【正文】 一級公路深挖路塹高邊坡設計優(yōu)化及加固措施研究可行性研究報告一級公路深挖路塹高邊坡設計優(yōu)化及加固措施研究可 行 性 研 究 報 告目 錄一．項目的背景和必要性 1 研究背景 1 項目概況 2二．項目前期科研及工作基礎 4 邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀 4 研究工作基礎 38三．項目實施方案 41 主要研究內容 41 擬解決的關鍵技術 41 擬采取的技術路線 42 工作進度安排 42四．項目承擔單位及參加單位概況 43 項目承擔單位概況 43 項目主要負責人情況 44 參加項目主要人員一覽表 48五．項目依托工程情況及支撐條件 49 依托工程 49 支撐條件 49六．項目經費估算及資金籌措情況 51七．項目預期目標及經濟、社會效益 52 項目預期目標 52 經濟、社會效益分析 52八．其他需要說明的問題 53九. 申報單位簽章 53一．項目的背景和必要性 研究背景隨著國家西部大開發(fā)的實施，作為帶動西部經濟發(fā)展的交通運輸工程（特別是高速公路）已得到優(yōu)先發(fā)展，尤其西部黃土地區(qū)公路建設更是得到迅猛發(fā)展。在地質背景復雜的黃土地區(qū)進行公路建設中，形成了大量黃土路塹高邊坡。這些黃土路塹高邊坡由于縱斷面長、橫斷面寬、坡高極高，工程量巨大，在經濟合理的前提下采用合理的加固措施，從而保證邊坡的整體穩(wěn)定性，是工程中需要解決的技術難題，也是當前面臨的主要問題。鐵路、水利水電及公路等部門對30m以下的邊坡都做過系統(tǒng)的研究，但對于30m以上的黃土邊坡設計標準基本為空白，有關其變形破壞機理、穩(wěn)定性及可靠性分析評價等方面系統(tǒng)研究還較少，使得設計部門缺少邊坡設計依據(jù)。在黃土高邊坡的工程設計中，基本上憑經驗給出，缺乏理論指導。與此同時，西部大開發(fā)也帶動了某省高等級公路建設的快速發(fā)展，某省黃土地區(qū)公路己經出現(xiàn)和將要出現(xiàn)大量的深挖路塹邊坡。由于種種原因，導致邊坡穩(wěn)定性降低，滑坡時有發(fā)生，給道路的安全通行和當?shù)氐纳a生活造成了不同程度的影響。2012年3月9日凌晨3點左右，某縣鹽鍋峽鎮(zhèn)發(fā)生一起大面積滑坡災害，滑體長約30米、寬約80米、厚約2米，滑坡土方量約5000立方米，造成通往鹽鍋峽鎮(zhèn)的主干道路鹽北路完全中斷，滑坡共造成62畝農田被埋，其中冬麥26畝，另有83棵棗樹被毀，造成經濟損失數(shù)億元。某滑坡見圖1所示。XX一級公路深挖路塹高邊坡，由于縱斷面長、橫斷面寬、坡高極高，工程量巨大，工程造價也就自然而然的很高，那么在這種實際情況下，實時地對XX一級公路深挖路塹高邊坡的設計方案開展優(yōu)化和加固措施研究就很有必要。在經濟合理的前提下采取合理的加固措施，從而保證邊坡的整體穩(wěn)定性，是工程中需要解決的技術難題，也是當前面臨的主要問題。高速公路路塹邊坡是一種人工開挖的永久性邊坡，邊坡的穩(wěn)定性分析具有重要的時效意義，隨著公路建設的快速發(fā)展，越來越多的深挖路塹邊坡會遇到穩(wěn)定性問題和采取何種加固措施的問題。 圖1 2012年某滑坡 項目概況某(新城)至某沿黃河快速通道作為某市南濱河路“黃河風情線”的延伸段，是某一小時都市經濟圈內的交通要道，也是某南部各縣區(qū)與外界聯(lián)系的主要通道。本項目的建設對開發(fā)某至某沿黃河經濟帶，整合區(qū)域特色旅游資源、打造沿黃河特色生態(tài)旅游線路具有重要意義。 本項目地跨某市西固區(qū)及臨夏州某縣，起點位于新城鎮(zhèn)黃河新橋南橋頭，與已建的西固至新城一級公路終點順接；路線沿黃河兩岸布線，經河口、張家臺、扶河、鹽鍋峽、恐龍灣、朱家臺、孔家寺，終點位于某縣古城村，與臨夏折橋至某達川二級公路及某縣城市道路順接（終點樁號K48+）。