大学毕业论文道路边坡防护设计.docx

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大学毕业论文道路边坡防护设计

摘要

随着我国公路建设的飞速发展，边坡问题日益突出，但由于缺乏对边坡治理技术的系统研究，从而为工程埋下隐患，边坡失稳将造成交通中断，甚至造成巨大的经济损失和不良的社会影响，同时大大增加了后期维护处治费用。

目前公路边坡的加固技术主要有挡土墙、抗滑桩、土钉支护、岩土锚固等，土钉支护是近三十年发展起来的新技术。

边坡的稳定性受内部因素和外部因素影响，内部因素包括地质条件、地理背景和自然环境；外部环境包括气候条件、人类活动和地震。

本文归纳总结了边坡稳定分析常用方法的特点；分析了边坡加固常用方法的原理、特点及其适用范围；归纳总结了影响边坡稳定的内部因素和外部因素；介绍了瑞典圆弧法分析边坡稳定的原理，并应用瑞典法对某工程边坡的稳定性进行了理论计算分析。

关键词：

土质边坡、加固理论、影响因素、稳定性分析

Abstract

Withtherapiddevelopmentofhighwayconstruction,slopestabilityproblemstandsoutincreasingly.Butbeingshortofsloperetainingresearchbythenumbers,therearealotofhiddendangersinhighwayconstruction.Onceslopeslosetheirstability,thelandslidewillinterruptthetrafficandevenresultinhugeeconomiclossandbringonbadsocialinfluences.Atthesametime,itwillgreatlyincreasetheeveningsloperetainingexpense.

Innow,thereinforcementtheoriesofhighwayslopehaveretainingwall,anti-slidingpile,soilnailing,geotechnicalanchorage,andsoon.Soilnailingisthedevelopmentofnewtechnologiesinthepast30years.Theslopestabilityisaffectedbyinherentfactorsandexternalfactors.Theinherentfactorsincludethegeologicalconditions,geographicalenvironmentandthenaturalenvironment.Theexternalfactorsincludetheclimaticconditionsthehumanactivitiesandtheearthquakes.

Thedissertationsummariesthestabilityanalysisofslopeusedcommonlytomethodsandcharacteristics.Itistheprinciple,thecharacteristicsandthescopeofapplication,whicharethemethodscommonlytouseinslopereinforcement.Itisthesummariesofinternalfactorsandexternalfactors,whichhaveimpactedtotheslopestability.Itisintroducetotheprinciplesthatareusewhenanalysistotheslopestability,andanalysistoaprojectontheslopestability,throughSwedenandFrance

Keywords:

soilslope,reinforcementtheory,factorsaffecting,stabilityanalysis

第一章绪论

第一节边坡加固及稳定分析的目的和意义

一、边坡加固及稳定分析的目的

对边坡的加固理论及稳定性研究的主要目的在于避免或尽可能的降低滑坡地质灾害对人民财产的危害及对工程建设的可能影响，这不但要求我们对滑坡进行有效的治理，而且要求我们根据对滑坡地址类型及其变形破坏规律的认识，对滑坡变形和稳定性的发展趋势做出可靠的预测预报[1]。

二、边坡加固的意义

滑坡是一种常见的山区地质灾害。

我国是一个多山的国家，从而也是滑坡广泛分布的国家，每年特别是每年雨季都要发生若干滑坡，它几乎遍及全国各省区，特别是我国西南地区，滑坡更为频繁。

据不完全统计，西南地区发生的滑坡约占全国滑坡次数的一半以上，而我国已受到滑坡灾害威胁和可能受到滑坡威胁的地区却占全国陆地面积的五分之一至四分之一。

滑坡运动不仅造成山区局部环境的破坏，还危害和威胁人民的生命与经济建设，据有关资料介绍，近20年来，仅意、日、美、俄、印、中、捷克及奥地利、瑞士等国家，各国每年因滑坡所造成的经济损失，平均达2.56亿美元，总和每年达120-160亿美元。

随着经济建设的不断发展，人类活动的区域不断扩大，在利用自然与改造自然的活动中，遇到的滑坡问题越来越多，滑坡灾害的影响范围和程度日趋扩大，滑坡灾害及防护工程的分析研究也日趋引起世人的关注。

