工程前沿案例作业.docx
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工程前沿案例作业
中国地质大学
研究生课程作业
课程名称工程前沿案例
教师姓名
研究生姓名
研究生学号
研究生专业地质工程
所在院系工程学院
类别:
硕士
日期:
2016年4月
评语
对课程论文的评语:
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课程论文成绩：
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注：
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巴东县西壤坡新城区沿江路小商品滑坡抗滑桩治理设计
摘要：
滑坡是自然界中常见的一种工程地质病害，一旦发生，将给人类带来较大影响，轻者摧毁农田，堵塞河流，重者直接威胁着人畜的生命财产安全。
本文以巴东县西壤坡新城区沿江路小商品滑坡为研究对象，通过资料收集、野外勘探、室内试验等手段查明了滑坡的基本特征、产生原因及形成机理等，进而对其进行了稳定性计算和评价、滑坡推力计算、抗滑桩设计计算，给出该滑坡抗滑桩具体设计治理方案。
关键字：
滑坡；治理设计；抗滑桩；弯矩；剪力
1.引言
在山区修建高速公路，遇到的主要地质灾害即为滑坡，滑坡会直接损坏路基、桥梁及隧道，造成交通瘫痪、重大经济损失和人员伤害。
因此，对于山区高速公路滑坡的治理必须予以足够重视，必须要对影响工程而又无法避让的滑坡进行勘察设计。
本文给出了该公路段的滑坡的治理的具体措施，并得出了结论。
2.国内外滑坡研究现状
2.1滑坡研究及治理的现状
滑坡是斜坡上的岩土体在重力作用下沿某一贯通面整体向下移动，造成坡体失稳的现象。
根据滑体物质组成和结构形式等因素，可将滑坡分为堆积层滑坡、岩质滑坡、变形体；也可按滑坡体厚度、规模、运动方式、稳定程度、形成原因和年代等因素来分类，以便于认识、判断和治理。
边坡稳定性研究在理论和工程实践上均是重要研究课题。
我国发生的大量滑坡不但丰富了滑坡工程实践内容，而且推动了滑坡稳定性研究进程。
几十年来，我国在滑坡研究方面取得了显著成就。
我国从1950年后才逐渐展开了对滑坡较为全面的研究工作，其经历主要分为三个阶段：
第一阶段：
二十世纪五十年代初，我国开始大规模发展各种建设工程，由于对滑坡认识不深，造成大量的工程滑坡事故，然后被动治理，既误工期又伤财，在被动治理大量滑坡的过程中逐步开始了滑坡的防治研究。
六十年代初开始，吸取了以往的经验教训，开始采用避让的办法，尽可能躲开大滑坡及滑坡群，但对滑坡的运动机理认识还不深。
第二阶段：
二十世纪六十年代中期开始，人们开始研究滑坡的分布、类型、运动机理等来预防滑坡灾害，并从单一滑坡研究转向滑坡群和分布规律的研究。
我国铁道部门和其他单位对滑坡影响因素、滑坡形成条件、滑带土抗剪强度以及大中型滑坡治理措施进行了专题研究，对滑坡灾害的有效工程治理措施和防治原则进行了系统性的研究，总结出滑坡稳定性的判断方法，变被动治理为主动治理和提前预防，建立了一个较为完善的理论系统，为滑坡治理提供了依据。
第三阶段：
二十世纪八十年代至今，随着我国城市、交通、矿山等行业的高速发展，我国滑坡研究亦蓬勃发展，在滑坡理论实践和测试评价方面都有很大的提高，对滑坡灾害的影响更加重视。
对于工程项目中可能遇到的滑坡提前调查评估，尽可能避开危害及规模较大的滑坡，将损失和危害降到最低。
滑坡灾害综合预测和防治进一步深化，开始对滑坡的发生时间定量预测预报，对危害大的滑坡深入研究，同时兼顾大自然环境保护和可持续发展，滑坡治理向滑坡预防预报全面转型。