本項目采用一級公路標準建設，設計車速為60km/h。，整體式大橋2505m/9座，分離式大橋3090m/10座；整體式中橋134m/2座,分離式中橋241m/3座；；；渡槽180m /3座；涵洞110道；隧道3941米/3座（以單洞長度計）；互通式立交4處（舊鐵路橋頭、扶河、金泉、太極鎮(zhèn)），平面交叉27處；服務區(qū)1處（青春灘、某）、停車區(qū)2處（三江口、金泉、大川）、管理所1處（青春灘）、養(yǎng)護工區(qū)1處（鹽鍋峽）、收費站1處（張家臺）、隧道管理站處4處（青春灘、鹽鍋峽鹽鍋峽恐龍灣），觀景臺8處。本項目中有高填方邊坡和深挖路塹邊坡，其中深挖路塹邊坡里面大多數(shù)屬于高邊坡，詳見表1。深挖路塹邊坡采用臺階形，挖方坡率采用1:~1:，每級邊坡高6m，挖方平臺2m，并根據(jù)挖方高度設置一級4m加寬平臺；砂巖。泥巖挖方采用1:，每級高6m，對于平層、順傾砂巖邊坡，增設錨固防護后采用1:，加固邊坡高度每級8~10m。表1 深挖路塹一覽表序號起訖樁號長度（m）中樁最大填高（m）最大邊坡高度（m）1YK5+075~YK5+170952K6+105~K6+3652603K7+580~K7+9003204K23+450~K23+6001505K23+900~K23+980806K24+535~ZK24+340597K29+540~K29+7001608K30+134~K30+3001669K30+780~K30+92014010K30+920~K31+26034011K31+280~K31+40012012K31+620~K31+77015013K31+810~K31+9009014K32+770~K32+92015015K33+100~K33+22012016K33+360~K33+4357517K33+440~K33+82038018K34+965~K35+14017519K35+240~K35+48024020K36+190~K36+33514521K36+375~K36+4558022K36+550~K36+60050 同時為確保邊坡穩(wěn)定，加強坡面平臺排水溝、截水溝、吊溝的設置，并于巖土交界面處和卵石夾層處設置6m寬挖方平臺，并根據(jù)土層情況增設必要的防護工程措施。對于深挖邊坡滲水或巖隙水較多路段設置縱向滲溝排除滲水。二．項目前期科研及工作基礎 邊坡穩(wěn)定性分析研究現(xiàn)狀邊坡穩(wěn)定性分析的目的：一是對路堤邊坡穩(wěn)定性做出定性和定量評價；二是為合理地設計人工邊坡和邊坡變形破壞的防治措施提供依據(jù)。近幾十年來，邊坡穩(wěn)定性分析方法不斷得到發(fā)展，多種方法應運而生，如條分法、數(shù)值分析方法、塑性極限方法、可靠度法、模糊數(shù)學法、地質類比法等。邊坡工程的研究歷程看，邊坡穩(wěn)定性研究發(fā)展的過程，同時又是一個邊坡穩(wěn)定性分析方法的不斷發(fā)展的過程。新的邊坡穩(wěn)定性方法不斷出現(xiàn)，老的方法也在不斷改進，且逐步由定性向定量地方向發(fā)展。定量分析方法的實質是一種半定量的方法，盡管評價結果表現(xiàn)為確定的數(shù)值，但最終判定仍依賴人為的判斷。目前，所有定量地計算方法都是基于定性分析基礎之上的?？傮w上來說，邊坡穩(wěn)定分析包括定性分析方法和定量分析方法。（1）定性分析方法邊坡穩(wěn)定性的定性分析方法是在大量收集邊坡所在地區(qū)的地質資料的基礎上，綜合考慮影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素，通過工程類比法或者圖解法等估計和預測邊坡的穩(wěn)定狀況和發(fā)展趨勢。