世界是这样，不言而喻中国也不例外。

特别是目前我国正处经济建设高速发展的时期，滑坡给水力、铁路、公路、矿山建设带来巨大损失。

1989年1月10日在中国云南漫湾水电站大坝坝扇开挖过程中发生的滑坡，不仅耗资近亿元进行治理，而且使这个150万KW的水电站推迟发电近一年，给云南省的经济建设安排带来了困难。

1981年雨季宝成铁路共发生滑坡289处，中断行车2个月，抢建费用达2.56亿元，抚顺西露天矿自1914年投产以来，为保持边坡稳定，共剥离岩石1亿立方米，2001年5月4日，重庆武隆县发生滑坡，将一栋九层住宅楼摧毁，当场死亡69人。

在公路方面，长期以来，路基边坡的治理一直是高速公路建设中的薄弱环节。

在20世纪80年代中期以前，我国主要以低等级公路建设为主，由于交通量小，线路选择时线路深挖高填较少，加之投资不大，因而边坡治理工程不作为公路建设的主体工程，甚至在工程中对边坡的治理研究往往被忽视。

但是，随着国民经济的快速发展，公路交通事业日异月新，等级越来越高高填深挖已经不可避免。

复杂地形条件下修建高等级公路的情况日益增多，如清连一级公路、坪乳线二级公路都是在粤北山区复杂地形条件下兴建的。

京珠高速公路粤境小塘至甘塘段也经过复杂的地质地形，高大边坡的数量增多，规模扩大，人工削坡、深切路基对边坡的稳定性的影响增强。

国内外已有很多公路边坡失稳的实例，如深汕高速公路K64+835~K65+050段边坡滑坡、坪乳线二级公路洋碰西滑坡、国道107线清新段滑坡等。

由于公路边坡失稳不仅影响行车安全，甚至掩埋公路、中断交通，迫使放弃已成公路的使用，造成不可估量的经济损失。

由此可见，对滑坡进行研究及防治具有重要意义。

另外，随着我国经济建设的快速增长和综合国力的不断增强，一系列大型工程已开始或即将开始建设，如三峡工程、长江和黄河上游拟建的一系列大型（巨）型水力工程、南水北调工程、青藏铁路等等，其数量和复杂性是前所未有的。

如果我们在这些工程中能引入和采用先进的边坡稳定性研究思想和方法，其创造的经济效益是不可估量的，其意义也是深远的。

综上所述，可以足以看出我们进行边坡工作研究，无论是对国家的经济建设还是对人民的生命安全都是十分重要的。

第二节边坡加固理论及稳定性分析的现状

由于我国是一个多山的国家，我国大部分的公路都是从山区穿过，再加上我国的地质条件表较复杂，所以我国对于边坡的工作研究起步也比较早。

回顾边坡工作研究的历程，可以总结出国内外的边坡研究工作主要经过了本节下面所要说明的几个阶段。

一、边坡加固理论的现状

在土质边坡的加固理论方面所用到的主要有朗肯土压力理论和库仑土压力理论两种。

朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法。

由于其概念清楚，公式简单，便于记忆，所以目前在工程中仍被广泛应用。

库仑土压力理论是根据墙后所形成滑动楔形静力平衡条件建立的土压力计算方法。

由于它具有计算较简便，能适用于各种复杂情况且计算结果比较接近实际等优点，因而至今仍得到广泛的应用。

通过应用上面的两种土压力的计算理论可以计算出边坡各部分所受到的各种力，从而可以为边坡的设计和加固做出可靠的依据。

我国在边坡的加固理论方面的研究主要经过了以下三个阶段：

20世纪50年代，治理边坡灾害常采用地表排水、削方减载、填土反压、挡土墙等措施，但经验证明，仅采用地表排水、削方减载、填土反压使滑坡暂时处于稳定状态，随着外界条件的改变，很多滑坡又复活啦。

