广佛肇C1段项目公路边坡灾变控制技术研究土木工程专业

1、广佛肇C1段项目公路边坡灾变控制技术研究摘要：广佛肇高速公路总承包项目C1段地形较复杂，局部基岩裸露，与此同时，该地域主要表现为亚热带季风气候，常常伴随着充沛的雨量,尤其是在汛期，频繁出现大雨甚至暴雨。此外，该地域在炎热的夏季，由于受到热带风暴的直接影响，时常会出现大风或者雷雨天气，并在暴雨时形成山间洪流。因此沿线存在崩塌、滑坡、顺层边坡、隐伏性岩溶等不良地质及软土等特殊岩土问题。针对该项目公路特点对边坡稳定性分析、特殊岩土边坡的浅层稳定性、桩土相互作用的机理、滑坡与抗滑桩相互作用机理等边坡的灾变控制的相关技术研究，是该项目公路边坡顺利施工的重要前提和保障。关键词：公路；灾变控制；技术研究1工

2、程简介广佛肇高速公路总承包项目C1段，全长15km，项目段沿线地势起伏不大，总体上东段低西段高，主要以剥蚀丘陵地貌为主，该地域含有丰富茂盛的植被，并且地表岩石所受的风化程度较高，其中，强风化带甚至全风化带的实际深度，最高可达数十米。K122+200K137+200段山体多呈浑圆状缓丘，路段除局部为河流谷地及其中的堆积地貌外均为丘陵地貌，其地形情况相对复杂，冲沟主要沿着枝状或者网状延伸发育，除此之外，在沿沟谷低洼地域，存在较多的坡积粉质黏土及其相应的碎石土。并在局部范围内发现一定程度的基岩裸露现象，主要以燕山期花岗岩为主，起伏较大，沿线存在崩塌、滑坡、顺层边坡、隐伏性岩溶等不良地质及软土等特殊岩

3、土问题。山地地域及其丘陵地域中存在的地表岩石，受到的风化程度相对较高，其中，强风化带甚至全风化带的实际深度，最高可达数十米。该地区属亚热带季风气候，地域湿度相对较高，并且伴随着充沛的阳光与热量，尤其是在汛期，频繁出现大雨甚至暴雨。故此，该地域在汛期很容易发生一系列地质灾害。此外，该地域在炎热的夏季，由于受到热带风暴的直接影响，时常会出现大风或者雷雨天气。而地表水系的主要表现形式为沟谷溪流，经常受到季节的影响，一旦出发生暴雨，将很有可能造成山间洪流。2针对项目特点进行灾变控制技术研究2.1项目特点（1） 特殊岩土广布。作为基底地层，广泛分布，大部分区域覆盖了特殊岩土，遇水软化，为不可预料灾害的发

4、生，提供了先决条件。（2）雨量充沛。该地区雨量充沛,尤其是在汛期，频繁出现大雨甚至暴雨。边坡内部水活动以及水、岩(土)相互作用剧烈。（3）人类活动强烈。该项目处广佛肇高速公路整体大建设区域内，重大工程集中，尤其是公路建设造成的深挖和高填，为边坡地质灾害的发生提供了外部诱发作用。三者共同作用造成该项目所在地区公路边坡地质灾害频发，区域特征十分明显。2.2关于降雨条件下边坡渐进破坏边坡稳定分析技术（1）基于多样化边值而形成的解析解，构建出非饱和渗流-变形耦合基本方案，通过数值的形式，针对某地域含有的边坡稳定性，进行更深层次的细致分析。降雨诱发特殊土路堑边坡失稳是土体水力耦合的问题，也一直是理论计算

5、分析中的热点和难点问题。在耦合作用分析中，如何确定不同边界条件下土体中土骨架的变形与流体流动等多种过程，是解决水力耦合的关键问题。此项目主要针对非饱和土三相连续体（水、空气、固相）含有的运动学特性及其多样化组分所涉及到的几何结构，进行深入的细致研究，并通过借鉴连续性规律及其相应的Reynolds输运定理，同时参照流体流动特征量和孔隙分布等诸多参数的公式关系，最终构建出非饱和渗流-变形耦合基本模型（详见公式1）。非饱和水流控制方程：非饱和气流控制方程：非饱和变形控制方程：*MERGEFORMAT(1)基于多样化初始条件及其丰富的边界条件，以及在多种情况下所表现出的渗流特性，能够协同构建出科学合理

