（岩土工程专业论文）桩板挡墙在黄土高边坡支护中的应用.pdf

摘要 城市建设用地缺乏是目前山地城市的现状，土地资源的紧缺，周边建筑物林立密布， 城市中高陡边坡及滑坡到处可见，为城市化的大力发展带来极大不便，同时，也为边坡 与滑坡的治理提出了新的要求。 本文以延安市棉土沟黄土危险边坡治理工程为实例，在综合分析边坡工程地质条件 和变形破坏特征的基础上，通过对不同支挡结构形式的大量分析计算，提出了经济合理、 施工方便的边坡支护方案。主要研究成果如下： ( 1 ) 棉土沟黄土边坡地形高陡，已有明显的变形破坏迹象，目前处于不稳定状态， 对下方居民和建筑造成严重威胁。由于坡脚临近建筑物，坡顶为凤凰山森林公园，不存 在大量的放坡条件，因此采用钢筋混凝土桩板支挡与局部削坡、压脚相结合的治理方案 是合理可行的。 ( 2 ) “m 法是普通抗滑桩设计计算的常用方法，但其用于悬臂高度较大的桩板结 构设计计算时，桩身弯矩和剪力存在不合理性，而“k 法的计算结果相对比较合理。 ( 3 ) “k ”法在满足规范要求的位移量情况下，“k 的取值随着悬臂高度的增加而 增大，且位移的大小对“k 的取值比较敏感。 ( 4 ) 在满足规范的要求位移量时，“k 法与“m ”法相比较，桩身弯矩和剪力的计 算结果要小很多，对设计造价具有很大影响。 ( 5 ) 对四种不同桩截面、桩长和悬臂高度的桩板结构各自的弯矩、剪力以及桩顶 位移进行了分析计算，通过造价的对比分析，认为棉土沟黄土高边坡采用悬臂9 m 、截面 2 x 3 o m 的桩板墙支护加固方案是经济合理的。 关键词：黄土边坡、桩板挡墙、k 法、m 法 a b s t r a c t l a c ko fu r b a nc o n s t r u c t i o nl a n di st h em o u n t a i nc i t yo ft h es t a t u sq u o ，t h es h o r t a g eo fl a n dr e s o u r c e s ， m a n yb u i l d i n g si nt h es u r r o u n d i n gc l o u d s ，h i g ha n ds t e e ps l o p ea n dl a n d s l i d ec a nb es e e ne v e r y w h e r ei n c i t y , a sw e l la si n c o n v e n i e n c eb r o u g h ta b o u tb yt h ed e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o n ，a tt h es a m et i m e ，n e w r e q u i r e m e n t sb ep u tf o r w a r di ng o v e r n a n c eo fs l o p ea n dl a n d s l i d e i nt h i sp a p e r ,y a n a nm i a n t u g o ud a n g e r o u sl o e s ss l o p et r e a t m e n tp r o j e c ta sa ne x a m p l e ，o rt h eb a s i s o ft h ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fs l o p ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so f d e f o r m a t i o na n dd a m a g e ，t h r o u g hd i f f e r e n tf o r m so fr e t a i n i n gs t r u c t u r e so fal a r g en u m b e ro fa n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n , e c o n o m i cr a t i o n a l i t yo ft h ep r o g r a mt of a c i l i t a t et h es l o p ep r o g r a m c o n s t r u c t i o n h a sb e e n r a i s e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) m i a n t u g n ul o e s ss l o p ei sh i g ha n ds t e e ps l o p et e r r a i n , t h e r ea r eo b v i o u ss i g n so fd e f o r m a t i o na n d d a m a g e ，i t sc u r r e n t l yi na nu n s t a b l es t a t e ，t