一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告.docx
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一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告
一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施
可行性研究报告
一．项目的背景和必要性
1.1研究背景
随着国家西部大开发的实施，作为带动西部经济发展的交通运输工程（特别是高速公路）已得到优先发展，尤其西部黄土地区公路建设更是得到迅猛发展。
在地质背景复杂的黄土地区进行公路建设中，形成了大量黄土路堑高边坡。
这些黄土路堑高边坡由于纵断面长、横断面宽、坡高极高，工程量巨大，在经济合理的前提下采用合理的加固措施，从而保证边坡的整体稳定性，是工程中需要解决的技术难题，也是当前面临的主要问题。
铁路、水利水电及公路等部门对30m以下的边坡都做过系统的研究，但对于30m以上的黄土边坡设计标准基本为空白，有关其变形破坏机理、稳定性及可靠性分析评价等方面系统研究还较少，使得设计部门缺少边坡设计依据。
在黄土高边坡的工程设计中，基本上凭经验给出，缺乏理论指导。
与此同时，西部大开发也带动了甘肃省高等级公路建设的快速发展，甘肃省黄土地区公路己经出现和将要出现大量的深挖路堑边坡。
由于种种原因，导致边坡稳定性降低，滑坡时有发生，给道路的安全通行和当地的生产生活造成了不同程度的影响。
2012年3月9日凌晨3点左右，永靖县盐锅峡镇发生一起大面积滑坡灾害，滑体长约30米、宽约80米、厚约2米，滑坡土方量约5000立方米，造成通往盐锅峡镇的主干道路盐北路完全中断，滑坡共造成62亩农田被埋，其中冬麦26亩，另有83棵枣树被毁，造成经济损失数亿元。
永靖滑坡见图1所示。
XX一级公路深挖路堑高边坡，由于纵断面长、横断面宽、坡高极高，工程量巨大，工程造价也就自然而然的很高，那么在这种实际情况下，实时地对XX一级公路深挖路堑高边坡的设计方案开展优化和加固措施研究就很有必要。
在经济合理的前提下采取合理的加固措施，从而保证边坡的整体稳定性，是工程中需要解决的技术难题，也是当前面临的主要问题。
高速公路路堑边坡是一种人工开挖的永久性边坡，边坡的稳定性分析具有重要的时效意义，随着公路建设的快速发展，越来越多的深挖路堑边坡会遇到稳定性问题和采取何种加固措施的问题。
图12012年永靖滑坡
1.2项目概况
xx（新城）至永靖沿黄河快速通道作为xx市南滨河路“黄河风情线”的延伸段，是xx一小时都市经济圈内的交通要道，也是甘肃南部各县区与外界联系的主要通道。
本项目的建设对开发xx至永靖沿黄河经济带，整合区域特色旅游资源、打造沿黄河特色生态旅游线路具有重要意义。
本项目地跨xx市西固区及临夏州永靖县，起点位于新城镇黄河新桥南桥头，与已建的西固至新城一级公路终点顺接；路线沿黄河两岸布线，经河口、张家台、扶河、盐锅峡、恐龙湾、朱家台、孔家寺，终点位于永靖县古城村，与临夏折桥至xx达川二级公路及永靖县城市道路顺接（终点桩号K48+628.391），路线全长48.25km。
本项目采用一级公路标准建设，设计车速为60km/h，整体式路基宽度23.0m，分离式路基宽度11.25m。
全线共设特大桥15431.5m/8座，整体式大桥2505m/9座，分离式大桥3090m/10座；整体式中桥134m/2座,分离式中桥241m/3座；小桥242.4m/10座；天桥69.5m/1座；渡槽180m/3座；涵洞110道；隧道3941米/3座（以单洞长度计）；互通式立交4处（旧铁路桥头、扶河、金泉、太极镇），平面交叉27处；服务区1处（青春滩、永靖）、停车区2处（三江口、金泉、大川）、管理所1处（青春滩）、养护工区1处（盐锅峡）、收费站1处（张家台）、隧道管理站处4处（青春滩、盐锅峡1、盐锅峡2、恐龙湾），观景台8处。
本项目中有高填方边坡和深挖路堑边坡，其中深挖路堑边坡里面大多数属于高边坡，甚至有达到63.0m超高边坡的存在，详见表1。
深挖路堑边坡采用台阶形，黄土路段坡脚碎落台设1.5m高护面矮墙，挖方坡率采用1:
0.75~1:
1.25，每级边坡高6m，挖方平台2m，并根据挖方高度设置一级4m加宽平台；砂岩。
泥岩挖方采用1:
0.75，每级高6m，对于平层、顺倾砂岩边坡，增设锚固防护后采用1:
0.5坡率，加固边坡高度每级8~10m。
表1深挖路堑一览表
序号
起讫桩号
长度（m）
中桩最大填高（m）
最大边坡高度（m）
1
YK5+075~YK5+170
95
10.0
36.3
2
K6+105~K6+365
260
25.4
29.9
3
K7+580~K7+900
320
24.5
24.7
4
K23+450~K23+600
150
33.7
23.5
5
K23+900~K23+980
80
28.0
36.4
6
K24+535~ZK24+340
59
24.5
35.6
7
K29+540~K29+700
160
24.2
28.2
8
K30+134~K30+300
166
22.9
63.0
9
K30+780~K30+920
140
27.3
57.2
10
K30+920~K31+260
340
38.1
53.5
11
K31+280~K31+400
120
42.0
43.2
12
K31+620~K31+770
150
14.0
28.4
13
K31+810~K31+900
90
23.0
32.6
14
K32+770~K32+920
150
19.2
28.2
15
K33+100~K33+220
120
24.4
28.0
16
K33+360~K33+435
75
6.3
28.3
17
K33+440~K33+820
380
25.1
37.6
18
K34+965~K35+140
175
23.3
43.8
19
K35+240~K35+480
240
17.2
53.7
20
K36+190~K36+335
145
22.2
41.4
21
K36+375~K36+455
80
15.8
23.7
22
K36+550~K36+600
50
4.2
36.6