近年来，国际上的滑坡研究成果主要表现在滑坡灾害风险评估与地理信息系统技术。
很多研究人员将滑坡灾害和风险评估方法、区域制图技术作为研究重点，这表明滑坡地质灾害的研究方向由灾害评估向管理发展。
M.Michael-Leib等研究人员把地理信息系统（GeographicInformationSystem）作为技术平台，把滑坡灾害的危险性、易损性和风险性评价作为一个整体来研究。
采用二维和三维相结合的评价方法，对凯恩斯地区不稳定斜坡的地质灾害进行了危险性和风险性的评价研究，这一成果已经实现了与网络技术相结合，成为国际上滑坡灾害及风险区划制图技术应用的最前沿水平和发展风向标。
国外很多报告和论文，对于滑坡机理以现场监测和室内外试验两方面相结合作为研究重点，研究了滑带土的孔隙水压力变化对滑坡活动机理的影响。
非饱和土力学的理论原理和计算方法开始初步应用到边坡稳定性分析中[2]。
欧洲学者开始了基于地理信息系统（GeographicInformationSystem）的边坡水文稳定性模型（StabilityHydrologicModel）结合大气环流模型（GeneralCirculationModel）来研究气候变化与边坡稳定性的相互关系。
在很多情况下，气候因素会影响地下水升降与孔隙水压力增减，进而引起边坡失稳致使滑坡发生。
现代工业大量排放CO2造成的全球变暖，尤其是降水的形式和气压的变化，对未来滑坡活动产生的影响越来越大。
我国是一个滑坡灾害非常严重的国家，滑坡治理成为一项投资巨大、技术复杂、施工危险而艰巨的抗灾工程，国家在滑坡防治工作方面耗费了大量的人力、物力和财力。
近十多年来，在传统防治措施的基础上开发出很多新的技术手段，但滑坡治理发展的基本思路任是各种措施的综合运用。
我国滑坡治理历程大致可分为三个阶段：
从五十年代开始，铁路工程遇到很多滑坡，我国铁路部门率先开始系统地研究和治理滑坡灾害，根据我国国情总结出一系列有效的滑坡治理原则和方法，其研究和认识滑坡方法主要有：
根据滑坡的地貌形态分析、工程地质勘察和常规土工试验。
滑坡防治方法主要为绕避、支挡、排水、减重反压等综合措施，为滑坡治理奠定了基础。
从六十年代开始，研究和认识滑坡方法得到更进一步发展：
滑带土残余强度研究、土体微观结构研究、模型试验研究和滑坡空间预测。
滑坡防治方法开始采用：
钻孔地下排水法、沉井挡土墙和挖孔桩等措施。
从八十年代开始，随着我国城市、交通、矿山等行业的高速发展，在实践的基础上加强了基础理论、区域性滑坡、滑坡预报方法论和新技术手段的研究。
滑坡防治方面提出新技术，不断向小型化、多样化方向发展，开始试验新型支挡工程：
刚架桩、排架抗滑桩、锚索桩、微型桩和水平钻孔及虹吸排水等措施，另外还广泛运用滑带土的改良技术。
抗滑桩在滑坡治理中仍发挥着重要作用。
由于抗滑桩是“大截面”构件，是先在滑坡体上挖孔，再放置钢筋笼或者型钢，最后浇筑混凝土而形成桩体，在浇筑过程中，由于孔壁粗糙，水泥砂浆会产生渗透，混凝土与一定范围的桩周土体产生凝结，和稳定地层紧紧粘结在一起，只要桩和地基不破坏，容许桩身出现较大位移。
抗滑桩会在下滑推力作用下，与桩周土体共同抗滑，这种桩土共同作用的效应，是其他很多支挡结构物难以相比的。
滑坡治理措施主要有：
抗滑挡土强，抗滑桩，锚固工程。
辅助措施有：
排水工程，削坡减载、反压固脚，前缘护脚等。
还可以采取绕避，岩土强度加固法，抗滑明洞，柔性防护工程等治理方法。
2.2抗滑桩的分类
建筑基础工程中承受侧向力的桩基础和抗滑桩性质完全不同，前者是直接承受垂直方向荷载并转移到土体中，故称之为“主动桩”。
而抗滑桩在支挡滑坡过程中主要承受侧向力，其荷载作用主要是由于坡体变形而引起，故称之为“被动桩”。
被动桩与岩土体之间的相互作用机理复杂，其设计计算和研究也处于探索之中。