h ec u r r e n ti n s t a b i l i t yo rt h eb o t t o mo ft h er e s i d e n t sa n d c o n s t r u c t i o np o s e sas e r i o u st h r e a t d u et ot h ef o o to ft h es l o p er e a rt h eb u i l d i n g s ，j u s to v e rah i l lf o rm e p h o e n i xm o u n t a i n sf o r e s tp a r k , t h e r ei sr ol a r g es l o p ec o n d i t i o n s ，s ot h eu o fr e i n f o r c e dc o n c r e t e s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l la n dl o c a ls l o p ec u t t i n g , ac o m b i n a t i o no fb a c k f i l l i n gf o rs l o p et o ep r e s s i n g i s r e a s o n a b l yp r a c t i c a b l e ( 2 ) ”m ”m e t h o d i st h eg e n e r a la n t i s l i d i n gp i l e so fc o m m o nd e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s ，b u tf o r c a l c u l a t i o no ft h es t r u c t u r a ld e s i g no fp l a t ep i l eo fc a n t i l e v e rh e i g h tf o rg r e a t e r ，p i l eb e n d i n gm o m e n t a n ds h e a r i n gf o r c ei si r r a t i o n a l ，a n d ”k ”m e t h o di sr e l a t i v e l yr e a s o n a b l e ( 3 ) t om e e ts p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t si nt h ec a s eo fd i s p l a c e m e n t , ”k ”v a l u es e l e c t i o ni sh i g h e ra n d h i g h e ra st h ec a n t i l e v e r , a n dt h ed i s p l a c e m e n ti ss e n s i t i v et o k ， ( 4 ) t os a t i s f y t h es p e c i f i c a t i o nr e q u i r e m e n t si nt h ea m o u n to fd i s p l a c e m e n t , b y ”k m e t h o da n d ”m ” m e t h o do fc o m p a r i s o n , t h ep i l eb e n d i n gm o m e n ta n ds h e a rf o r c er e s u l t si nm u c hs m a l l e r ，t h ed e s i g nh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c to n c o s t ( 5 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h e p i l eb e n d i n gm o m e n t , s h e a rf o r c ea n dp i l et o p d i s p l a c e m e n ti nf o u rd i f f e r e n tc r o s s - s e c t i o n ，l e n g t ha n dc a n t i l e v e r , t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e c o s t ，m i a n t u g o ul o e s ss l o p eu s i n gc a n t i l e v e r9 m ，s e c t i o n2 3 0 mr e t a i n i n gw a l lo ft h es h e e t - - - - p i l e r e i n f o r c e m e n tp r o g r a mi se c