同时为确保边坡稳定，加强坡面平台排水沟、截水沟、吊沟的设置，并于岩土交界面处和卵石夹层处设置6m宽挖方平台，并根据土层情况增设必要的防护工程措施。
对于深挖边坡渗水或岩隙水较多路段设置纵向渗沟排除渗水。
二．项目前期科研及工作基础
2.1边坡稳定性分析研究现状
边坡稳定性分析的目的：
一是对路堤边坡稳定性做出定性和定量评价；二是为合理地设计人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据。
近几十年来，边坡稳定性分析方法不断得到发展，多种方法应运而生，如条分法、数值分析方法、塑性极限方法、可靠度法、模糊数学法、地质类比法等。
边坡工程的研究历程看，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法的不断发展的过程。
新的边坡稳定性方法不断出现，老的方法也在不断改进，且逐步由定性向定量地方向发展。
定量分析方法的实质是一种半定量的方法，尽管评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。
目前，所有定量地计算方法都是基于定性分析基础之上的。
总体上来说，边坡稳定分析包括定性分析方法和定量分析方法。
（1）定性分析方法
边坡稳定性的定性分析方法是在大量收集边坡所在地区的地质资料的基础上，综合考虑影响边坡稳定性的各种因素，通过工程类比法或者图解法等估计和预测边坡的稳定状况和发展趋势。
地质分析法（历史成因分析法）：
此方法通过对边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价。
主要用于天然斜坡的稳定性评价。
工程类比法：
该法是通过对比自然稳定山坡与不稳定坡体的工程地质条件差异，结合相邻区场区既有边坡的稳定性状，找出相应的设计参数。
针对设计公路路堑边坡在岩性、结构及工程措施的相似性来进行稳定性分析与判断。
此法简单易行，但由于岩土边坡的复杂性，没有完全相同的边坡，所以应用起来具有一定的困难性。
图解法：
图解法包括赤平极射投影、实体比例投影与摩擦圆等方法。
图解法用于岩质边坡的稳定性分析，可快速、直观地分辨出控制边坡的主要和次要结构面、确定出边坡结构的稳定类型、判断不稳定块体的形状、规模及滑动方向。
对于用图解法评定为不稳定的边坡，需要进一步用计算机加以验证。
边坡的分析数据库和专家系统：
边坡工程地质数据库就是收集已有的多个自然边坡、人工边坡实例的计算机软件。
其按照一定的格式，把各个边坡工程实例的发育地点、地质特征、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计以及边坡的坡形、坡高、坡角等收集起来，并有机地组织在一起。
可直接根据不同设计阶段的要求和相关的类比数据，方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类比，以更好地指导实践、节约费用。
专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明其缘由的计算机程序。
边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡稳定性分析与设计的智能化计算机程序，其把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来的计算机程序，用来模拟再现人脑的思维过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径。
（2）定量分析方法
边坡稳定性定量分析是根据边坡每一区段的岩土技术剖面，确定其可能的破坏模式，并考虑所受的各种荷载，如重力、水作用力、地震或爆破动力等，选择适当的参数进行计算。
定量分析的主要方法有：
极限平衡法、数值分析法、不确定分析法等三种，其中极限平衡法属经典的方法。
在边坡的稳定性分析中常用的数值方法有：
有限单元法、边界元法、有限差分法、离散元法等，其中有限元法应用较为广泛。
此外，尚有DDA法、运动单元法以及近年提出的基于余推力的临界滑动场（CSF）法等新兴发展起来的分析方法。
极限平衡法
极限平衡法是土坡稳定性分析中发展最完善、最早出现的确定性分析方法。
其基本方法是：
假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面滑动而造成的。
根据具体情况选择合理的满足摩尔—库伦准则的滑动面，形状可以是平面、圆弧面和其他不规则曲面。
由静力平衡关系，从而达到定量评价的目的并求出一系列滑动时的破坏荷载和最危险滑动面。
其中包括普通条分法、改进条分法、毕肖普的改良方法、力平衡方法、Morgen-Stern-NR及priceVE等方法，国内外土力学教程中主要介绍的各种极限平衡法，如瑞典圆弧法、sarmaSK法。
其优点是模型简单、计算简捷，在不能给出应力作用下的结构图像的情况下，仍能对结构的稳定性给出较精确的结论。
分析失稳边坡反算的强度参数与室内试验吻合度较好，使分析程序更加可信。
但需要先知道滑动面的大致位置和形状，对于均质土坡可以通过搜索迭代确定其危险滑动面，但是对于岩质边坡，由于其结构和构造比较复杂，难以准确确定其滑动面的位置，而且确定时也带来很大随机性，这就给岩质边坡的稳定性分析带来较大困难。
此外，极限平衡法没有考虑材料的应力-应变关系，所求出土体条间的内力或滑条底部的反力均不能代表边坡滑动变形时真实存在的力，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度。
这给边坡稳定性分析带来了很大的不确定性，而且无法对边坡的变形破坏模式做出判定。
数值分析方法
数值分析方法主要有有限元法、无界元法、离散单元法等。
有限元法是边坡稳定性分析中用得较多的一种数值方法，它能满足静力平衡条件、应变相容条件，考虑了岩体的不连续性和非均质性，将无限自由度的结构体转化为有限自由度的等价体系，还能够模拟土体与支护的共同作用。
它几乎适用于所有的计算领域，其最大优点是不但能进行线性分析还可以进行非线性分析，但是有限元这种
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