（道路与铁道工程专业论文）路基边坡受多种灾害毁损及治理跟踪.pdf

摘要 由于工程的需要，公路修筑时往往会在一定程度上破坏或扰动原来较为稳定 的岩体或土体结构而形成新的人工边坡。岩土体作为一种结构体，一方面有着自 身材料与结构的强度和相应的自稳能力，另一方面又因受自然环境或人类活动等 因素的影响，其强度和自稳能力会大幅度下降。路基边坡一旦损毁，便会交通运输 产生不利影响，甚至会对人类的生命财产构成严重威胁。因此，对路基边坡损毁 机理的研究尤为重要，也极具实际意义。 公路处在大自然中，影响路基边坡稳定性的因素众多，且有很大不确定性。 本文在灾变链式理论的基础上，对路基边坡灾害发生发育的延续性和阶段性进行 研究。划分路基边坡灾害演化的阶段，给出灾害演变阶段区划的临界判据。首先 使用公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) ) ) 推荐的计算路基边坡稳定性系数的方 法计算路基边坡的稳定系数，进一步根据稳定系数值来区划灾害演变阶段。并通 过工程实例说明了判据的实用性和可靠性。另外，对于有变形监测资料的路基边 坡，提出用位移响应比区划路基边坡灾变演化阶段。并通过对猴子石滑坡监测资 料的分析，使得位移响应比这一判据得以应用，并与灾变实际情况取得很好的一 致性。 论文对路基边坡安全设防水平多种影响因素进行分析，给出确定路基边坡安 全设防水平的方法。进一步，通过对路基边坡结构安全承载能力的跟踪，得到路 基边坡结构稳定可靠性验证的方法。 最后，结合库区地质灾害调研资料，对滑坡地段公路路基损毁破坏机理进行了 剖析，确定了灾害所处阶段，并提出防治治理方案，为灾害防治提供了参考依据。 比 关键词：路基边坡；损毁机理；阶段划分；临界判据；灾害演变；位移响应 a b s t r a c t o w i n g t ot h er e q u i r eo fe n g i n e e r i n g ，t h es t a b l er o c km a s so rs o i lm a s si sd e s t r o y e d i nac e r t a i nd e g r e et of o r mt h en e wa r t i f i c i a ls l o p ew h e n c o n s t r u c t i n gh i g h w a y t h er o c k a n ds o i lb o d ya sas t r u c t u r eh a v et h eo w n i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yo fm a t e r i a la n ds t r u c t u r e h o w e v e r ，t h ei n t e n s i t ya n dt h es t a b i l i t yw i l lb ed e s c e n d e d l a r g e l yf o ri n f l u e n c ef r o mt h e e n v i r o n m e n ta n dh u m a na c t i v i t i e s o n c et h er o a d b e ds l o p e d a m a g e d ，i tw o u l da f f e c tt h e t r a n s p o r ta d v e r s e l y , e v e nh u m a nl i f ea n dp r o p e r t yw o u l df a c et oas e r i o u st h r e a t t h a ti s w h ys t u d yt od a m a g em e c h a n i s mo fr o a d b e ds l o p ei sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n ta n d m e a n i n g f u le x t r e m e l y m a n yg r e a tu n c e r t a i n t yf a c t o r si m p a c to ns t a b i l i t yo fr o a d b e ds l o p ef o rh i g h w a yi s i nt h en a t u r e o nt h eb a s i so ft h ec h a i n - s t y l e dt h e o r yo ft h ed i s a s t e r , t h ec o n t i n u i t ya n d s t a g ei nd e v e l o p m e n to ft h er o a d b e ds l o p ed i s a s t e rh