o n o m i c a l l yj u s t i f i e d k e y w o r d s ：l o e s ss l o p e 、s h e e tp i l er e t a i n i n gw a l l 、k ，m e t h o d 、m m e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：李f 訇庆珈7 年名月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 加声名月乙e t 垆绷岁日 蜀m够1捆删 妒 o 泓 名 玉 戳 名 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 随着城市化水平的提高，城市建设进入了前所未有的发展阶段，特别是山区城市建 设与开发，城市防洪、环境的综合治理等都会有边坡、滑坡等灾害的工程治理。城市建 设用地缺乏是目前山地城市的现状，土地资源的紧缺，周边建筑物林立密布，城市中高 陡边坡及滑坡到处可见，为城市化的大力发展带来极大不便，同时，也为边坡与滑坡的 治理提出了新的要求。 延安市是中国革命的圣地，也是陕北政治、经济和文化中心。新中国成立后，特别是 改革开放以来，延安的工农业生产和城市建设取得了迅猛的发展。1 9 9 7 年升格为地级市 后，历史文化名城延安的城市建设进入了新的发展阶段。由于地处黄土高原，三山( 清 凉山、宝塔山和凤凰山) 环峙、两河交汇( 延河和南川河) ，为典型的山间河谷型城市。 目前，延安城市发展可利用的土地资源十分紧缺，作为主要建设用地的河谷川道已经没 有发展空间，城市建设只能向黄土冲沟和斜坡地带发展。特殊的地形地貌条件、脆弱的 地质环境和人类工程一经济活动的加剧，造成延安市区山体斜坡大量失稳，地质灾害隐 患突出。鉴于滑坡险情形势严峻，为了彻底消除市区中心地段的滑坡灾害威胁，保障延 安城市建设和经济发展，市、区政府在地方财政困难的情况下经反复研究论证，下决心 对居民稠密的电影院棉土沟斜坡段滑坡( 包括危险斜坡) 隐患进行根治。 棉土沟黄土斜坡高约7 0 米，坡度大于5 0 。，因局部滑坡现保留高约4 0 米的陡坡， 处于临空状态，对临近居民和建筑造成严重威胁。由于该治理斜坡段位于城市中心地带， 坡顶为凤凰山森林公园，不容许进行大量削方以放缓边坡，只能选择坡脚支挡、回填反 压的方法进行治理。传统的挡土墙和抗滑桩由于受高度的限制显然不适合本工程治理。 而桩板式挡土墙可不受一般挡土墙高度的限制，且施工简便，外型构造美观，运营后养 护、维修费用低，相比于重力式挡土墙和其它挡土墙有着明显的优越性。因此这种由抗 滑桩发展成的桩板墙支护结构不仅适用于棉土沟高陡黄土斜坡的治理，而且在用地紧缺 的山区城市高陡边坡支护中具有广泛的应用前景。 根据类型的不同，桩板墙兼有以下优点： 第一章绪论 桩板墙结构能够较好地将上部变形体和下部锚固段岩土体连接成一个共同作用 体，将上部变形体剩余下滑推力传递给下部稳定岩土体。利用其自身强大抗弯能力，在 阻止上部变形体出现过大的侧向变形的同时，能够较好地协调两部分岩土体侧向变形差 异。 桩板墙能有效改善因开挖引起的坡脚应力集中现象和上部拉应力现象，避免岩 土体，因过大的应力集中而导致塑性破坏。 抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况下，能够克服抗滑 挡土墙难以克服的困难。桩位灵活，可以设在滑坡体中最有利于抗滑的部位，可以单独 使用，也可与其他建筑物联合使用。分排设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单 元体，对滑坡起到分而治之的效果。 可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋，因此相同条件下，比一般不能分段 布置不同数量钢筋的桩( 如管形桩、打入桩) 要经济。施工方便，设备简单。对于水利工 程中常常遇到的大型滑坡，桩体可采用人工挖孔桩，采用混凝土或少筋混凝土护壁，即 使在地质条件较差的情况下，也可做成二、三十米深的大型抗滑桩，有力的提高边坡稳 定性并且安全、可靠。 间隔开挖桩孔，不易恶化滑坡状态，利于整治正在活动中滑坡，利于抢修工程。 通过开挖桩孔，能够直接校核地质情况，进而可以检验修改原设计，使之切合实际。 然而，桩板墙结构是一个边界条件极为复杂的介质与结构共同作用的体系，它既涉 及土力学中典型的强度及稳定问题，又密切与变形有关，同时还涉及土与围护结构的共 同作用问题。目前在桩板墙的设计中，桩身还是按传统的抗滑桩设计理论和计算方法进 行设计，而挡土板的结构计算常简化为“简支梁型和“两端固定型两种类型，实际 工程中常采用简支梁模型。由于桩土之间的相互作用，对于挡土板后土压力的计算是否 考虑卸载拱原理，显然在钢筋的配置上存在着一定的差异，但关于这方面的研究至今还 处于探索阶段。本文结合工程实际，开展桩板墙设计计算和合理结构形式选择的研究， 既有重要的工程实用价值，也有一定的理论探索意义。