① 地質分析法（歷史成因分析法）：此方法通過對邊坡發(fā)育的地質環(huán)境、邊坡發(fā)育歷史中的各種變形破壞跡象及其基本規(guī)律和穩(wěn)定性影響因素等的分析，追溯邊坡演變的全過程，預測邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的總趨勢及其破壞方式，從而對邊坡的穩(wěn)定性做出評價。主要用于天然斜坡的穩(wěn)定性評價。② 工程類比法：該法是通過對比自然穩(wěn)定山坡與不穩(wěn)定坡體的工程地質條件差異，結合相鄰區(qū)場區(qū)既有邊坡的穩(wěn)定性狀，找出相應的設計參數(shù)。針對設計公路路塹邊坡在巖性、結構及工程措施的相似性來進行穩(wěn)定性分析與判斷。此法簡單易行，但由于巖土邊坡的復雜性，沒有完全相同的邊坡，所以應用起來具有一定的困難性。③ 圖解法：圖解法包括赤平極射投影、實體比例投影與摩擦圓等方法。圖解法用于巖質邊坡的穩(wěn)定性分析，可快速、直觀地分辨出控制邊坡的主要和次要結構面、確定出邊坡結構的穩(wěn)定類型、判斷不穩(wěn)定塊體的形狀、規(guī)模及滑動方向。對于用圖解法評定為不穩(wěn)定的邊坡，需要進一步用計算機加以驗證。④ 邊坡的分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)：邊坡工程地質數(shù)據(jù)庫就是收集已有的多個自然邊坡、人工邊坡實例的計算機軟件。其按照一定的格式，把各個邊坡工程實例的發(fā)育地點、地質特征、變形破壞影響因素、形式、過程、加固設計以及邊坡的坡形、坡高、坡角等收集起來，并有機地組織在一起?？芍苯痈鶕?jù)不同設計階段的要求和相關的類比數(shù)據(jù)，方便快捷地從中查得相似程度最高的實例進行類比，以更好地指導實踐、節(jié)約費用。專家系統(tǒng)是一種按學科及相關學科專家的水平進行推理和解決問題、并能說明其緣由的計算機程序。邊坡穩(wěn)定分析設計專家系統(tǒng)就是進行邊坡穩(wěn)定性分析與設計的智能化計算機程序，其把某一位或多位邊坡工程專家的知識、工程經驗、理論分析、數(shù)值分析、物理模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等行之有效的知識和方法有機地組織起來的計算機程序，用來模擬再現(xiàn)人腦的思維過程，吸收其合理的知識結構，尋求優(yōu)化的技術路徑。（2）定量分析方法邊坡穩(wěn)定性定量分析是根據(jù)邊坡每一區(qū)段的巖土技術剖面，確定其可能的破壞模式，并考慮所受的各種荷載，如重力、水作用力、地震或爆破動力等，選擇適當?shù)膮?shù)進行計算。定量分析的主要方法有：極限平衡法、數(shù)值分析法、不確定分析法等三種，其中極限平衡法屬經典的方法。在邊坡的穩(wěn)定性分析中常用的數(shù)值方法有：有限單元法、邊界元法、有限差分法、離散元法等，其中有限元法應用較為廣泛。此外，尚有DDA法、運動單元法以及近年提出的基于余推力的臨界滑動場（CSF）法等新興發(fā)展起來的分析方法。① 極限平衡法極限平衡法是土坡穩(wěn)定性分析中發(fā)展最完善、最早出現(xiàn)的確定性分析方法。其基本方法是：假定邊坡的巖土體破壞是由于邊坡內產生了滑動面，部分坡體沿滑動面滑動而造成的。根據(jù)具體情況選擇合理的滿足摩爾—庫倫準則的滑動面，形狀可以是平面、圓弧面和其他不規(guī)則曲面。由靜力平衡關系，從而達到定量評價的目的并求出一系列滑動時的破壞荷載和最危險滑動面。其中包括普通條分法、改進條分法、畢肖普的改良方法、力平衡方法、MorgenSternNR及priceVE等方法，國內外土力學教程中主要介紹的各種極限平衡法，如瑞典圓弧法、sarmaSK法。