a v eb e e ns t u d i e d t h ed i s a s t e r e v o l u t i o ns t a g eo fr o a d b e ds l o p eh a sb e e nd i v i d e da n ds t a g ed i v i s i o nc r i t e r i ao fd i s a s t e r h a v eb e e ng i v e n f i r s t ，t h es t a b i l i t yt o e 简c i e n th a sb e e nc a l c u l a t e du s em e t h o dw h i c h t h e ”s p e c i f i c a t i o n sf o rd e s i g no fh i g h w a ys u b g r a d e s ( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) ”r e c o m m e n d e d f u r t h e rt h es t a g e so fd i s a s t e ra r ed i v i d e da c c o r d i n gt ot h es t a b i l i t yc o e f f i c i e n t a n dt h e p r a c t i c a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec r i t e r i o nw e r ei l l u s t r a t e dt h r o u g hae n g i n e e r i n g e x a m p l e i na d d i t i o n ，d i s p l a c e m e n tr e s p o n s er a t i oi sp r o p o s e dt od i v i d ee v o l u t i o ns t a g e o ft h er o a d b e ds l o p ed i s a s t e rw h i c hw i t hi n f o r m a t i o no fm o n i t o r i n gd e f o r m a t i o n a n d t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h em o n i t o r i n gd a t ao fm o n k e y s 哂t o n el a n d s l i d e t h ec r i t e r i o n d i s p l a c e m e n tr e s p o n s er a t i ow a sa p p l i e d ，a n dt h ec o n s i s t e n c yh a sa t t a i n e dw i t ha c t u a l s i t u a t i o n i nt h ep a p e r , t h ed e t e r m i n em e t h o do fs e c u r i t yf o r t i f i c a t i o nl e v e lf o rr o a d b e ds l o p e w e r eg i v e n ，o nt h eb a s i so fa n a l y s i so nav a r i e t yo ff a c t o r so fs a f e t yf o r t i f i c a t i o nl e v e l t h em e t h o dt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fr o a d b e ds l o p es t r u c t u r a la t t a i n e dt h r o u g ht h e 劬c ko nc a r r y i n gc a p a c i t yo ft h er o a d b e ds l o p es t r u c t u r a l f i n a l l y , t h ed a m a g em e c h a n i s mw a sa n a l y z e dw h i c ho nt h el a n d s l i d e ，i n t e g r a t et o s u r v e yd a t ao fg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nt h er e s e r v o i ra r e a t h es t a g eo fd i s a s t e rh a sb e