如1992年宝成铁路水害，20处滑坡有一半是1956年及其后处理过的，属于曾经整治过但又采取排水、减载或抗滑挡土墙等措施，遇到持续降雨使滑坡地质环境改变而复活，60年代末，成昆铁路沙北车站滑坡整治中首次采用抗滑桩获得成功，以后成昆，宝成等铁路建设中推广应用，铁二院主持开展了全埋式抗滑桩实验研究工作，其科技成果获得铁道部科技进步三等奖。

20世纪70～80年代这一时期，人们重视支挡的作用，强调支挡，因为抗滑桩具有布置灵活、施工简单、对边坡扰动性小等特点，受到工程师的信赖，应用普遍，逐步形成抗滑桩支挡为主、结合削方减载、地表排水的滑坡综合治理技术。

1982年宝成线水害抢险，采用路基工程或路基工程与明洞相结合处理的滑坡共15处，其中14处采用抗滑桩处理。

1961年铁道部颁布《标准轨距铁路设计规范》对滑坡处理强调排水，将地面水排去、疏干或排除地下水、清方减载与填土反压、及抗滑挡土墙作为滑坡灾害防治主要技术推荐。

20世纪90年代以来，滑坡整治中贯彻一次根治、不留后患的原则，并充分认识到滑坡的形成是多因素作用的结果，因此应采用综合治理。

以南昆线、达成线治理情况来看，采用抗滑桩、结合地面排水整治的滑坡居多，与此同时，由于预应力锚索技术理论研究和凿岩机械突破性的发展，设计工程师们开始应用预应力锚索整治边坡。

对于大型边坡，主张以排水为主、结合抗滑桩、预应力锚索支挡综合整治。

在国外，边坡加固理论方面的研究相对我国来说起步较早，比较具有代表性的加固技术是锚杆锚索的应用。

由于锚杆锚索能体现出主动支护的概念，因此得到了国外学者的广泛的重视。

ArfredBusch于1912年发明了锚杆，并在美国的一个煤矿中成功地进行了顶板的支护。

通过20～30年的试验、改进和发展，美国的锚杆技术取得了成功。

20世纪50年代，锚杆支护技术在各国的工程中得到了大量的应用。

如今对此技术研究最为活跃的是美国和澳大利亚，锚杆支护率占煤巷支护的90%以上，英国1987年开始从澳大利亚引进锚杆技术，到1994年其锚杆支护率也达到了80%。

二、边坡稳定性分析所经过的阶段

边坡的稳定性分析研究是从生产实践中提出来的重要研究课题，我国发生的大量滑坡事件不但丰富了滑坡工程实践的内容，也推动了滑坡或边坡稳定的研究工作。

从50年代初期开始，在大量滑坡工程实践的基础上，对边坡岩土体的稳定性进行了比较系统的研究，取得了一定的进展。

回顾我国边坡稳定性研究工作的发展状况，大致经历了如下四个阶段：

50年代特别是50年代初，我国的边坡稳定性研究工作尚处于建设队伍的初步发展阶段，研究工作的重点侧重于滑坡历史资料的分析及滑坡形态分类，探讨不同类型的边坡的稳定性分析方法及相应的变型破坏机制。

在此期间，边坡的稳定性分析多借用土力学理论，而很少考虑岩体的结构特性及岩体的地质结构面，特别是较弱结构面对边坡岩体稳定性影响。

自60年代开始，边坡的稳定性研究比较强调和重视边坡的工程地质，即边坡的工程地质条件及岩体结构特性对边坡岩体稳定性影响研究。

中国科学院地质研究所工程地质室提出的岩体结构理论及相应边坡岩体稳定性分析的岩体工程地质力学方法，对边坡稳定性研究是一个具有创见性的发展。

该分析方法的本质在于以岩体结构理论为基础，强调岩体中结构面特别是软弱结构面对边坡岩体变形及边坡失稳破坏的控制作用，运用赤平投影及实体比例投影的作图方法，确定边坡潜在不稳定块体可能的几何形态或滑移边界，并用与现场滑坡条件相应的滑面岩体强度指标，定量分析、评价边坡的稳定状态。

