道路边坡稳定与加固设计.doc
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1、河 海 大 学 学 士 学 位 论 文道路边坡稳定与加固设计土工格栅加固方案 贾雷刚(河海大学交通工程学院,江苏 南京 210098) 摘要:随着现代施工技术和施工机械的发展,越来越多的大型工程正在世界各地改变着大自然的面貌,道路越修越宽,桥梁越来越长。在大型工程给人们带来便利的同时,施工过程中的边坡问题对日常生活造成的危害也越来越严重,滑坡、泥石流、坍塌等地质危害在中央电视台天气预报中的专门预测就是一个表露。针对现在的边坡治理问题,本文着重阐述土工格栅的治理方案,以河南新乡潞王坟村的边坡为实例,通过岩土软件Geoslope的建模来计算边坡失稳机理;并采用土工格栅+回填土的施工工艺来对边坡进行
2、加固处理,并运用相关知识进行加固后的边坡稳定验算。关键词:土工格栅;边坡;稳定系数;加固Slope stability and reinforcement designJIA Leigang(The College of Traffic and Ocean Engineering , Hohai University, Nanjing, Jiangsu,210098,China)Abstract:With the development of modern construction techniques and construction machinery, more and more lar
3、ge-scale projects around the world are changing the face of nature, the roads wider and the bridge longer. While the large-scale projects facilitate people, the harm on the daily life caused by the slope problem in the construction process is more serious, it is a show that geological hazards such a
4、s landslide、mud-rock flows and the collapse are forecasted specially on CCTV “Weather Forecast . For the current slope governance, this article focuses on the governance of geogrid for the slope example of Henan Xinxiang Luwang Grave Village, calculating the mechanism of slope instability through th
5、e model by geotechnical software Geoslope,reinforcing the slope through geogrid and back filling construction technology ,and then checks the slope stability which is reinforced using relevant knowledge.Key words:Geogrid, slope, stability coefficient, reinforcement第一章 绪论1.1 概述边坡是指具有倾斜坡面的岩土体,可分为天然边坡和