6、的非饱和土水力耦合基本模型。在此模型中，通过妥善运用其含有的非线性特征，再满足基本的变换条件，即可利用积分变换法，针对多样化边界条件下所表现出一维耦合模型的解析解，进行正确的求解（详见公式2）。基于多样化边界条件，能够求得二维水力耦合模型中，所涉及到Green函数的具体级数形式及其相应的解析解。采用本项目计算方法和目前流行商业软件对同一非饱和土边坡经典水力耦合问题进行计算，计算结果和经典数值解对比表明（Error! Reference source not found.），本项目方法计算更为准确，精度能够提高10%左右。一维非齐次线性边界耦合模型解析解： 图1 不同计算方法的对比结果（2）总结

7、了南方地区路堑边坡的三种主要破坏模式，其中，主要包含路堑边坡孔隙水及其稳定性的时变效应，此外，还包含路堑边坡变形模式。通过对南方多个省区的特殊土边坡破坏调查和统计分析，揭示了南方地区边坡三种主要破坏模式，即降雨径流导致的边坡表层冲刷破坏、坡面渗流和坡内层间滞水导致的边坡浅层牵引式滑坍破坏、土岩软弱结构面导致的深层破坏。通过数值模拟和现场观测，揭示出上述三类破坏模式的基本形成机理。发现对于均质特殊土边坡，受大气降雨蒸发影响，上层局部滞水对于干湿循环有明显的影响，上层局部滞水会随着干湿季节的更替出现或消失（Error! Reference source not found.）。对于多土（岩）层边坡

8、，由于不同土体的渗透系数存在数量级差异，故层间界面容易成为滞水区。随着时间推移滞水区将缓慢下移，孔隙水压力随着大气干湿循环产生季节性波动（Error! Reference source not found.）。地表水和雨水下渗造成的上层局部滞水是造成特殊土路堑边坡破坏的主要原因之一。图2 特殊土路堑边坡上层滞水及孔隙水压力分布图3 边坡各层间界面孔隙水压力随时间的变化（3） 揭示水力耦合条件下特殊土路堑边坡浅层的破坏原因和稳定性计算方法，克服在传统稳定性计算方法中得到的滑动面过大，造成处治过于保守的问题。通常情况下，施工者对待特殊土边坡的施工方式，等同于普通的粘性土边坡，致使分析得到的滑动面过

9、大与浅层滑坍破坏实际情况不符。为此，开展含低应力条件的不同湿密状态和干湿循环作用下的抗剪强度试验研究，根据研究结果得知，干密度及其无荷干湿循环作用等多样化因素，基于低应力环境下，相对于特殊土所含有的抗剪强度，而造成的实际影响。详见图4：试验中涉及的抗剪强度包线，全部表现为非线性特征；与此同时，低应力及其初始含水率等诸多因素，相对于饱和慢剪强度而言，所造成的影响相对直观；在低应力状态下抗剪强度极小，据此能够得知，其实际粘聚力大约保持在10kPa。事实上，当选择含低应力饱和非线性慢剪强度，针对边坡含有的稳定性，进行深入分析时，其具体结果详见图4，并且试验和现实相互对应。图4 低应力状态下特殊土抗剪

10、强度非线性特征图5 按非线性抗剪强度得到的浅层滑动面2.3通过对复杂地质条件下项目所在地区特殊岩土边坡浅层稳定研究，有利于整治特殊岩土边坡持续下滑的根本问题(1) 针对不同地质条件，基于多样化边坡浅层稳定结构，进行更深层次的细致研究，从而有助于控制项目边坡中存在的浅层灾变现象。实际上，由于存在诸多相对复杂的地质条件，才会造成此地域中的公路岩土质边坡，出现频繁的浅层滑坍现象。其中，恶劣的地质条件，主要包含地形情况复杂、岩性岩相存在差异性及其工程地质条件不良等。研发了多种边坡浅层稳定新结构（见(2) 表1 本项目发明的南方地区边坡浅层稳定新结构）。相较于常规的桩板墙加固、抗滑桩、锚杆挂网喷浆、削坡