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 桩板工程的应用与发展 桩板式挡土墙是由锚固桩发展而来，当边坡采用悬臂式锚固桩支挡时，存在桩间支 挡类型选择问题，桩间挂板或搭板就形成了桩板墙。桩板墙利用桩锚固段的锚固作用和 被动土抗力，维护挡土墙的稳定。桩板挡墙是近年来发展起来的用于土体开挖和边坡稳 定的新型挡土结构。桩板挡墙是由桩与桩间的墙面板共同组成，利用墙面板把土的侧压 力传递给桩，通过桩体来使边坡稳定。桩板档墙不设支撑，完全靠深埋入土体的下部分 两侧的土压力的平衡来维持支挡结构的稳定。2 0 世纪7 0 年代初在柳枝线上首先将板桩 式挡墙应用在路堑边坡中，后来在南昆等线上应用到路堤中，由于工程实践的增多，这 项技术日趋成熟，1 9 9 2 、1 9 9 3 年铁路系统有关单位分别编制了路堑式、路肩式桩板墙通 用图。 2 0 世纪4 0 年代，国外就开始使用此类抗滑结构来整治边坡，以取代高额造价的挡 土墙。国外最早使用抗滑桩是日本，此后美国也在1 9 6 7 年在隧道的上部开挖中使用排 架式抗滑桩。在2 0 世纪7 0 年代，奥地利公路部门将锚索和抗滑桩结合起来整治滑坡。 此外在其他一些国家，如前苏联、捷克斯洛伐克、意大利和波兰等，都曾使用过桩板墙 来整治滑坡，这一技术在国外整治滑坡中已屡见不鲜。 1 2 1 国内外理论研究概况 几十年来，许多学者都对桩板墙的研究做过研究，但是研究重点主要是放在对桩 板墙桩体的研究上。从已有的文献报道来看，桩体研究的内容主要包括：桩土相互 作用机制研究：土体位移对桩侧向作用的影响：桩侧土压力的分布模式；桩间土 的土拱效应；桩体的极限抗力；考虑桩土相互作用的边坡稳定性分析；桩的设计 计算理论研究。 从研究的方法看，主要可分为三类：试验研究，包括室内物理模型试验和现场 原位测试；理论分析，通过建立各种数学物理模型，研究土体移动对桩的影响；数 值模拟研究，主要采用有限元方法，建立二维或三维有限元模型，综合研究桩土相互 作用条件下，桩身变形和内力分布，桩周土体的应力分布和变形响应等规律。下面就有 代表性的一些研究成果，分类简单综述。 国外的研究多侧重于土坡变形作用到桩体上的情况，特别对于海港工程、堤坝工程 第一章绪论 中承受软粘土变形的被动桩的研究较多。对于承受土体水平位移桩和桩群的设计计算， 己提出了许多的方法。归纳起来主要有：压力法、位移法和有限元单元法。b e g e m a n n 和d el e e u w ( 1 9 7 2 ) 乜3 提出计算由地面荷载产生、作用于桩上的荷载时，可近似的认为桩 是刚性的，土体侧向位移和水平应力分布用弹性方法计算，桩应按等值板桩墙考虑， 即为压力法。位移法必须己知无桩时土体自由侧向位移分布，然后把这位移叠加到桩上， 而桩土相互作用则用弹性理论或地基反力计算，位移法能得到桩的弯矩和位移分布情 况。m a r c h e ( 1 9 7 3 ) 口1 及b o u r g e s h l 等( 1 9 8 0 ) 基于p y 曲线法利用有限差分法分析了桩的变 形和弯矩沿桩身的变化。m a u g e r i 和m o t t a 畸1 ( 1 9 9 2 ) 假定作用于桩上的荷载与土体相对位 移为一种非线性双曲线性函数，利用位移法根据地基反力法的概念进行了桩的计算，同 样在土体位移与实测位移相近的情况下得出了较为满意的结果。有限单元法分为平面应 变分析和三维分析，用平面应变计算桩土相互作用时，桩用等值的板桩墙替代，其抗弯 刚度等于平均抗弯刚度，从而把桩群直接分成单元网格进行计算。s p r i n g m a n ( 1 9 8 4 ) 及 s t e w a r t ( 1 9 9 2 ) 将桩排简化为等刚度的板桩，按平面应变问题进行了分析。之后， s p r i n g m a n 嘲( 1 9 8 9 ) 又采用有限元法按三维问题进行了迸一步的分析。 与国外的研究不同，国内对于抗滑桩的计算研究主要集中于加固岩土体边坡方面， 尤其以加固大、中型破碎岩体滑坡为主。对于普通抗滑桩的计算，将滑坡推力作为外荷 载作用于抗滑桩上，桩与岩土相互作用的力学计算模型一般采用线弹性w i n k l e r 地基梁 模型口1 。这种计算方法与上面提到的压力法类似，在此我们也将其称为压力法。根据对 桩前滑体的考虑方法不同，又可分为两种，即悬臂桩法和地基系数法。前者将桩身所承 受的滑坡推力和桩前滑体的剩余抗滑力或被动土压力视为已知外力，然后根据滑动面以 下岩土的地基系数计算锚固段的桩壁应力以及桩身各截面的变位、内力。此法出现较早， 计算简单，在实际工作中应用较多。地基系数法是将滑坡推力作为已知的设计荷载，然 后根据滑动面上、下地层的地基系数，把整根桩当作弹性地基上的梁来计算。在具体的 计算时，根据采用的途径不同，又可分为初参数法、杆件有限单元法和无量纲系数法等 不同方法。 对于平面应变和三维有限单元法在国内也有学者进行了研究计算。位移法和有限 元法可以较为准确的模拟地基和荷载条件，位移法的主要缺点是对土体自由时的位移估 算不准，而有限元法由于桩土性质的复杂性等因素而使其应用受到限制，但这是一种很 有发展潜力的方法。对于工程应用而言，压力法由于其计算简便而得到广泛的应用。