6、人工边坡。天然边坡是指由于地质作用自然形成的边坡,如山坡、江河的岸坡等;人工边坡是指经过人工开挖、填形成的坡面,如基坑、渠道、土石坝、路堤等的边坡。由于边坡表面倾斜,在土体自重及其他外力作用下,整个岩体都有从高处向低处滑动的趋势,所以边坡的稳定性是由土体的工程地质、水文地质条件和岩土体力学性质决定。图1-1 某地人工开挖的边坡1.2 滑坡滑坡是斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象,灾害形态表现为斜坡的变形和滑落。按照组成边坡土体的性质,通常分为土坡滑动和岩坡滑动。引起滑坡的根本原因是土体内部某个面上的剪应力达到了它的抗剪强度,稳定平衡遭到了破坏。使剪应力达到抗剪强度的起因有二:一是由
7、于土体内部剪应力的增加,例如堤坝施工中上部填土荷重的增加,降雨使土体重度增加、产生渗流力,坡面或者坡顶施加过重荷载或由于地震、打桩等引起动力荷载;二是由于土体本身抗剪强度的减少,例如孔隙水压力的升高,气候变化产生的干裂、冻融,粘土夹层因浸水而软化等引起的岩土体强度降低。1.3 滑坡产生的危害 滑坡是一种重要的地质灾害,对人类的生命财产带来重大威胁,例如滑坡可导致交通中断、河道堵塞、厂矿城镇被掩埋、工程建设受阻等。表1-1统计了上世纪世界上的一些重大滑坡灾害的实例。从中可以发现一些规模较大的滑坡,如意大利的瓦依昂滑坡,死亡人数达几千人;中国宁夏海源及秘鲁Yungay个别特大滑坡灾害的伤亡人数均以
8、万计;另外由于滑坡堵塞河道形成天然水库,而这些水库又没有溢洪道通,常会在短期内溃决形成特大洪水,由此导致更大的灾害。 表1-2 世界重大滑坡灾害实例国家地区日期滑坡类型危害爪哇1919年 泥石流 5100人死亡140个村被毁中国宁夏海源 1920年12月黄土流 约20万人死亡美国加利福尼亚 1934年12月泥石流40人死亡400间房子被毁日本 久礼 1945年 1154人死亡日本东京西南 1958年 1100人死亡秘鲁 Ranrachirca1962年6月岩石崩塌3500多人死亡意大利 瓦依昂 1963年 岩石滑坡进入水库2600人死亡英国Aberfan 1966年10月流动滑坡144人死亡巴
9、西 1966年1000人死亡巴西1967年 1700人死亡美国弗吉尼亚1969年 泥石流 150人死亡日本 1969年-1972年 各种灾害 519人死亡13288间房被毁香港 1972年6月各种灾害138人死亡日本 Kamijima1972年 112人死亡意大利南部 1972年-1973年各种灾害 100个村庄被毁影响20万人秘鲁Mantaro峡谷 1974年 450人死亡秘鲁 Yacitan 1983年 233人死亡尼泊尔西部 1983年 186人死亡中国东乡县洒勒1983年 黄土滑坡 4个村被毁227人死亡哥伦比亚Armero 1985年11月泥流 约22000人死亡土耳其Catak19
10、88年6月66人死亡从表1-1我们可以看出滑坡所造成的危害是非常巨大的,后果是非常严重的。为了保护人民生活生产的安全,我们必须对边坡的稳定性进行分析,对边坡稳定性不足的部分加以处理,做到早预防、早治理。1.4 滑坡的稳定性分析现状1.4.1 定量分析法边坡稳定性分析还远没有走到完全定量这一步,它只能算是一种半定量的分析方法。(1) 极限平衡分析法极限平衡法是边坡稳定分析中最常用的方法。它是通过分析在临近破坏状况下,土体外力与内部强度所提供抗力之间的平衡,计算土体在自身和外荷作用下的土坡稳定性程度,通常以边坡稳定系数表示为: F=S/ (1-1)式中:S为抗剪强度;为实际剪应力。边坡中最小的稳定
11、系数称为边坡稳定安全系数,它表示了该边坡的稳定程度。目前已有了多种极限平衡分析方法,与其它方法相比,极限平衡法的缺点是在力学上作了一些简化假设,但是近年来已在计算模型、滑动面确定、边坡类型等方面都得到了一定的完善。(2) 数值法现在已出现的数值法有:有限元法、无单元法、离散单元法(DEM)、快速拉格朗日分析法(FLAC)、不连续变形分析法(DDA)、快速流线元法(1990)。有限元法是一种十分成熟的数值方法,也是边坡稳定分析中用得较多的一种方法。有限元的优点是部分地考虑了边坡岩体的非均质和不连续性,可以给出岩体的应力、应变大小与分布,避免了极限平衡分析法中将滑体视为刚体而过于简化的缺点;但它还
