索的应用最为广泛，其主要的特点是施工方便快捷、占用场地少和加固效果好。预应力锚索种类按灌浆次数可划分为两次灌浆全长粘结式和一次灌浆双层保护自由式两种.在国外一次灌浆双层保护自由式应用较为普遍，国内仍以两次灌浆全长粘结式为主。混凝土抗剪结构措施混凝土抗剪结构措施包括在岩(土)体内打抗滑桩等，是一种被动加固。在边坡滑体滑面位置比较明确的情况下，可采用混凝土抗剪结构措施。抗滑桩的使用条件不尽相同：边坡滑体的规模不大时可采用抗滑桩，一般来讲断面尺寸不大，提供的阻滑力有限。从施工质量方面讲，由于抗滑桩为垂直开挖，可保证混凝土和周围岩体紧密结合。支挡措施支挡措施包括挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土、挡土墙和混凝土护面等，是一种被动加固，是从外部解决边坡滑体的稳定问题。挂钢筋网、喷混凝土或喷钢纤维混凝土的作用是覆盖边坡岩体表面、支撑岩体，除喷钢纤维混凝土极少采用外(小浪底工程进口高边坡上得到了应用)，其它几项在边坡工程中应用非常普遍。边坡工程中混凝土护面用得较多，其主要作用是封闭表面，防止雨水下渗和表面岩体风化，同时兼有对边坡滑体的支挡作用。挡土墙的主要作用是防止边坡表面坍塌造成的危害，一般用在受用地或已有结构物限制的部位。挡土墙在公路和铁路边坡的处理中用得十分普遍。其他措施在滑坡防治工程实践中，工程师们认识到预防工程滑坡的重要性.在特殊岩土或岩土体存在不利于坡体稳定的结构层(面)的地段，应设置预加固工程以防止工程滑坡的产生，采取先加固再开挖、边加固边开挖。避免滑坡发生后再进行整治。提出了分层稳定和坡脚预加固的新概念。4.2 本边坡的加固方案比选 本基坑边坡的特点是高度大，垂直开