压 力法计算抗滑桩的最大问题就是作用于桩上的荷载如何确定，对此有许多学者进行了讨 4 长安大学硕士学位论文 论推导了单排抗滑桩因土体移动而受到的极限侧向力表达式。s h a s s i o t i s 等根据i t o 等的理论分析了抗滑桩加固土坡的稳定性计算。c t p o t a h o b ( 1 9 9 6 ) 根据土体挤压或绕桩 流动过程中由于应力集中形成的塑性区的形状和应力状态，通过积分求解作用于抗滑桩 上的极限土压力。沈珠江( 1 9 9 2 ) 砸1 根据散粒体的极限平衡理论推导了桩的绕流阻力计算 公式。这些方法都是基于理想极限状态的思想得出的，事实上，在工程应用中，抗滑桩 与岩土体未必得到满足要求的极限状态。 我国工程设计计算中一般认为作用于桩上的荷载为两抗滑桩中心距之间的滑体所 产生的滑坡推力，滑坡推力的计算根据边坡的极限平衡稳定性分析方法确定。人们通过 工程实践和模型试验发现，在两抗滑桩之间的岩土体存在着成拱效应，两桩之间的滑坡 推力可以通过土拱作用传递到两侧的抗滑桩上，因此，应用土拱理论来分析抗滑桩上的 荷载也是一条值得探索的途径。关于此方面的研究，多集中于基坑开挖中的桩侧向土压 力分析上，对边坡工程中土拱效应的研究较少。潘家铮( 1 9 8 0 ) 嘲对边坡中的土拱效应进 行了研究，将土拱的形状视为直线，推导了桩间土体的压力传递计算公式。 无论国外还是国内，对坡体中桩间土体之间的受力作用研究甚少。用土拱理论研究 抗滑桩间的滑坡推力传递过程是一种有效的方法，现在虽有初步的研究，但均较为粗 糙，没有得出土拱作用下滑坡推力在坡体与桩间的传递机制。而对于最大桩间距的确定， 目前方法没有全面考虑桩间土拱效应、桩前滑体的稳定以及桩的可能极限承载能力。对 于抗滑桩桩位的确定，目前主要是以经验公式为主，实际过程中依据土拱理论，分析 滑坡的推力传递规律，能够确定更加合理的桩位。 对于挡土板的研究，挡土板采用卸荷拱原理进行计算，或是采用了目前比较常用的 库伦土压力的方法计算了挡土板所受的土压力，挡土板按照两端简支板进行受弯和受剪 的计算，按照受弯构件进行配筋口们。 1 2 2 结构形式的发展概况 桩板挡土墙可根据其受力的不同分成3 种类型：悬臂式桩板挡土墙；锚定式桩板挡 土墙；内支撑式桩板挡土墙。 由于桩板式挡土墙的高度可不受一般挡土墙高度的限制，悬臂式桩板墙地面以上悬 臂高度一般不超过1 5 m ，预应力锚索桩的地面以上高度可达1 5 m 以上。 地基强度不足可由桩的埋深得到补偿。挡土板与一般桩间挡土墙相比，其优点在于 5 第一章绪论 可以不考虑基底承载力；采用装配式挡土板施工方便快捷。滑坡和顺层地段，桩上设锚 索或锚杆可减小桩的埋深和桩的截面尺寸，在悬臂较大或桩上外力较大时，是一种很好 的支挡型式。在减小工程数量、缩短工期、降低成本、节约投资方面，桩板墙这一结 构相比于桥梁方案和其他挡土墙方案在高陡边坡路段及车站地段有着明显的优越性，且 施工简便，外型构造美观，运营后养护、维修费用低。 桩板式挡土墙适用于土压力较大，墙高超过一般挡土墙限制的情况，地基强度的不 足可由桩的埋深得到补偿。桩板式挡土墙可作为路堑、路肩和路堤挡土墙使用，也可用 于处治中小型滑坡，多用于岩石地基。 由于土的弹性抗力较小，设置桩板式挡土墙后，桩顶处可能产生较大的水平位移或 转动，因而一般不宜用于土质地基。若需用于土质地基，一般应在桩的上部( 一般可在 桩项下0 2 9 h 处) n ，设置锚杆等，以减小桩的位移和转动，提高挡土墙的稳定性。 桩板式挡土墙作路堑墙时，可先设置桩，然后开挖路基，挡土板可以自上而下安装， 这样既保证了施工安全，又减少了开挖工程量。运用抗滑桩理论在现代支挡结构的运用 中越来越普遍了，随着新技术、新工艺的发展，桩板墙也广泛的运用于工程实际当中。 1 2 3 桩板墙存在的不足与问题 桩板墙的应用绝大多数取得了成功，个别失败者主要是因为滑坡性质定得不准，如 滑面位置、滑坡范围、滑坡推力，或设计参数定得不准，如地基抗力系数等，造成桩的 埋深不足而倾倒或折断。因此，桩板墙失效的主要原因就是桩体的失效破坏。经总结， 桩板墙在设计上主要有以下几个问题值得注意： ( 1 ) 目前抗滑桩的设计计算理论和计算方法还不成熟。传统设计计算理论所采用的 许多假设都在不同程度地回避了桩一土相互作用的全面分析，即回避了土拱效应的分 析。 ( 2 ) 桩板墙中对抗滑桩合理尺寸，间距以及悬臂高度的确定。 1 。3 研究内容 本文以延安市棉土沟黄土危险边坡治理工程为实例，选择对临近建筑物影响小和 尽量少破坏现有植被的桩板墙支挡结构，通过大量的分析计算，提出了结构合理、节约 造价、施工方便的边坡支护方案。主要研究工作如下： 6 长安大学硕士学位论文 ( 1 ) 以区域自然环境为背景，通过勘察查明边坡的工程地质条件和变形破坏特征， 分析边坡的稳定性和危险性。 ( 2 ) 统计分析边坡岩土体的物理力学参数，为治理工程设计参数的选取提供科学 依据。 ( 3 ) 桩板结构设计理论计算方法的介绍与分析。 ( 4 ) 针对实际工程，分别采用“k 法和“m 法对不同桩截面和悬臂高度的桩板 结构内力、弯矩及桩顶位移进行分析计算，提出合理的设计计算方法和支挡方案。 