其優(yōu)點是模型簡單、計算簡捷，在不能給出應力作用下的結構圖像的情況下，仍能對結構的穩(wěn)定性給出較精確的結論。分析失穩(wěn)邊坡反算的強度參數(shù)與室內試驗吻合度較好，使分析程序更加可信。但需要先知道滑動面的大致位置和形狀，對于均質土坡可以通過搜索迭代確定其危險滑動面，但是對于巖質邊坡，由于其結構和構造比較復雜，難以準確確定其滑動面的位置，而且確定時也帶來很大隨機性，這就給巖質邊坡的穩(wěn)定性分析帶來較大困難。此外，極限平衡法沒有考慮材料的應力應變關系，所求出土體條間的內力或滑條底部的反力均不能代表邊坡滑動變形時真實存在的力，所得安全系數(shù)只是假定滑裂面上的平均安全度。這給邊坡穩(wěn)定性分析帶來了很大的不確定性，而且無法對邊坡的變形破壞模式做出判定。② 數(shù)值分析方法數(shù)值分析方法主要有有限元法、無界元法、離散單元法等。有限元法是邊坡穩(wěn)定性分析中用得較多的一種數(shù)值方法，它能滿足靜力平衡條件、應變相容條件，考慮了巖體的不連續(xù)性和非均質性，將無限自由度的結構體轉化為有限自由度的等價體系，還能夠模擬土體與支護的共同作用。它幾乎適用于所有的計算領域，其最大優(yōu)點是不但能進行線性分析還可以進行非線性分析，但是有限元這種方法在實際工程中受物理參數(shù)選取影響較大，對大變形求解、應力集中等問題的求解還有待改進。沈鳳生等考慮了F238斷層以及各種泥化夾層，對23個典型斷面考慮3種滑動形式，每種按不小于2萬個潛在滑動面進行搜索求解最小安全系數(shù)及相應潛在滑動面的位置，采用三維有限元法對小浪底水利樞紐工程進水口南端山體高邊坡穩(wěn)定性進行了研究，根據(jù)應力計算的結果，在計算范圍內截取典型的可能滑動的垂直剖面，在該剖面內的各結點應力采用互維有限元計算結果值，再根據(jù)沿滑移合方向上總阻滑力與滑動力相等的條件，求出該滑動面上的安全系數(shù)K。由于實際工程的復雜性，在運用有限元分析高邊坡穩(wěn)定性的時候，應該根據(jù)山體的巖質情況，以及施工開挖和支護進程對高邊坡的穩(wěn)定性進行施工進度模擬分析，以確定施工和開挖完成期該高邊坡的穩(wěn)定性。秦衛(wèi)星等基于滑裂面應力有限元分析了邊坡的穩(wěn)定性，在此基礎上，許多研究者進一步研究在滑裂面中尋找一個臨界滑裂面的可能性，這項工作采用了與極限平衡法相同的計算步驟，同時也獲得了最小安全系數(shù)和臨界滑裂面。D V Griffiths等使得有限元分析結果更能反映實際邊坡。此外，有限元強度折減法近年來受到國內外巖土工程界的青睞，取得了較好的成果，通過不斷地增加強度折減系數(shù)，直至達到臨界破壞，其折減的系數(shù)即為穩(wěn)定系數(shù)。該方法不需要事先假定滑裂面的位置和形狀，由程序自動求出滑裂面，而且能夠模擬支護體和坡體的共同作用，還能夠考慮到開挖工程中對邊坡的影響。強度參數(shù)折減，即為了達到邊坡極限狀態(tài)，對黏聚力和內摩擦角的正切值進行折減，分別作為新的材料參數(shù)代入進行有限元計算。這樣確定的臨界折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。通過這種方法還可以同時得到臨界滑裂面的位置，Dawsonem等用該方法對邊坡進行了分析。曹先鋒等基于強度參數(shù)折減的有限元法，提出利用溫度場來控制強度參數(shù)的折減和利用ABAQUS使材料參數(shù)隨溫度變化的功能，整個分析過程是一次完成的，大大簡化了計算工作量。此外，還討論了單元類型對計算的影響，得出采用四節(jié)點四邊形單元能夠保證數(shù)值解的準確性。無界元法是P Bettess于1977年首次提出的方法。它可以看作是有限元方法的推廣，它采用了一種特殊的形函數(shù)及位移插值