e n d e t e r m i n e d ，p r e v e n t i o nt r e a t m e n tp r o g r a mp r o p o s e d ，a n dr e f e r e n c ef o rd i s a s t e r p r e v e n t i o np r o v i d e d k e yw o r d s ：r o a d b e ds l o p e ；d a m a g em e c h a n i s m ；d i v i s i o no fs t a g e s ；c r i t i c a l c r i t e r i o n ；e v o l u t i o no fd i s a s t e r ；d i s p l a c e m e n tr e s p o o s er a t i o 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：关曼东r 期：砒一年2 月肝日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：关互彖 指导教师签名 日期：w 年7 z 月心日 日期咖卞 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系 列数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规 定享受相关权益。 学位论文作者签名：关生寿、 日期：枷降愚月垃日 指导教师签名： 日期： 6 ，年，l 月f 岁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究现状 1 1 1 路基边坡稳定性分析方法研究现状 目前，国内外常用的边坡稳定性分析方法大致可分为物理模拟方法和数学模 拟方法两大类，其中数学模拟方法包括传统的极限平衡法、现代的各种数值分析 方法及其他数学分析方法，不同的分析方法各有其优缺点及应用范围【1 1 1 1 。 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，但试验 条件复杂，费用高，使用还不普遍。 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，需要对条块件的内力做一些假定，从而也形成了各种各样的分析方法， 主要有： a 瑞典圆弧滑动法( f e l l e n j u 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1 0 2 0 ，这种误差随着滑裂面圆心角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。 b 简化毕肖普( b i s h o p ) 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b i s h o p 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b i s h o p 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 2 第一章绪论 差一般小于1 。 c 简布( j a n b u ) 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 ( m o r g e n s t e r n - p r i c e ) 法那样要运令判岷 d 斯宾塞( s p e n c e r ) 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j 。该法所得的安全系数从工程角度来看 己足够精确。 e 摩根斯坦普赖斯( m o r g e n s t e r n p r i c e ) 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煜教授( 1 9 8 3 ) 对边坡稳定分析的摩根斯坦普赖 斯( m o r g e n s t e m - p r i c e ) 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s t a b 。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。 f 萨尔马( ( s a r m a ) 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 ) 极限分析法 该方法是运用塑性力学上、下限定理求解边坡稳定问题。上限定理解，即所 谓能量法，通常需要假定一个滑裂面，并将滑坡体分成若干刚性块，然后构筑一 个协调位移场，根据虚功原理求解使结构处于极限平衡的外荷载。