7 第二章区域自然环境概况 2 1 自然地理概况 2 1 1 地形地貌 第二章区域自然环境概况 延安市位于陕北中部，延河中游，地形以黄土梁、峁丘陵为主，延河、南川河通过 市区并在宝塔山前交汇。宝塔山、凤凰山、清凉山三山对峙，两川呈“y 字型夹于其 间，市区座落于两河河谷阶地上，为典型的黄土高原区山间河谷型城市。黄土幔覆于起 伏不平的基岩顶面之上，并承袭了下伏基岩的古地形，在较稳定抬升的新构造运动影响 下，黄土经流水( 主要是延河、南川河及其支流等) 长期侵蚀下切，形成了今日梁峁起 伏、河谷深切的地形地貌。 根据形态、成因和物质组成，将市区划分为两大类型，即黄土梁、峁和河谷区。 黄土梁、峁由风凰山、清凉山和宝塔山及其它山系组成，平均海拔高度1 1 0 0 m 左右， 相对高差7 0 - 1 5 0 m ，山顶为峁状，局部为梁、峁相间，中间以沟壑相隔。由于该区抬 升较快，土质疏松，水流作用侵蚀强烈，冲沟十分发育，较大冲沟切至基岩，沟坡陡峻， 一般在4 0 。左右，局部地段可达7 0 。以上，因此，这些地带崩塌、滑坡和滑塌极为发 育，水土流失严重，土地可利用率极低。 河谷区主要是延河及其支流侵蚀堆积而成，在市区纵断面比较平缓，横断面比较开 阔，最宽处可达1k m 以上，海拔高程9 5 0 9 8 0 m ，河谷内的次级地貌类型为河谷一、二 级阶地和河漫滩，其中一级阶地分布面积大而且相对连续，二级阶地和河漫滩断续分布， 在二级阶地后缘分布有坡、崩积物，一些大的冲沟沟口发育有冲洪积锥( 扇) 等。 延安城市主要座落于延河和南川河河谷区的一、二阶地上，由于城市规模不断扩大， 目前斜坡和较大的冲沟中已成为居民居住的主要场地。 2 1 2 气象 延安地处内陆，地势较高，气候干燥，冷热不均，温度变化幅度较大，属大陆半干 8 长安大学硕士学位论文 旱季风气候。 据多年气象资料统计，延安市平均气温9 3 ，极端最高气温达3 9 7 ，极端最低 气温为2 5 4 。 延安终年以西南风为主，频率占2 4 ，一般春秋盛以西北风，平均风速2 m s 左右， 最大风速达1 4 3 m s ，春季是大风出现的最多季节，每当冷空气南下时，往往出现强烈 的大风和风沙天气。夏季各月平均风速较小，但因多雷阵雨天气，雷雨前常出现阵性强 劲大风。 延安地处内陆，受东南季风影响较弱，因此，年降水量偏小，多年平均降水量为 5 5 5 8 m m ，最大降水量8 7 2 1 m m ，最小降水量3 3 0 m m 。降水量的年际变化比较明显，枯 水年与丰水年相间出现，一年内的降水量分配极不均匀，7 、8 、9 为集中降雨天气，可 占全年总降水量的6 0 - - , 8 0 ，夏季以雷阵雨为主，降水集中短暂，1 小时最大降水量高 达6 2 m m ，2 4 小时最大降水量达1 3 9 r a m ，秋季降水集中，多以连阴雨出现。本区多年 平均蒸发量1 5 8 2 7 m m ，最大蒸发量1 7 9 3 5 m m ，最小年蒸发量1 2 8 5 5 m m ，蒸发量相当 于降水量的3 倍，因此气候较干燥，多年平均相对湿度为6 2 左右，干燥度为1 2 - 1 3 。 延安市四季较分明，一般初冰期在9 月下旬，终冰期在4 月下旬，无冰期日数1 4 0 - - - 1 7 0 天。土地冻结期为1 2 月 3 月，冻结深度一般达6 0c m 左右，最大冻结深度为7 9 c m 。 2 1 3 水文 延河及其支流是流经市区的主要河流，为黄河水系，河流主要特征是年流量变化悬 殊，延河平均流量在2 2 4 - - - , 9 7 1 m 3 s 之间，最大流量为7 2 0 0 m 3 s ，但却经常断流，南川 河最大流量为6 5 0 m 3 s ，最小时断流，河流主要迳流量集中在7 、8 、9 三个月，可占全 年总径流量的6 0 8 ，而特大暴雨造成的洪水与平时流量相差十分悬殊。 本区河流的另一个特点是含泥砂量高，由于主要流径区为黄土高原，降雨多以暴雨 形式出现，强烈的冲刷作用，各支沟中的泥砂输送到主河道中，特别是洪水季节，河水 携带大量泥砂，“8 月平均含沙量为2 5 3 7 8 - 2 5 6 4 3 k g m 3 ，最大含沙量达1 3 0 0 k i n m 3 。 2 1 4 植被 延安地区地处东部季风区和内陆干旱过渡地带，因而在植被上也有过渡的特色，即 9 第二章区域自然环境概况 从暖温带落叶阔叶林带向温带森林灌丛草原过渡。延安市区及外围植被覆盖率较低，森 林稀少，灌木草丛较多，且分布极不均匀，市区附近的几个山梁，如凤凰山、宝塔山等 植被较多，但多属人工营造林，以刺槐、松柏为主，总体覆盖率约3 0 ，但在坡度大于 4 0 。左右的坡段，几乎无植被。 2 2 地质概况 2 2 1 地层岩性 根据调查和资料分析表明，延安市区地层比较简单，未见有中生代以前的老地层出 露，主要为第四纪黄土及其下部的一套中生代的内陆河湖相碎屑岩沉积岩系，岩层走向 一般为s n 向或略呈n e 向，倾向w 或n w ，倾角极缓，一般在3 。以下，局部地层有 褶曲现象。倾角可达5 1 0 。 