一直到八十年代初期，国内外许多学者对抗滑桩的理论计算和设计方法进行了深入的研究，国内抗滑桩设计理论逐渐趋于完善。
虽然我国对于抗滑桩的研究及应用相比国外略晚，但在边坡治理问题的迫切需要下，通过多年的研究与技术引进，其发展过程基本上与国外同步。
八十年代以来，锚索技术开始在滑坡防治中大量使用，前景广阔。
预应力锚索是外端固定于坡面，另一端锚固在滑动面以内的稳定地层中穿过边坡滑动面的预应力钢绞线，通过直接在滑面上产生抗滑阻力，增大抗滑摩擦阻力，使结构面处于压紧状态，具有抗拉力大，对滑体扰动小，可以机械化施工等优点。
近年来，公路、水电、建筑、冶金和煤炭等部门也修建了不少抗滑桩，并在设计、计算和施工方面积累了丰富的经验，从而把抗滑桩的技术水平又向前推进了一大步。
抗滑桩根据不同的分类标准，可以有不同的类型：
按材料可分为木桩、钢桩和钢筋混凝土桩；按施工方式可分为打入桩、钻孔桩和挖孔桩；按截面形式可分为圆形桩、管型桩和矩形桩；按结构形式可分为排式单桩、承台式桩和排架桩；按桩土的相对刚度可分为弹性桩和刚性桩；按桩的埋置情况可分为悬臂式桩和全埋式桩。
对于工程中常用的抗滑桩有如下类型：
1、悬臂式抗滑桩
在我国各地山区道路施工过程中，因超挖易形成具有一定临空高度的路堑边坡，悬臂式抗滑桩是该特殊路段常见的一类边坡支挡结构。
悬臂式抗滑桩被广泛应用于削方边坡支护、斜坡填方地基加固、地质灾害治理等领域，其工作机理是大悬臂受力，用地基抗力来平衡下滑推力，但由于桩实有的抗滑力无从直接得知，只能通过假设近似计算。
悬臂式抗滑桩主要承受水平方向的外力或者自身重力作用，其荷载作用主要是由于坡体变形而引起，称之为被动桩，这不利于保护滑坡体上的建筑物。
普通悬臂抗滑桩内部受力的不合理性易造成抗滑桩的锚固段较深，另外，由于悬臂抗滑桩水平变形远小于坡体变形，容易导致桩体后侧坡体发生局部开裂。
2、锚杆抗滑桩
锚杆抗滑桩是上世纪80年代开始应用的一种新型支挡结构，它是在普通抗滑桩的顶部或者适当位置加设锚杆，为抗滑桩增加一个变形约束，使抗滑桩的受力变为主动受力，改善抗滑桩的受力状态，使其工作状态为近似简支梁或超静定结构，具有较小桩身截面，较短抗滑桩悬臂部分长度，和较大抵抗力矩，较小抗滑桩的截面尺寸和埋入深度，合理化的桩身的弯矩分布，工程造价较低、施工进度较快等优点。
在滑坡治理工程中，锚杆可以单独运用来稳定滑体，也可以采用和抗滑桩组合结构形式，但在土层滑坡中应用锚杆抗滑桩支挡体系时，至今对于锚杆横向受力尚末完全搞清楚。
在实际工程中，当下滑推力非常大时，锚杆锚固力有限，且锚杆易被剪断和破坏，无法改变抗滑悬臂受力的状况。
3、下沉式抗滑桩
下沉式抗滑桩，就是桩顶标高低于滑坡体表面一定深度的悬臂式抗滑桩，由于悬臂长度减短，相应弯矩值也小，其材料消耗量就比一般抗滑桩要经济，受力特性得到了很大的改善，其优势在厚层土质滑坡治理中尤为明显。
此类桩的缺点主要表现在对滑体本身的强度要求比较高，如果滑体强度较低就会使滑体变形增大，或者部分滑体会沿着桩顶平面剪出。
另外，此方面的工程应用相对较少，受力分析等资料也少有所见，现行规范中还存在着较大的空白，有待于进一步去深入研究。
4、承台式抗滑桩
将3～4根抗滑单桩在桩顶用承台联结，共同抵抗承担滑体推力，这种结构形式的整体性较好，抗滑力较大。
3.巴东县西壤坡新城区沿江路小商品滑坡概况
沿江路小商品滑坡位于巴东县西壤坡新城区境内，长江右岸，地理坐标X:
3435710，Y:
37435704，地处巴东新港及209国道、巴秭公路的城区主干道上，滑坡的北侧100m处为巴东大桥，交通运输繁忙，地理位置重要。
图1滑坡位置图
4.滑坡成因分析
滑坡的形成主要受地形地貌，地层岩性和水（降水和地下水）三大因素的综合制约。