w f c h e n ( 1 9 7 5 ) 在“l i m i t i n ga n a l y s i sa n ds o i lp l a s t i c i t y 一书中全面阐述了用极限分析求解地基承 第一章绪论 3 载力、土压力和边坡稳定的原理。 应用塑性力学上限原理求解边坡稳定的二维方法( d o n a l d c h e n ，1 9 9 7 ) ，该 方法在上限定理的支持下，应用最优化方法获得安全系数的理论解。一系列的算 例表明，这一方法可以获得与5 0 年代由索科洛夫斯基提供的闭合解完全一致的结 果。 3 ) 有限单元法 1 9 6 7 年c l o u g h 和w o o d w a r d 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考虑到了土的非线 性应力一应变关系，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f l a c 3 d ，a n s y s 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。 4 ) 离散单元法和块体理论 c u n d a l l ( 1 9 7 0 ) 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。g o o d m a n 和s h i ( 1 9 7 5 ) 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。 模糊数学、灰色理论等新方法 近2 0 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 4 第一章绪论 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。 1 1 2 边坡加固治理技术概述 岩土体作为一种结构体，一方面有着自身材料与结构的强度和相应的自稳能 力，另一方面又因受环境或人类活动的工程因素影响，其强度和自稳能力可大幅 度下降，故对不稳定边坡常需采取加固治理措施。 边坡治理是一项技术复杂、施工困难的灾害防治工程。其支护方法很多，如 注浆加固、抗滑桩、挡墙、锚杆和锚索掣1 2 j3 1 。 在2 0 世纪5 0 年代，我国加固治理边坡主要采用地表排水、清方减载、填土 反压、抗滑挡墙及浆砌片( 块) 石防护等措施。但工程实践经验表明，采用地表排水、 清方减载、填土反压仅能使边坡暂时处于稳定状态，如果外界条件发生改变，边 坡仍然可能失稳。在1 9 8 1 年洪水期间，宝成铁路有1 0 处滑坡是属于曾经整治过 但仅采用排水、减灾和抗滑挡墙措施的。 2 0 世纪6 0 年代木期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并获得成功。随 后在成昆线、湘黔线、宝成线、川黔线等铁路建设中推广应用。抗滑桩技术的诞 生，使一些难度较大的边坡工程问题的处理成为现实，由于它具有布置灵活，施 工简单，对边坡扰动小、开挖断面小、污工体积小、承载力大、施工速度快等优 点，受到工程师们和施工单位的欢迎，在全国范围内迅速得到推广应用，并从2 0 世纪7 0 年代开始逐步形成以抗滑桩支挡为主、结合清方减载、地表排水的边坡综 合治理技术。 在2 0 世纪8 0 年代末期，由于锚固技术理论研究和凿岩机械取得突破性的发 展，我国开始大量采用锚喷防护技术。锚喷技术的采用对高边坡提供了一种施工 快速、简便、安全的处治防护手段，因此很快得到广泛采用。对于排水，人们也 有了新的认识，主张以排水为主、结合抗滑桩、预应力锚索支挡综合整治。南昆 铁路八渡车站巨型滑坡，采用地面、地下排水，锚索和锚索桩支挡的综合治理措 施获得成功。该项治理工程后被誉为2 0 世纪9 0 年代的治理巨型滑坡的成功典范。 在2 0 世纪9 0 年代，压力注浆加固手段及框架结构越来越多的用于边坡处治， 尤其是用于高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治技术，能解 决边坡的深层加固及稳定性问题，达到根治边坡的目的，因而是一种极具广泛应 用前景的高边坡处治技术。 近年来，随着科学技术的发展，可供选择采用的边坡加固措施越来越多，有 削坡减载、排水与截水措施、锚固措施、混凝土抗剪结构措施、支挡措施、压坡 措旌以及植物框格护坡、护面等。在边坡加固治理工程中也开始强调多措施综合 第一章绪论 5 治理的原则，以加强边坡的稳定性。今后随着工程建设规模的不断增大，边坡高 度的不断增高，复杂性不断增大，对边坡的处治技术要求也将越来越高。 在上述边坡加固治理的几种常用技术措施中，其中由于锚杆锚索能体现出主 动支护的概念，因此得到了国内外学者的广泛的重视。