市区出露地层从老到新依次为： 侏罗系延安组( j 1 y ) ：该岩组以河湖相沉积为主，根据岩性变化可分为三段，依次 为富县段( j l y l ) ，主要为紫红色为主的杂色泥岩和杂色砂砾岩互层；宝塔山段( j l y 2 ) ， 主要为一套灰白、灰黄色厚层状中粗粒石英砂岩，交错层理发育，含有煤层；枣园段 ( j 1 y 3 ) ，主要为杂色泥页岩和砂岩互层，其中宝塔山段在市区出露最广，是构成河谷 两侧坡脚地带基岩陡坎的主要岩层。延安组岩层总厚度可达1 7 0 - - 4 6 5 m 。 第三系仅有上新统的三趾马红土层( n 2 ) ，该层岩性主要为棕红色粘土，夹有钙质 结核，富含锰质斑点，风化后成碎块，层中含有三趾马等动物化石，厚度5 6 m ，中部 为棕红色疏松的细砂岩，厚度1 4 m ，底部为砾岩，钙质胶结，坚硬致密，厚度l 2 m 。 三趾马红土层主要堆积于侵蚀面上的低凹地带，分布不均匀，厚度变化比较大，一些地 方缺失。 本区第四系地层以黄土为主，遍布全区，不整合于前第四系一切老地层上，厚度变 化较大，一般在数十米到1 0 0 m 之间，最厚处可达1 5 0 余米。根据调查，本区黄土地层 由老到新划分为中更新统的离石黄土和上更新统的马兰黄土，午城黄土在本区不甚发 育，其中离石黄土是构成黄土梁、峁的主要地层，马兰黄土幔覆于离石黄土之表层，厚 度几米十几米。 1 0 长安大学硕士学位论文 另外，在河谷区沉积有更新统和全新统河流相沉积；坡脚处堆积有坡积层和坡洪积 层；大的冲沟沟口和低洼地带堆积有冲洪积层。 2 2 2 地质构造和新构造运动 延安地区地处华北地台的鄂尔多斯台向斜的中部，区内构造简单，地层平缓，无火 成岩侵入，是华北陆台最稳定的部分，全区总体为一轴面走向n n e ，倾向n w ，倾角仅 有1 4 。的单斜构造，局部可见岩层中出现平缓的小褶曲( 倾角2 1 0 。) 和长度仅百米 级的小断层，没有发现大的褶皱和断裂，构造形迹非常简单。 本区在新生代以来，一直处于相对稳定抬升状态。区内第三系厚度很小，断续不整 合于前第三系地层之上，第四系最大厚度不超过2 0m ( 不包括风成黄土的沉积厚度) ， 一般仅数米至十几米，最大洪水位高差仅为1 0 m 左右，所以本区第四纪期间最大沉降幅 度不超过1 0 m 。延河及其支流发育有二级阶地，冲洪积扇以及斜坡地带大量的滑坡、滑 塌和崩塌等均说明自第四纪以来本区的上升幅度远远大于沉降幅度，现今仍处于整体抬 升的状态。 在整个鄂尔多斯台地内部，地震活动极其微弱，延安市附几乎无4 级以上地震发生， 基本烈度为度。 2 3 水文地质概况 延安市区地下水埋藏类型和补给关系较单一，水量不足、水质较差是该区地下水的 重要特征。市区地下水按水力特性及埋藏条件，可分为松散堆积层孔隙潜水和基岩孔隙 裂隙潜水、承压水。下面分别简述其主要特征。 2 3 1 孔隙潜水和基岩裂隙潜水 松散层的孔隙潜水主要分布于河谷区，局部存在于黄土梁峁区。孔隙潜水含水层主 要为第四系冲积卵砾石及砂层，广泛分布于河谷阶地及漫滩区，其上部为黄土状粉质粘 土，下部为基岩，含水层厚度一般为4 - - - 6 m ，最厚可达8 m ，单井涌水量一般为1 2l s 。 由于沟谷切割强烈，地形支离破碎，加之黄土厚度较大，垂直补给量极少，因此黄土及 其下部的第三系砂砾岩层基本失去了储水条件，很难形成统一的含水层，仅在个别沟谷 第二章区域自然环境概况 中己下降泉的形式沿三趾马红粘土( n 。) 或基岩顶面溢出，泉流量小于0 1l s 。 基岩孔隙裂隙潜水主要赋存于砂岩风化壳的孔隙裂隙中，因风化壳的发育受地形条 件、岩性和地质构造等多种因素控制，差异性很大，故风化壳孔隙裂隙潜水的分布很不 均一。在七里铺至延安大学的河谷地段，含水层浅埋于河床及阶地以下，厚度3 0 一- 6 0 m ， 因接受上部松散层潜水及河水的补给，水量较大，单井涌水量一般为5 1 0l s 。在黄 土梁峁区的个别沟谷中，潜水从砂岩层中溢出，泉流量一般0 1 - 0 5l s 。 孔隙裂隙潜水主要接受大气降水补给和侧向补给，其排泄通道为延河及其支流，在 极个别地段有下降泉出露。在市区河谷地段，人为抽取地下水成为地下水的主要排泄方 式。 2 3 2 承压水 根据勘探资料，延安市区上三叠系及下侏罗系砂岩层中均埋藏有承压水，但主要的 承压含水层是下侏罗系延安组宝塔山段砂岩，岩性由上到下为粗砂岩、砂砾岩，厚度2 0 - - 2 0 0 m ，隔水顶板为枣园段泥质页岩，隔水底板为富县段或瓦窑堡段泥岩、页岩，主要分 布于杨家崖以西、柳林以南的河谷、梁峁区。 。 从区域地质构造来看，本区为一单斜构造，宝塔山段砂岩构成自南东向北西倾斜的 自流斜地。在延安城区附近的河谷地段，承压含水层裸露或浅埋于河谷松散堆积层下， 成为自流斜地的一个局部排泄区。总体来看，该区承压含水补给条件差，经流缓慢，水 量较小，单井涌水量小于2l s 。 2 4 不良地质现象 延安市地处黄土高原，地质环境脆弱，在各种外营力作用下，水土流失、滑坡等不 良地质现象非常发育。 2 4 1 水土流失 延安市区地表水土流失严重，平均侵蚀模数达6 5 5 6t k m 2 a ，裸露的黄土在降水和 地表流水的侵蚀及冲刷作用下，形成沟谷纵横的梁峁地貌，向源侵蚀使得大部分沟谷已 逼近分水岭，少数分水岭已被切穿，较大的冲沟不仅发育在黄土层中，而且已深切到下 1 2 长安大学硕j i ：学位论文 部基岩，地形支离破碎，可利用土地面积严重减少。