时至今日，这种分析方法在我国的边坡工程设计及稳定性分析中已经获得广泛应用。

70年代，我国边坡稳定性研究的发展主要在于不断的丰富和完善岩体工程地质力学的分析原理和方法。

在此期间，边坡工程的加固，现场原位岩体力学实验及岩体力学特性的研究，以及包括数值模拟及物理模拟在内的研究边坡稳定性的各种技术得到较快的发展，且更加重视边坡的变形破坏机制的研究，在边坡稳定性分析及评价中强调进行综合分析评价研究。

自80年代以来，我国的边坡研究工作又进入了一个新的时期，其主要特点是在我国大量滑坡工程实践的基础上建立了我国岩质边坡变形破坏的典型地质模型，并提出了以岩体板裂结构理论为基础的边坡岩体溃屈破坏模型，强调了边坡岩体变形的动态监测在边坡稳定分析与评价的作用。

在此期间，比较重视滑坡滑面强度指标的反分析，提出在评价边坡工作状态时应建立并区别边坡的稳定评价与安全性这两个既相互联系，而又存在明显区别的不同概念，强调在边坡稳定性评价与分析中应该考虑岩体中初始地应力场作用图式及露天坑形状对边坡稳定性的影响。

我国是这样，然而国外也在致力于研究边坡的稳定性这方面的工作。

通过总结最近几十年的宝贵经验，到目前，国内外在边坡的稳定性研究方面基本上形成了一套完整的体系。

三、边坡稳定性分析常用的几种方法

（一）物理模拟方法

即模型试验法，按试验方法不同有块体结构模型试验，底面摩擦试验和离心模拟试验。

块体结构模型试验主要用于研究在施工和荷载作用下边坡岩土体的变形机制，常用于较重要的边坡。

底面摩擦试验的作用与前者相近，但费用较少，简单易行。

离心模型试验的突出优点是可真实反映原型结构的工作状态，只是试验条件复杂，费用高，使用还不普遍。

（二）数学模拟方法

边坡稳定分析的数学模拟方法经过数十年的发展，特别是近代计算机和数值分析方法的飞速发展给其带来了质的提高，较为严格的理论和方法已在实际中得到应用。

一般说来，边坡稳定分析的数学模拟方法有以下四种：

1．极限平衡法。

这种方法以摩尔一库仑的抗剪强度理论为基础，首先假定土体或岩体的滑裂面，将滑坡体划分成若干垂直条块，假定这些条块为刚体，建立作用在这些垂直条块上的力平衡方程式，求解安全系数，当滑裂面为任意形状时该问题通常是不静定的，需要对条块间的内力做一些假定，从而也形成了各种各样的分析方法，主要有：

（1）瑞典圆弧滑动法（Fellenius法）。

滑裂面形状:

圆弧滑裂面;假定:

不考虑土条两侧的作用力。

一般求出的安全系数偏低10%-20%，这种误差随着滑裂面圆心和孔隙压力的增大而增大。

被誉为现今岩土工程界的一个里程碑，现在仍被作为一种古典方法列入各国高校的土力学教材。

（2）简化毕肖普（Bishop）法。

滑裂面形状：

圆弧滑裂面;假定:

条间力的合力是水平的。

一般需要通过迭代方法求得安全系数。

在简化Bishop方法中，满足整体力矩平衡和垂直力矩平衡，如果破坏面可近似地看作圆弧，则该法是令人满意的，被推荐为最常规的方法。

简化Bishop法和较精确的满足全部平衡条件的方法所得到的安全系数相比较，误差一般小于1%。

（3）简布（Janbu）法。

滑裂面形状:

任意形状滑裂面;假定:

条间内力的位置（推力线）。

一般需要迭代求得安全系数。

对无粘性土，推力线应选择在三分点或靠近该点的地方;对于粘性土，在压缩区（被动条件），推力线位置应当高于下三分点，在膨胀区（主动条件），则应低于下三分点。

该法比较容易使用且无须像摩根斯坦普赖斯（Morgenstern-Price）法那样要逐个判断。

（4）斯宾塞（Spencer）法。

滑裂面形状:

任意形状滑裂面;假定:

条间力合力的方向相互平行。

对整个滑动土体来说，满足力和力矩的平衡。

考虑每一条块力和力矩的平衡，然后推导出两个循环公式以确定两个未知数F和6。

该法所得的安全系数从工程角度来看己足够精确。

（5）摩根斯坦普赖斯（Morgrnstem-Price）法。

滑裂面形状:

任意曲线形状滑裂面;假定:

两相邻土条法向条间力和切向条间力之间存在一个对水平方向坐标的函数关系。

该方法土条满足力和力矩平衡条件。

鉴于此假定，须对全部计算机求得的量进行合理性检验。

若不合理须重新假定。

中国水利水电科学研究院陈祖煌教授（1983）对边坡稳定分析的摩根斯坦普赖斯（Morgrnstem-Price）法进行改进，在其基础上建立了具有普遍意义的土体力和力矩平衡方程，提出在极限平衡分析方法中引入的对土条侧向作用力的假定必须满足的限制条件，以保证滑动土体端点的剪力成对的原理不被破坏。

论证了关于受物理合理性条件限制的各种假定下计算得出的相应的安全系数相差不大，并且用最优化方法寻找具有最小安全系数的滑裂面。

同时编制了土石坝边坡稳定设计专用程序STAB。

该程序提供边坡稳定分析领域中传统的各种分析方法的计算功能，并可以对圆弧或任意形状滑裂面搜索相应于最小安全系数的临界滑裂面，而且对任意形状滑裂面纳入了应用随机搜索方法求解极值的加强功能。

（6）萨尔马（（Sarma）法。

滑裂面形状:

任意形状滑裂面;假定:

沿条块侧面达到极限平衡。

该法对滑坡体进行斜条分，可以模拟断层节理等不连续面，用于任何形状滑坡。

2．有限单元法。

1967年Clough和Woodward首先将该法用于土坝非线形分析。

极限平衡法和极限分析法均将滑裂面以上岩土体作为刚体、不满足变形协调条件，而有限单元法则将岩土体看成变形体、可以有效的模拟材料的应力应变关系还可以处理复杂的边界条件以及材料的非均匀性和各向异性，对边坡的应力分布、塑性区范围和位移等进行有效的模拟，弥补了极限平衡法的不足。

此外，还可详细了解加固处理措施如锚索、抗滑桩等的作用机理和局部应力状态等。

该法是通过求得每一计算单元的应力及变形，根据不同的强度指标确定破坏区的位置及破坏范围的扩展情况，并设法将局部破坏与整体破坏联系起来，求得合适的临界滑裂面位置，再根据极限平衡分析推求整体安全系数。

由于该类方法较好地虑到了土的非线性应力-应变关系，因此是一种很好的方法。

现阶段边坡工程界使用较多的有限元程序软件有Flac3D，Ansys等，国内已有许多人运用这些软件进行边坡的稳定性分析计算。

3．离散单元法和块体理论。

Cundall（1970）提出的离散单元法应用牛顿定律分析相邻块体之间的平移和转动，来模拟边坡块体崩塌的全过程及模拟边坡的时效变形等。

离散单元法的一个突出的功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。

因此，任何一种岩体材料的本构模式都可以纳到模型中。

在岩质边坡稳定性分析中，为了更好地反映节理岩体的不连续性，出现了一些将岩体看作完全分割的块体镶嵌系统的分析方法。

Goodman和

Shi（1975）应用拓扑学原理分析了由于滑块关键块崩落导致整个岩体塌落的条件。

4．模糊数学、灰色理论等新方法。

近20年来，滑坡研究特点已由过去的单个滑波现象的描述，分类治理，发展到现在以定性描述为基础的定量预测预报研究。

在各种边坡稳定性分析计算方法中都将其边界条件大大地进行了简化。

计算中选用的各种参数被认为是确定的或线性变化的。

对复杂现象的简单处理方法，在具体的工程实例中起到了一定的作用。

然而，暴露出来的缺点也勿庸置疑。

实际上，不仅边坡中的各种计算参数是不确定的，而且边坡系统本身就是一个不平衡、不稳定、充满不确定性的复杂系统，其与外界环境有着不断的物质、能量、信息的交换，具有类似于天气预报的不可长期确定性预报性和短期统计失效的复杂特点。