地形上有临空面是形成滑坡的必要条件，地层岩性是滑坡形成的物质基础，特别是岩层产状及其力学性质特征等对滑坡形成起着重要作用即内因，而水对滑坡的形成起着催化作用，是诱发滑坡产生的重要外部因素即外因。
该滑坡为一典型的大型黄土滑坡。
由于下泥沟水流连续不断的下切和侧蚀，使得该段原有边坡持续变高变陡，加上黄土的垂直节理发育，坡面冲沟较多，雨季雨水容易渗入，在多年一遇的持续强降雨后，坡体中的黄土体接近饱和，黄土的容重增大、强度降低，加上全风化泥岩遇水后强度降低，因而形成了滑动。
该滑坡前缘临空较高，滑体较厚，位能较高，剪出口在下泥沟水面附近，在长时间降雨和其他不利因素的诱发下，有再次滑动的可能，其稳定性不满足高速公路设防要求。
滑体主滑段沿江路小商品距离路线很近，该滑坡失稳后会直接毁坏该段路基，危害公路正常运营，必须对其进行治理。
5.滑坡的治理设计原则、思路及范围
设计原则：
①在安全可靠的前提下，兼顾经济合理、简洁实用。
②先保路、次治稳、后治本，分期分批治理。
先通过应急抢险工程，保证在春融及勘察设计期间不产生大的滑动，防止对文物及人员造成损坏及伤害，然后在关键部位实施一些“短平快”工程，保证在雨季到来之前，对滑坡进行有效的锚拉加固，最后在地质勘察工作的基础上寻求安全稳妥、经济合理的完善治理工程。
设计思路：
由于该滑坡规模大，一次全部治理费用和时间均不允许，采用分期治理逐项攻破原则，滑坡路段道路的稳定。
设计范围：
鉴于滑体主滑段沿江路小商品段距离路线很近，滑体较厚，公路受滑坡危害大。
为保证公路安全在滑体前缘设置抗滑桩进行治理。
6.抗滑桩具体设计计算
6.1滑坡推力计算
6.1.1计算剖面的确定
本次设计选择该滑坡主滑断面作为设计剖面，该滑坡由两层滑体及滑带组成，第一层滑体为碎石土，第二层滑体为碎裂岩，两层滑带均为塑性很高的泥化层，滑床为中风化泥岩，具体见图1-1。
6.1.2计算参数的确定
滑坡稳定性和推力的计算应提供的参数有：
滑坡体的天然重度、饱和重度；滑动面的天然抗剪强度参数c、φ和饱和抗剪强度参数c、φ。
根据《2014支挡结构课程设计任务书》，滑坡计算参数取值如下：
滑体重度：
第一层滑体（碎石土）：
天然：
=18.91kN/m3
饱和：
sat=19.47kN/m3第二层滑体（碎裂岩）：
天然：
=23.92kN/m3
滑带强度参数：
两层滑带特征相近，均取相同的饱和参数。
内聚力c=20kPa摩擦角φ=12.5°
表1-1滑床岩石物理力学性质指标统计表
中风化泥质粉砂岩
物理性质指标
力学性质指标
天然
密度
（g/cm3）
比重
吸水率
（％）
饱水率
（％）
饱和单轴抗压强度（MPa）
弹性
模量
（×104MPa）
泊松比
2.64
2.70
2.99
4.51
30.6
1.61
0.25
6.1.3计算工况确定
根据《勘察技术要求》综合确定防治工程等级为Ⅲ级。
由《设计技术要求》2.3.3，暴雨强度及相应洪水水位按10年设计，20年校核，在此前提下，根据《设计技术要求》2.3.8及《2014支挡结构课程设计任务书》关于计算工况的要求，绘制计算工况表，选取表中所示四中工况进行稳定性及推力验算。
表2.2取表3-1四种工况进行稳定性及推力计算。
表1-2计算工况表
滑面
工况
编号
荷载组合
备注
滑面1
1
自重+地表荷载
现状
2
自重+地表荷载+20年一遇暴雨
滑面2
3
自重+地表荷载
现状
4
自重+地表荷载+20年一遇暴雨
在各种工况下，具体荷载取值作如下考虑：
自重荷载在静水位以上按天然重度计算，静水位以下按浮重度计算。
地表荷载主要为楼房建筑的荷载，根据现场断面测量和调查的楼层数，按每层15kpa的荷载计算。