a r f r e db u s c h 于1 9 1 2 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2 0 - - 3 0 年的试 验、改进和发展，美国的锚杆技术取得了成功。2 0 世纪5 0 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9 0 以上，英国1 9 8 7 年开始从澳大利亚引进锚杆技 术，到1 9 9 4 年其锚杆支护率也达到了8 0 。我国从1 9 5 6 年开始试用锚杆支护， 四十多年来通过大量的实验和现场应用，已经在作用机理和工程应用上取得了很 大的进展，朱维申等人己经将边坡中锚杆系统的支护作用综合考虑到施锚岩体中。 特别是近年来许多大型水利工程的立项，为锚杆支护系统的研究和应用提供了很 好的工程背景。 1 2 研究内容与意义 l 。2 1 研究内容 无论是几十米高的陡峭的路基高边坡，还是只有几米高的较平缓的一般性路 基边坡，都需要进行边坡稳定性评价并对其破坏机理进行研究。对于稳定的边坡， 要分析边坡在自然因素影响下，及在人为因素的干扰下( 如开挖) ，是否始终处于稳 定的状态；而对于非稳定的边坡，要分析其破坏机理、确定其损毁阶段。进一步 提出其灾变演化过程中，断链减灾 1 4 - 1 7 1 的工程防治治理措施。 根据上述边坡稳定性分析及加固治理技术的研究现状，笔者在查阅相关文献， 参考己有一些研究成果的基础上，通过对路基边坡典型破坏型式的分类，诱发路 基边坡破坏因素的分析，划分灾害演化阶段，并确定灾害阶段区划判据。分析路 基边坡安全设防水平影响因素，给出安全设防水平的确定方法。提出边坡结构安 全承载力的跟踪方法，用以验证边坡结构稳定可靠性。另外给出路基边坡典型破 坏的特征参数，初步建立路基边坡灾害的演化跟踪模型、给出边坡防护后效跟踪 与评价方法，为后续课题多种灾害治理跟踪系统提供依据。并将成果推广应 用与工程实际。本论文拟研究的主要内容如下： 路基边坡常遇灾害类型及特征； 路基边坡灾害演变规律及阶段区划判据； 安全设防水平的确立； 边坡结构安全承载稳定可靠性验证； 边坡防护后效评价方法； 6 第一章绪论 1 2 2 研究意义 路基边坡损毁的客观现实性 1 9 9 5 年1 0 月，3 3 0 国道青田县茅洋村路段边坡崩塌，途经此地至金华大客车 被埋，车内3 7 人全部身亡，车辆报废。 2 0 0 1 年5 月1 日重庆市武隆县县城江北西段发生山体滑坡，造成一栋9 层居 民楼房跨塌、死亡7 9 人，阻断了3 1 9 国道新干道，几辆停靠和正在通过的汽车也 被掩埋在滑体申。 云南省的公路边坡灾害调查数据显示，1 9 9 0 - 1 9 9 9 年，云南公路边坡发生大、 中型崩塌、滑坡、泥石流1 3 5 - 1 4 4 次，造成1 0 0 0 余座桥梁被毁，经济损失达1 6 8 亿余元，并对全省2 2 2 0 k m 公路的运营构成严重威胁。 从四川省交通厅抗震救灾指挥部获悉，截至2 0 0 8 年5 月2 8 日，汶川地震灾 害已造成四川交通基础设施损失5 6 0 亿元，其中7 条高速公路部分路段路基、桥 梁、隧道等结构物受损严重，经济损失约6 0 亿元。5 条国道和1 0 条省道严重受损 和断道，路基、桥梁、隧道等结构物大面积严重受损，经济损失2 3 8 亿元。1 8 2 6 4 万公里农村公路严重毁损，大面积出现断道，经济损失达2 3 1 亿元以上。公路养 护设施受损也十分严重，损失5 5 亿元。码头、客运站点等基础设施大面积被破坏， 损失2 5 5 亿元。 2 0 0 8 年9 月2 5 日以来，兰州地区连续降雨，致使兰州周边兰临、兰海等高 速公路多处路段发生大面积的山体滑坡，路基毁损，造成交通中断，其中山体塌 方量达1 2 2 万多方，造成直接经济损失达4 0 0 0 万元。 2 0 0 9 年3 月川藏公路k 4 1 2 2 + 2 0 0 米处，因山体崩塌将3 0 余米的公路掩埋造 成川藏公路中断，5 0 余台车辆被堵。 广西壮族自治区2 0 0 9 年7 月的大范围强降雨天气造成不少公路路基被冲毁， 道路断道，累计中断交通2 8 2 条，直接经济损失约4 3 亿元。 上述种种事例，由于路基边坡发生破坏而造成交通中断、生产停顿、江河堵 塞，建筑物被毁坏，使人民的生命财产遭受极其严重的损失。 为了减少和消除各种路基边坡事故的发生，必须加强科学研究工作，尤其是 对边坡失稳机理及治理措施研究。 研究意义 从上述分析可知，对高速公路边坡稳定性分析及加固治理技术进行深入系统 研究具有一定的理论及工程实际意义。根据本论文的研究内容，其主要研究意义 如下： 1 ) 通过对路基边坡的变形破坏特征、影响因素进行深入分析研究，有利于更 好的了解路基边坡变形破坏的机理，更好的对其进行防治治理。 第一章绪论 7 2 ) 采用稳定性系数和位移响应比对灾变演化阶段进行区划，有利于灾变过程 中对其进行断链防灾，从而减少灾害引起的损失和灾害治理工程造价。 