由此产生了对边坡稳定分析评判的新思路、新理论，包括混沌理论、分形理论、灰色系统、数学模糊理论、突变理论等。

第三节本课题的有关内容

本课题总共分为四章：

第一章为绪论内容，在本章主要介绍了边坡研究工作的目的、意义及重要性。

另外还有边坡稳定性分析及加固理论的研究历程以及所涉及到的理论知识，最后介绍了与本课题有关的一些基本知识;第二章为边坡的加固理论方面的知识，该章主要介绍了传统土质边坡加固的方法、原理及施工方法，对在边坡加固新方法也稍微介绍了一下，还有在边坡加固设计中需要注意的一些问题。

第三章为影响边坡稳定性的几种因素，该章主要介绍了影响边坡稳定的因素主要分为内在因素和外在因素两种，以及它们对边坡的影响程度；第四章为土质边坡的稳定性分析及案例在这一章中主要介绍了直线滑面的土坡稳定性分析和圆弧滑面的条分法分析，在圆弧滑面的条分法分析中主要介绍了瑞典圆弧滑面法的分析方法及理论知识，最后引用了一个案例来说明了一下该种方法。

第二章土质边坡的加固理论

第一节边坡加固所遵循的原则

边坡加固效果的好坏，在很大程度上取决于所选取的加固理论的优劣。

根据场地工程地质、水文地质、环境条件、保证稳定的前提下，设计最经济、合理的方案，主要取决于所选用的加固理论，选择合适的理论知识就能做到安全可靠，施工顺利，缩短工期，带来客观的经济与社会效益。

边坡设计要解决的根本问题是在边坡的稳定与经济之间选择一种合理的平衡，力求以最经济的途径使服务于工程建筑物的边坡满足稳定性和可靠性的要求。

边坡工程的可靠性是指边坡及其支护结构在规定的时间内，在规定的条件下，保持自身整体稳定的能力，它是边坡安全性、适用性和耐久性的总称。

.

（1）安全性。

边坡及其支护结构在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种荷载作用，以及在偶然时间发生时及发生后应能保持必须的整体稳定性。

（2）适用性。

边坡及其支护结构在正常时能满足预定的使用要求，如作为建筑物环境的边坡能保证主体建筑物的正常使用。

.

（3）耐久性。

边坡及其支护结构在正常维护下，随着时间的变化，仍能保持自身整体稳定，同时不会因边坡的变形而影响主体建筑物的正常使用。

第二节挡土墙加固

挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。

建筑物两侧土的高度不同时，较高的一侧土会对结构产生水平推力。

为保持建筑结构的稳定，需要设置挡土墙。

在公路工程中，挡土墙可用以支撑路堤或路堑边坡、隧道洞口、防止水流冲刷路基，同时也常用于处理路基边坡滑坡崩坍等路基病害。

尤其在山区公路中挡土墙的运用更为广泛。

一、挡土墙的布置

挡土墙的布置应根据路基横断面图、纵断面图及墙趾纵断面图，并考虑地形、地质与水文地质情况、材料供应及施工技术水平等条件，选择和确定挡土墙类型、位置和长度。

（一）挡土墙的位置

路堑挡土墙大多数设在边沟旁，山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处；路基墙应保证路基宽度布设；路堤墙应与路肩墙进行技术经济比较，以确定墙的合理位置；沿河挡土墙要结合河流的水文地质情况及河道工程来布置，注意设墙后仍保持水流顺畅。

（二）纵向布置

挡土墙纵向布置应在墙趾纵断面图上进行，布置并绘制挡土墙正面图。

如图2.1所示，布置的内容为：

1．确定挡土墙的起点桩号和墙长，选择挡土墙与路基或其他结构物的连接方式；

2．按地基和地形情况进行分段，确定沉降缝和伸缩缝的位置；

3．布置好各段挡土墙的基础，挡土墙的基础底宜做成不大于5%的纵坡:

若大于5%时，应做成台阶状。

但地基为岩石时，纵坡是不大于5%,为减少开挖，可在纵向做成台