20年一遇5日暴雨按降雨入渗引起的滑坡表层土体饱和自重计算，根据表层坡体土的渗透系数低，并设置了排水系统,降雨入渗引起的滑坡体荷载增量按2m厚度的饱和土体进行计算。
6.1.4各工况稳定性计算结果
根据《支挡结构》中稳定性计算方法，按表1-2所示四种工况对沿江路小商品滑坡滑体主滑面的稳定性进行计算，计算结果如表1-3所示。
其中主滑剖面分块如附图1所示。
表1-3沿江路小商品滑坡体稳定性计算结果表
滑面
工况
编号
荷载组合
稳定系数
备注
滑面1
1
自重+地表荷载
1.304
现状
2
自重+地表荷载+20年一遇暴雨
1.303
滑面2
3
自重+地表荷载
1.0773
现状
4
自重+地表荷载+20年一遇暴雨
1.0759
6.1.5滑坡推力及桩身荷载计算
推力计算公式采用推力传递法，即《设计技术要求》中的式4.3.1。
式中：
推力传递系数
第
个条块末端的滑坡推力
抗滑稳定安全系数
第
个条块地下水位以上土体天然重量
第
个条块地下水位以下土体饱和重量
第
个条块土体两侧静水压力的合力
第
个条块土体底部孔隙压力
第
个条块所在滑动面上的内摩擦角
第
个土体条块所在滑动面的倾角
第
个条块所在滑动面上的单位粘聚力
第
个土体条块所在滑动面的长度
根据表中稳定性计算结果，选取稳定性系数最小（稳定性最差）的工况，即第四种工况进行滑坡推力计算即抗滑桩设计。
主滑断面滑坡推力计算条分图如图1-1，推力曲线如图1-2。
图1-1沿江路小商品滑坡体主滑剖面推力计算分块图
图1-2沿江路小商品滑坡体主滑剖面滑坡推力、抗力曲线图
根据图1-2可知，需要由抗滑桩承担了的剩余下滑力从11块到14块均无大的变化，而结合图1－1可知，在条块13与14块之间的滑坡体厚度相对较薄，且地形相对平坦，故设计抗滑桩位于第12快与第13块界面处，此处的滑坡推力T=4443.46kN/m，滑坡抗力R＝2532.80kN/m。
由滑坡推力、抗力曲线可知该滑坡有明显的阻滑段，故需考虑桩前土体的抗滑力。
抗滑桩上承受的设计推力等于滑坡推力减去桩前被动土压力和滑坡抗力的较小值，而被动土压力一般大于桩前土体的抗滑力，因此设桩处的滑坡推力减去桩前滑坡抗力即为抗滑桩身所承受的荷载F0=1910.65kN/m。
6.2内力分析
6.2.1计算参数确定
桩间距：
l=6.0m
单桩所受滑坡推力F=T×6=11463.9kN
桩身截面尺寸：
b×h=2.5×3.5m，计算宽度Bp=b+1=3.5m
桩身截面惯性矩：
I=bh3/12=8.93m4
桩身混凝土弹性模量：
弹性模量：
E=3.0×107kPa
滑面以下岩土体水平方向地基系数：
（K法）K=3×105kPa/m3
桩的变形系数：
=0.1769m-1
滑面以下岩土体侧向容许应力：
根据勘察结果滑面以下岩土体为中厚层灰白色长石石英质细砂岩和褐红色薄层粉砂质泥岩互层，较破碎，裂隙发育，一般呈块裂状结构，岩石的单轴抗压极限强度σc=30.6MPa，其侧向容许应力：
[σc]=KRHηR=0.5×0.3×30600=4590kPa
式中：
KRH─水平方向的换算系数，根据岩层构造，可采用0.5～1.0，此处取0.5；
η─折减系数，根据岩层的裂隙、风化及软化程度，可采用0.3～0.45，此处取0.3。
6.2.2桩型判断
根据设桩处滑坡横断面拟定桩长为31.0m，其中受荷段h1=21.0m，嵌固段h2=10.0m。
桩嵌固段换算长度：
h2=1.769>1.0，因此该抗滑桩为弹性桩，桩底按自由端考虑。
6.2.3桩身内力计算
1、受荷段内力采用悬臂梁模型计算，受荷段桩身所受荷载按三角形分布荷载考虑：
受荷段桩身内力及水平位移按下式计算：
弯矩
剪力
水平位移
转角
式中：
─滑动面以上桩身计算截面距桩顶的距离
─由锚固段计算得滑动面处桩身水平位移及转角。