3 ) 通过对路基边坡的加固治理模式进行研究，及安全设防水平的确定，可更 好的对边坡进行防护治理，对边坡防护治理方案进行优化设计。 4 ) 通过对路基边坡灾害毁损机理，及防护后效跟踪模式的研究，为长远期防 灾提供参考依据。 8 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱因分析 2 1 路基边坡典型破坏类型 2 1 1 路堤边坡的典型破坏类型 库区、地震区公路基底所处条件主要有：平坦区域的路堤，地势较为平坦的 路堤及斜坡地基上的路堤。不同路堤其破坏的表现不同。一般情况下，施工期间 出现路堤整体滑动、坍塌的事件时有发生，通过处理，在通车后出现整体滑动、 坍塌的情况并不多见，破坏形式更多地表现为路堤变形引起的路面开裂、不均匀 沉降或变形导致的路面不平整。路堤边坡发生破坏的原因很复杂，除与路堤形式 有关外，地基情况没勘探清楚、设计存在缺陷、没按规定施工等都可能导致路堤 出现破坏。具体的有以下几种典型破坏类型： ( 1 ) 一般路堤破坏现象表现为路面开裂。其受水的影响较小而填挖交界处处 理不当是路基破坏的主要原因。 ( 2 ) 一般高路堤与一般路堤相比具有边坡高度较高坡度较陡的特点，路面多 产生不均匀沉降破坏，现象为路面开裂及路基边坡土体下滑。主要由路基排水不 顺畅、填挖交界处处理不当、路基填筑速度过快、填料不佳、压实度不足以及路 基边坡坡角防护不当等多种因素引起，如图( 2 1 ( a ) ) 。 ( a )( b ) 图2 1 路基边坡典型破坏类型 f i 9 2 1 f a i l u r em o d e so fr o a d b e ds l o p e ( c ) ( 3 ) 斜坡分为折线型坡面( 图2 1 ( b ) ) 和直线型坡面( 图2 1 ( c ) ) 两种，在 斜坡上修建的路堤边坡多产生不均匀沉降和滑移破坏，现象表现为路面开裂。斜 坡上的路堤较多受水的影响，且填料不佳或与原斜坡上的土质材料有很大差别以 及存在软弱土基等而导致不均匀沉降或边坡土体滑移进一步引起路面开裂。而在 库区道路修建的过程中，在山区修建公路时，难免遇到斜坡上修建路堤的情况， 因此在斜坡上修建路堤时，要研究边坡的稳定性及其合理的设计模式，以达到经 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 9 久耐用的目的。 2 1 2 路堑边坡的典型破坏类型 公路路堑边坡是具有倾斜坡面的坡体，当由于各种自然因素或人为因素的作用 而破坏了边坡坡体的力学平衡时，坡体就要沿着其中某一滑动面发生滑动，使边 坡失稳。 “失稳边坡”是指天然状态下已经或正在变形破坏的边坡。对于失稳边坡，工 程上无法绕避时，应采取整治措施以制止其进一步变形破坏。 土质路堑边坡的破坏形式 1 ) 溜方：由于少量土体沿土质边坡向下移动所成。溜方通常指的是边坡上表 面薄层土体下溜。如图2 2 ( a ) 、2 2 ( b ) 。 2 ) 滑坡：一部分土体在重力作用下沿某一滑动面滑动，常发生在粘土、亚粘 土、粉土之处，如夹有储水的砂层、砂块或粘土和亚粘土与带有储水的砂层交替 时特别不利。如图2 3 ( c ) 。 3 ) 崩塌和碎落：碎落是指软弱石质土经风化而成的碎块，沿边坡向下移动。 崩塌是大的土块脱离原有土体而沿边坡倾落下来。 ( a )( b ) ( c ) 图2 2 土质路堑边坡的破坏型式 f i g 2 2 f a i l u r em o d e so fs o i lc u t t i n gs l o p e 岩质路堑边坡损毁的破坏形式 岩质边坡失稳破坏形式多种多样。从力学特征出发，可将常见的边坡失稳破 坏形式分成岩石崩塌、平移滑动、岩块流动和岩层曲折等几类嗍如图2 3 所示。 1 ) 岩石崩塌：岩石崩塌通常被认为是岩体在陡坡面上脱落而下的一种边坡破 坏形式。它经常发生于陡坡顶部裂隙发育的地方。崩塌的岩块通常沿着层面、节 理或局部断层带或断层面发生倾倒或者其下基础失去支撑而崩落( 图2 3 ( a ) ) 。 1 0 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 2 ) 平移滑动：平移滑动是一部分岩体沿着地质软弱面，如层面、断层、裂隙 或节理面的滑动。其特点是块体运动沿着平面滑移。这种滑动往往发生在地质软 弱面往坡外倾斜的地方( 图2 3 ( b ) ) 。 3 ) 旋转滑动：旋转滑动的滑动面通常成弧形状，岩体沿此弧形滑面滑移。在 均质的岩体中，特别是均质泥岩或页岩中，滑面近似圆弧形。但在非均质的岩坡 中，滑面很少是圆弧形的：因为它的形态受层面、节理裂黼影响( 图2 3 ( c ) ) 。 4 ) 岩块流动：岩块流动通常发生在均质的硬岩层中，这种破坏类似于脆性岩 石，因最高应力点上的破碎而使岩层全面崩塌。岩块流动的破坏形式无明显的滑 动扇形体。其破坏面极不规则，无一定的形状( 图2 3 ( d ) ) 。 5 ) 岩层曲折：有时，边坡破坏也因坡面节理岩层的曲折所致，又称溃曲( 图 2 3 ( e ) ) 。