12、不能很好地求解大变形和位移不连续等问题,对于无限域、应力集中问题等的求解还不理想。无单元法是有限元法的一种推广,近来已得到广泛的应用。此法采用滑动最小二乘法所产生的光滑函数近似场函数。离散单元法(DEM)是一种适用于模拟离散介质的数值方法。FLAC首先由康德在20世纪80年代提出并将其程序化、实用化。该方法较有限元方法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征,求解速度较快。其缺点是同有限元方法一样,计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。DDA法是石根华博士提出的分析不连续变形问题的一种新的离散型数据值计算方法。快速流线元法是石氏继创立块体理论和DDA后,并在此基础上首创的一种新的现代数值方
13、法。1.4.2 定性分析法定性分析方法主要是通过工程地质勘察,对影响边坡稳定性的主要因素、可能的变形破坏方式及失稳的力学机制等的分析,对已变形地质体的成因及其演化史进行分析,从而给出被评价边坡一个稳定性状况及其可能发展趋势定性的说明和解释。其优点是能综合考虑影响边坡稳定性的多种因素,快速地对边坡的稳定状况及其发展趋势作出评价。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡工程稳定性分析与设计的智能化计算机程序。1.4.3 非确定性评价方法边坡稳定的影响因素众多,有时候很难确定是哪个或哪些变量影响边坡稳定。即使在变量确定的情况下,由于工程量庞大,难以用常规的定量或定性的方法来分析。此时,可以借助一些非确定
14、性的评价方法:模糊综合评价法、可靠度评价方法、灰色系统评价方法。模糊综合评价法主要应用于大型边坡的整体稳定性评价。边坡工程可靠性分析是近20年发展起来的评价边坡工程状态的新方法,它把边坡岩体性质、荷载、地下水、破坏模式、计算模型等作为不确定量,借鉴结构工程可靠性理论方法,结合边坡工程的具体情况,用可靠指标或破坏概率来评价边坡安全度。灰色系统评价方法特别适合于像边坡稳定性这种数据有限,没有原型,复杂而且具有不确定性问题的分析与评价。1.5 滑坡的治理方法现状研究滑坡的处治可以分为防护与加固两种。防护是在边坡稳定的基础上进行的,如果边坡不稳定,首先要进行加固。常用的加固方法的特点及适用范围如下。1
15、、挡土墙重力式:墙自重承受土压力,保持平衡;一般用浆砌片石砌筑,缺乏石料地区可用混凝土;形式简单,取材容易,施工简单;当地基承载力低时,可在墙底设置钢筋混凝土板,以减薄墙身,减少开挖量;适用于低墙、地质情况较好,有石料地区。半重力式:混凝土灌注,在墙背设少量钢筋,墙趾展宽,或基底设凸形;以减薄强身,节省圬工;适用于地基承载力低,缺乏石料地区。悬臂式:采用钢筋混凝土,由立臂、墙趾板;墙踵板组成,断面尺寸小;墙过高,下部弯矩大,钢筋用量大;适用于石料缺乏,地基承载力低地区,墙高6m左右。扶臂式:由墙面板、墙趾板、墙踵板、扶臂组成;采用钢筋混凝土;适用于石料缺乏地区,挡土墙高大于6m,较悬臂式经济。
16、锚杆式:由肋柱、挡土板、锚杆组成,靠锚杆的拉力维持挡土墙的平衡;适用于挡土墙高12m,石料缺乏或挖基困难,具有锚固条件地区。一般多用于路堑挡土墙。锚定板式:结构特点于锚杆式相似,只是拉杆的端部用锚定板固定于稳定区;填土压实时,钢挡杆易弯,产生应力;适用于缺乏石料,具有锚固条件的地区,大型填方工程,不适用于路堑挡土墙。加筋挡土墙:由墙面板、拉条及填土组成,结构简单、施工方便,经济效益大;对地基变形适应性大,对地基承载力要求低;建筑高度大,适用于大型填方工程。2、抗滑桩抗滑桩是一种用于处理滑坡或防止边坡下滑的钢筋水泥混凝土结构,是一种较理想的抗滑设施,但投资较大。桩体可埋入土体20m30m。能够承