2、锚固段内力采用弹性地基梁模型按“M”法计算
由受荷段桩身内力计算结果得滑动面处弯矩及剪力：
80247.3kN·m
11463.9kN
受荷段桩身内力、变形及锚固段侧壁应力按下式计算：
弯矩
剪力
水平位移
转角
侧壁应力
式中：
─“K”法的影响函数值，按下式计算：
3、按以上公式计算所得桩身受荷段与锚固段弯矩及剪力如表1-4即表1-5所示，桩身受荷段与锚固段弯矩即剪力曲线如图1-3所示，桩身水平位移及侧壁应力曲线如图1-4所示：
表1-4受荷段桩身内力计算结果表
受荷段桩身内力计算结果表
距桩顶距离（m）
剪力Q（kN）
弯矩M（kN·m）
水平位移x（m）
转角φy（rad）
0
0
0
0.097263547
-0.002860662
1
25.9952381
8.665079365
0.092832933
-0.002860662
2
103.9809524
69.32063492
0.088402368
-0.002860662
3
233.9571429
233.9571429
0.083972094
-0.002860661
4
415.9238095
554.5650794
0.079542741
-0.002860659
5
649.8809524
1083.134921
0.075115523
-0.002860654
6
935.8285714
1871.657143
0.070692429
-0.002860644
7
1273.766667
2972.122222
0.066276419
-0.002860629
8
1663.695238
4436.520635
0.061871616
-0.002860606
9
2105.614286
6316.842857
0.057483502
-0.002860573
10
2599.52381
8665.079365
0.053119114
-0.002860526
11
3145.42381
11533.22063
0.048787231
-0.002860463
12
3743.314286
14973.25714
0.044498577
-0.00286038
13
4393.195238
19037.17937
0.040266008
-0.002860274
14
5095.066667
23776.97778
0.03610471
-0.00286014
15
5848.928571
29244.64286
0.032032392
-0.002859974
16
6654.780952
35492.16508
0.028069479
-0.002859772
17
7512.62381
42571.53492
0.024239307
-0.002859527
18
8422.457143
50534.74286
0.020568319
-0.002859236
19
9384.280952
59433.77937
0.017086254
-0.002858892
20
10398.09524
69320.63492
0.013826348
-0.002858489
21
11463.9
80247.3
0.010825521
-0.00285802
表1-5锚固段桩身内力计算结果表
锚固段桩身内力计算结果表
距桩顶距离（m）
剪力Q（kN）
弯矩M（kN·m）
水平位移x（m）
侧应力σ（kN）
转角φy（rad）
21
11463.9
80247.3
0.010825521
3247.656187
-0.00285802
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