当岩层成层状沿坡面分布时，由于岩层本身的重力作用，或由于裂隙水 的结冰作用，增加了岩层的荷载，而使坡面岩层曲折，导致岩层破坏，岩块沿坡 向下崩落。 ( a ) 岩石崩塌( b ) 平移滑动( c ) 旋转滑动 ( d ) 岩块流动 ( e ) 岩层曲折 图2 3岩质路堑边坡破坏形式 f i 9 2 3f a i l u r em o d e so fr o c kc u t t i n gs l o p e 2 1 3 半填半挖路基边坡的破坏形式 半填半挖路基边坡的分类 在总结我国高速公路工程边坡勘察成果的基础上，将各种半填半挖路基边坡 按不同工程地质特性和不同交接面结构加以区分，一种边坡代表一种工程地质特 征和结构面特征，其稳定特点和对工程的影响自然也各不相同。首先，按交接面 结构特征进行一级分类，因为半填半挖路基边坡的稳定取决于交接面的稳定。其 第二二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱因分析 1 1 次，再按交接面岩土性质进行二级分类，因为在相同交接面结构特征下，交接面 岩土性质是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性评价和处理 的方法。最后，如果边坡已经变形，再按其变形特征进行三级分类，因为不同变 形类型的边坡，对高速公路工程半填半挖路基边坡的影响和评价处理方法是不相 同的。 按照上述分类原则，根据工程实际高速公路半填半挖路基边坡进行如下分类。 按交接面结构特征( 填土高度、交接面坡角) 把半填半挖路基边坡分成高陡交接面 ( 如图所示) 路基边坡和普通交接面( 高陡边坡) 路基边坡( 公路路基设计规范 ( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) 结合填料的种类，进行了划分。本项目参照规范的定义，将坡度陡 于1 ：2 5 且高度大于2 0 m 挖填路基边坡统称为高陡交接面路基边坡，其他统称为 普通交接面路基边坡；按边坡岩性把未变形边坡统分为岩质交接面边坡、土质交 接面边坡和土石交接面边坡。根据岩土体性质，对岩质边坡和土质边坡进行细部 分类；按边坡变形情况把边坡分为变形边坡和未变形边坡。半填半挖路基边坡分 类【1 8 】汇总列于图2 4 。 牛圾譬挖络壤边皱 商淀爱後砸边坡li 翳通蹙接两边坡 崧质交接嘶边坡ll 土凌交接两边坡 礁 质 交 接 面 边 缓 较 质 交 接 瓤 边 坡 锻 交 接 蕊 边 坡 砂 土 交 接 面 边 缓 土 石 交 接 砸 边 坡 较 交 接 面 边 缓 特殊崭卡质 黧接面坡 者溶，滟缸 流、犬攫迪质 断袋锘等不 良她质突接 萄边璇 图2 4半填半挖路基边坡分类 f i 9 2 4 c l a s s i f i c a t i o no fh a l fi d l i n gh a l fd i g g i n gr o a d b e ds l o p e 半填半挖路基边坡的损毁形式 1 2 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 边坡地形地质条件复杂，造成边坡破坏的因素很多，因此边坡破坏的形式多 种多样。半填半挖边坡的变形破坏类型【4 9 】通常包括滑坡、坍塌、流坍以及冲刷破 坏依据变形破坏特征、变形破坏机制和破坏面形态，把边坡变形破坏类型归纳于 表1 1 。 表2 1 半填半挖路基边坡损毁形式 t a b l e 2 1f a i l u r em o d e so fh a l ff i l l i n gh a l fd i g g i n gr o a d b e ds l o p e l _ ) 滑坡。在一定自然条件下，边坡大量岩土体在重力作用下，沿着一定的软 弱面( 带) 向下滑动的现象称为滑坡，规模较大的滑坡一般长期缓慢地下滑，滑动过 程可以持续十几年甚至更长。在降雨和地下水的作用下，填挖交接面的岩土力学 性质减弱，坡角比较缓的路基边坡( 一般缓于3 0 ) ，在重力作用下就会出现沿交接软 弱面向下前方整体滑动。不少滑坡由于河流冲刷或人工切割了前缘部分，也有由 于上部超载地下水富集有效应力减少，以及岩土中软弱带抗剪强度降低等原因造 成滑动。按照滑面形态可分为平面型( 图2 5 ) 、圆弧型( 图2 6 ) 和复合型滑坡( 图 2 7 ) 。 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱因分析 1 3 图2 5 平面型滑坡 f i 9 2 5 p l a n a rl a n d s l i d e _ 上直下田堑 壤 图2 6 圆弧型滑坡 f i 9 2 6a r c - t y p el a n d s l i d e h 上圈下直型 c 上下直线、中淘圆弧型d 上下圆强塑、中两直线型 图2 7复合型滑坡 f i 9 2 7c o m p l e xl a n d s l i d e 2 ) 崩塌。