17、受较大的土体压力或滑坡推力;桩的横截面较大,刚度大,变形小;桩间土体可用喷锚等柔性防护,不必采用挡土板;适用于边坡开挖后土体压力大或有滑坡推力的情况。锚索抗滑桩具有抗滑桩的特点,但比抗滑桩能承受更大的土体压力或滑坡推力;桩顶加了锚索后可使埋入土体的桩长大大减短;适用于边坡开挖后土体压力或滑坡推力很大的情况。3、预应力锚索 用预应力锚索处理单斜构造岩石边坡,对保证该类边坡的稳定有较好的效果,但难以准确计算被锚固体的下滑力和张拉控制应力。锚索的锚固段应设置在稳定的岩体中,一般用于岩石路段,而不适用土坡或土质松散处。4、压浆锚柱(固结)压浆锚柱(固结)简单地说就是往地层注入水泥浆(掺加一定量的外加剂
18、),以改变土(岩)体物理力学性质(必要时,加一钢筋笼或钢筋束,即锚柱从而稳定边坡的一种方法。其施工设备简单,占地面积小,工期短,见效快,加固地层的深度可深可浅但难以检测注入范围和判断固结状态。5、排水固结 排水固结主要用于表层地下水较多处的边坡加固。有树枝状盲沟,塑料排水管等方式。工艺简单耗用材料少,但遇到有滑层的地方,需配设支挡构造物才能达到满意的效果。6、土工合成材料土工合成材料是一种新型的岩土工程材料,是以人工合成的聚合物(主要有聚丙稀PP,聚酯PET,聚乙烯PE,聚氯乙稀PVC,聚酰胺PA等)为原料,所制成的各种类型产品的总称,它们可置于岩土或其它工程结构内部、表面或各结构层之间,发挥
19、加强或保护土体的作用。目前土工合成材料广泛地应用于水利、水电、公路、铁路和建筑等工程的各个领域。1.6 滑坡治理方法的研究滑坡治理工程是一门应用科学,在稳定性分析时不仅需要运用综合理论知识、室内外测成果、还需要应用工程师的经验,才能获得满意的结果。因此可以预测在下面几个方面的进展将对治理工程有着很大的影响。1、区域性土分布和特性的研究 经典土力学是建立在无结构强度理想的粘性土和无粘性土基础上的。但由于形成条件、形成年代、组成成分、应力历史不同,土的工程性质具有明显的区域性。我国地域辽阔、岩土类别多、分布广。以土为例,软粘土、黄土、膨胀土、盐渍土、红粘土、有机质土等都有较大范围的分布。如我国软粘
20、土广泛分布在天津、连云港、上海、杭州、宁波、温州、福州、湛江、广州、深圳、南京、武汉、昆明等地。人们已经发现上海粘土、湛江粘土和昆明粘土的工程性质存在较大差异。以往人们对岩土材料的共性、或者对某类土的共性比较重视,而对其个性深入系统的研究较少。对各类各地区域性土的工程性质,开展深入系统研究是治理工程发展的方向。2、本构模型研究 在经典土力学中沉降计算将土体视为弹性体,采用布西奈斯克公式求解附加应力,而稳定分析则将土体视为刚塑性体,采用极限平衡法分析。采用比较符合实际土体的应力-应变-强度(有时还包括时间)关系的本构模型可以将变形计算和稳定分析结合起来。自Roscoe与他的学生(19581963
21、)创建剑桥模型至今,各国学者已发展了数百个本构模型,但得到工程界普遍认可的极少,严格地说尚没有。岩体的应力-应变关系则更为复杂。看来,企图建立能反映各类岩土的、适用于各类岩土工程的理想本构模型是困难的,或者说是不可能的。因为实际工程土的应力-应变关系是很复杂的,具有非线性、弹性、塑性、粘性、剪胀性、各向异性等等,同时,应力路径、强度发挥度、以及岩土的状态、组成、结构、温度等均对其有影响。 3、不同介质间相互作用及共同分析 边坡工程不同介质间相互作用及共同作用分析研究可以分为三个层次:岩土材料微观层次的相互作用;土与复合土或土与加筋材料之间的相互作用;地基与建(构)筑物之间相互作用。 4、岩土工
22、程测试技术 岩土工程测试技术不仅在边坡治理工程建设实践中十分重要,而且在稳定性理论的形成和发展过程中也起着决定性的作用。理论分析、室内外测试和工程实践是岩土工程分析三个重要的方面。岩土工程测试技术一般分为室内试验技术、原位试验技术和现场监测技术等几个方面。及时有效地利用其他学科科学技术的成果,将对推动岩土工程领域的测试技术发展起到越来越重要的作用,如电子计算机技术、电子测量技术、光学测试技术、航测技术、电、磁场测试技术、声波测试技术、遥感测试技术等方面的新的进展都有可能在岩土工程测试方面找到应用的结合点。测试结果的可靠性、可重复性方面将会得到很大的提高。由于整体科技水平的提高,测试模式的改进及
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