大量黄土在暴雨的冲蚀下，以泥石 流形式输入沟谷及河谷中，造成河道及水利工程的淤积。 2 4 2 滑坡 据调查，延安市区共发育各类滑坡1 5 6 处，滑坡、滑塌及崩塌主要分布于凤凰山麓、 宝塔山周围及部分沟谷两侧的斜坡地段，其中8 0 与城市建设直接相关，特别是棉土沟 滑坡( 塌) 群、宝塔山滑坡、市政府后山滑坡以及制药厂滑坡等均位于人口稠密、机关 单位众多地段，小规模的斜坡破坏就会造成巨大的危害。 2 4 3 洪水 延安市座落于延河及其支流南川河的一、二级阶地上，河水位随着雨季的变化暴涨 暴落，洪水灾害时有发生。据记载，公元9 8 2 年7 月延州水丈余入城，坏仓库庐舍；公 元9 8 4 年8 月延州南北两河水溢入城，坏官寺民舍；公元1 5 9 8 年秋延安府大水冲人畜； 公元1 6 5 9 年6 月延安大雨三日，洪水尽没，死者百余人；公元1 8 0 0 年7 月河水涨发， 冲塌城堤数十丈：近代也曾发生过大小不等的洪水，如1 9 1 7 年、1 9 3 3 年、1 9 3 5 年、1 9 4 4 年、1 9 5 6 年、1 9 6 9 年、1 9 7 7 年等几次洪水，洪峰流量都在2 0 0 0m 3 s 以上，延安市区 遭到不同程度的淹没，尤其是1 9 7 7 年延河洪峰流量高达7 2 0 0m 3 s ，洪水位达1 6 4 4m ， 延河两岸的河谷阶地大部分被淹没，大片农田及部分房屋被冲毁。 第三章边坡i 程地质簧件及变形破坏特征 第三章边坡工程地质条件及变形破坏特征 延安市电影院棉土沟口斜坡段，全长约7 2 3 m ，坡底高程为9 7 9 m ，坡项高程1 0 9 0 m 左右，地貌上属黄土粱区。斜坡坡脚发育高约2 0 4 0 m 、坡度6 0 8 0 。的陡坡，并逐渐 以缓坡向粱顶过渡。高陡斜坡为滑坡的产生提供了非常有利的临空条件，“圈椅状”滑 坡地貌和危险坡体随处可见( 照片3 1 ) 。 照片3l 危险斟坡( 滑坡) 全貌( 镜头朝向西北) 长安大学硕士学位论文 3 1 边坡物质组成及其工程地质性质 3 1 1 边坡物质组成 据野外调查、钻探、探井及物探资料，该段斜坡顶部覆盖厚约3 - - , 1 9 m 的马兰黄土 ( q 3 纠) ，结构疏松，根系、虫孔发育。斜坡主体由离石黄土( q 。“) 组成，厚约7 0 ，一- - 9 0 m ， 可见5 - - 1 0 层古土壤，结构致密，发育n w 和s w 向两组垂直节理。黄土之下为侏罗系延 安组宝塔山段( j 。蛇) 砂岩，倾向n 1 | ，倾角1 - - 3 。砂岩顶面高程9 8 0 - , 9 8 5 m ，仅在局 部地段出露( 图3 1 ) 。 3 1 2 岩土物理力学性质 图3 1 边坡工程地质剖面图 聃( ) 前已述及，该区斜坡地带自下而上发育着侏罗系砂岩、离石黄土( q 2 “) 和马兰黄 土( q 3 e 0 1 ) 自老而新的地质结构，其物理力学性质对斜坡的稳定性影响巨大。 马兰黄土结构疏松、具大孔隙，垂直节理发育，颗粒组成以粉粒为主，孔隙比平均 为o 9 4 ，压缩系数平均为o 1 9m p a ，湿陷系数为0 0 3 0 - - 0 0 9 9 ( 表3 1 ) ，属中压缩、 南阳 印 如 叫 如 如 加 0 田 巾 南唧 删 嘲 州 删 啷 姗 啪 姗 啪 第三章边坡工程地质条件及变形破坏特征 中强湿陷性土。 由直接快剪试验可得，马兰黄土的天然强度指标平均值为c = 3 3 5 4k p a ，缈= 2 4 1 。；饱和强度指标c = 1 0 5 3 k p a ，缈- - 1 6 8 5 。 表3 1斜坡马兰黄土物理力学指标统计表 统计指标统计数最大值最小值平均值标准差变异系数 含水量w ( 呦 3 02 4 15 91 2 7 24 7 70 3 8 天然容重t ( g c m 3 ) 2 91 91 3 3 1 5 90 1 60 1 0 干容重 d ( g c m 3 ) 2 91 6 81 2 4 1 4 10 1 l0 0 8 比重g 。 3 02 7 12 7 02 7 00 o0 0 孔隙比e2 91 3 10 6 0 8 0 9 40 1 60 1 7 饱和度s ，( 哟 2 97 6 o1 5 03 8 8 61 7 00 4 4 液限w l ( 呦 3 02 8 62 6 52 7 1 30 4 7o 0 2 塑限( ) 3 0 1 7 61 7 1 1 7 2 50 1 20 0 1 塑性指数i p ( ) 3 01 1 09 4 9 8 90 3 00 0 4 液性指数i l ( ) 3 0o 7 2 1 2 9 哳= h h + 1 妒= l i 蚓 卜 1 d 4 4 桩板式抗滑挡土墙 桩板式抗滑挡土墙计算包括：土压力计算、桩板内力计算、桩板强度( 配筋) 计算、 裂缝宽度验算。 4 4 1 土体作用力 按滑坡推力计算剩余下滑力，作用于桩板式抗滑挡墙上。假定墙背为臂板顶点的内 长安大学硕士学位论文 侧与墙踵点的连线，采用4 2 节的库仑土压力理论计算土压力，作用于桩板式抗滑挡墙 上。在内力计算时，滑坡推力