崩塌是指陡峻斜坡上的岩、土体在重力的作用下突然脱离坡体向下 崩落的现象。经常出现在山区的陡峭山坡上或交接面很陡的填筑路堤边坡上。崩 塌的发生是突然、猛烈的，具有强烈的冲击破坏力，常使坡脚下的建筑物和道路 工程遭到破坏甚至被掩埋，造成巨大的伤亡和损失。崩塌的垂直变位大于水平变 位，并且运动速度较快，崩塌体散落于坡脚下，不能保持原来岩土的结构和整体 性，亦无明显的滑动面可和滑坡区别。其破坏面形态见( 图2 8 ) 。 图2 8 崩塌破坏形态 f i 9 2 8c o l l a p s ef a i l u r em o d e 1 4 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 3 ) 流坍。由于土质边坡饱水导致抗剪强度非常低或完全消失，发生表层的边 坡流坍。破坏常自坡脚或含水量最大处开始，规模较小无明显的滑面，多见于粘 土或粉土的新路堤和大雨后发生。如果土体的含水量未超过液限，只处在软塑状 态而滑动面又较明显者称为滑坍。如果无草皮或其他防护，而边坡又不甚密实， 受雨水冲刷极易造成坡面上细沟流泥，性质与流坍相近。 4 ) 冲刷。滨河或河滩上路基，边坡受洪水冲刷，滨海路堤还有潮水、风浪的 侵袭，均可能造成局部淘空或成段冲毁。至于边坡破坏的形状，对于均质的路堤 近似于通过枕木头附近和坡脚下的圆弧。亦有自道路中心左右开裂下错，自坡脚 前方挤出。因为均质粘土的抗剪强度，并不随深度而增加，所以深层破坏可能发 生，特别是软粘土。坡面冲刷是指坡面表层土体在降雨及其形式的坡面流作用下 破坏流失的现象。公路作为线状工程，延伸长，其半填半挖路基边坡性质多样， 有些风化物抗冲蚀性弱，因此在不利的降雨条件下往往形成严重的坡面冲刷。 2 1 4 特殊路基 特殊路基是指位于不良地形、不良土壤地质条件、不良水文条件和特殊地理 气候自然环境下的路基。与一般路基相比，特殊路基存在强度低、稳定性差、易 产生病害等问题。路基所处工程自然环境条件具有明显的特殊性，因此必须进行 个别设计，并采取专门的技术自治措施，才能保证路基的强度和稳定性。目前我 国广泛分布的特殊路基有以下几种： 滑坡地段路基 崩塌与岩堆地段路基 泥石流地区路基 岩溶地区路基 软土地区路基 红粘土与高液限土地区路基 膨胀土地区路基 2 2 灾害演变对路基损伤破坏的诱因分析 当路基边坡受灾害作用时，灾害载体常以物质流和能量流的形式输入路基边 坡对路基边坡形成破坏作用，所以灾害是导致路基边坡损伤破坏的诱发因素，可 用图2 9 表征。 同一段路基边坡的失稳往往是受多种因素共同作用的结果，可将这些因素的 作用机理归结为两大类：一是外部环境作用的结果；一是内部岩土材料性质变化 的结果。外部环境的变化通过路基体内部材料性质的变化而产生作用。两种作用 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 1 5 机理的实质都是外部输入的作用超过其路基边坡本身的承载能力而产生破坏作 用。下面简要分析几种常见灾害。 图2 9 灾害系统与路基边坡系统的相互作用过程 f i 9 2 9 i n t e r a c t i o nb e t w e e nd i s a s t e rs y s t e ma n dr o a d b e ds l o p es y s t e m 地震作用 震害对路基边坡的破坏作用可分为两类：一是自振破坏引起的，地震作用使 路基边坡岩土材料产生惯性力，引起岩土材料的应力状态的改变，产生相应的变 形，当总应力超过材料强度时，导致边坡材料产生破坏；另一类是地基失效引起 的，地震波产生强烈振动使地下水位急剧增加，地下水经过地裂缝或松软土质冒 出地面，当地表土层为砂土或粉土时，则兴带着砂土或粉土，形成喷砂冒水现象， 使砂土液化造成地基沉陷失稳破坏，如图2 10 所示。 图2 1 0 地震作用过程示意图f i g 2 1 0t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe a r t h q u a k ep r o c e s s 洪( 雨) 水冲刷作用 当洪水冲刷路基边坡岩土时，路基表面的岩土体产生变形引起岩土体内部应 力重分布，产生应力集中，当应力超过岩土材料的极限强度时，岩土开裂，被水 冲刷、淘蚀，使路基边坡损坏，示意如图2 1 1 所示。 1 6 第二章路基边坡损毁典型破坏类型及诱冈分析 灾害_ + 发生叫 冲刷媒介 流态载体 一 带路基f = = = = = ( 詈苎誊 体继续搬运 兰 图2 1 l 洪水冲刷作用示意图 f i 9 2 iit h es c h e m a t i cd i a g r a mo ff l o o d 雨( 洪) 水浸泡作用 降雨后的雨水通过路基岩土体的空隙，裂缝渗入路基边坡岩土体内，水分渗 透于岩土体，使其力学性质发生变化，材料强度降