11、卸载、支撑渗沟加坡脚挡土墙等传统稳定结构具有经济性好、施工便捷、长期稳定性好等优点。表1 本项目发明的南方地区边坡浅层稳定新结构新的结构形式适用的地质条件相对于传统处治技术的优势微型钢管灌注桩支撑加筋土渗沟公路富地下水路堑边坡沿基岩上部的松散堆积体或盖层沿基岩界面发生的浅层(6m以下)或中深层(6-20m)滑坡成本较低、施工占用场地较少、工艺简便、施工安全性好、施工速度快土工格栅加筋覆盖墙在该结构中，主要由于炭质页岩等多元化煤系地层受到严重的风化，才会使得带路堑边坡浅层中含有的渐进滑坡，出现不同程度的破坏能够进行内排水，并有效外防渗，预防由于软化泥化，而破坏边坡的稳定性预压实加筋土块柔性支护这

12、种形式，主要作用于应用膨胀土、红砂岩等物质的边坡修复构建加筋土修复体的速度相对快捷，从而大大降低施工期，减少施工对对道路交通的影响锚索土工格栅支挡坡率为1: 0.5以上的风化岩或土质道路边坡施工速度快、施工安全性好，环保性好混凝土膜袋挡土墙坡脚为易风化泥岩、炭质页岩等软岩岩体的路堑边坡成本低、施工简单、环保性好等（2）由于复杂地质条件下边坡主要以浅层滑坍破坏为主，该地区强降雨、大径流引起的地下水渗流和坡面水冲刷以及大气干湿循环作用是其主要肇因，依托柔性支护新结构新技术，经济有效地解决复杂地质区域边坡屡治屡滑的技术难题.针对复杂地质条件下的地质特征、破坏特点，考虑施工的可行性，成功构建出科学合理

13、的柔性支护新结构，在此结构中，还包含截水渗沟（详见图6），主要包括土工格栅加筋体、顶部截排水系统、内排水结构、坡面防护体系组成。当在坡顶有汇水的膨胀土边坡时应用该结构，不需再设置坡顶截水沟，从而节约了路基边坡用地，节省工程量，减少坡面开挖面积，达到经济环保的目的。图6 含截水渗沟的路堑边坡柔性支护新结构示意图为掌握新结构与土体相互作用机理及其对复杂地质条件下边坡长期性能的提升，本文积极构建出相应的力学模型，使得土工格栅和土体彼此之间能够进行相互作用，揭示了加筋体中筋材与土体相互作用的行为特性，提出了加筋体土压力与变形特性的分析计算方法(式3)，揭示了南方湿热气候环境下新结构的长期性能(图7 含

14、截水渗沟的柔性支护结构边坡稳定系数变化)，建立了边坡柔性支护结构的设计与施工方法。该成果已经纳入我国现行的交通行业强制技术规范公路路基设计规范(JTG/T D32-2012)和推荐技术规范土工合成材料应用技术规范(JTG/T D32-2012)。图7 含截水渗沟的柔性支护结构边坡稳定系数变化（3）由于复杂地质条件下边坡主要以浅层滑坍破坏为主，该地区强降雨、大径流引起的地下水渗流和坡面水冲刷以及大气干湿循环作用是其主要肇因，在此背景下，基于柔性支护新结构的前沿技术，无需耗费高昂的经济成本，就能有效解决边坡频繁滑坡的根本问题。新型的边坡柔性新支护新技术已在广东、海南、河南、湖南等多个省区的特殊土边

15、坡加固中得到成功应用，包括广佛肇高速花岗岩残积土边坡、云罗高速高填软岩路堤边坡、海南多雨地区膨胀土边坡、南水北调工程膨胀土渠坡、叶舞高速富地下水条件下松散堆积体边坡、浏澧高速膨胀性红砂岩边坡等，获得了可观的经济效益及其良好的社会效益（详见图8、图9）。工程应用效果表明，新技术能有效疏排特殊土路基的地下水、确保边坡长期稳定，减少特殊土的废弃方、节约土地资源、保护生态环境、降低建养成本。 图8 工程路堤边坡施工现场图 图9 土工格栅加筋路堑边坡结构示意图2.4建立了岩土材料宏细观仿真技术，揭示了颗粒体细观力学行为，为桩土相互作用机理分析和抗滑桩优化设计提供了理论依据(1) 通过借鉴高精度CT扫描及

16、其相应的图像处理技术，能够实时呈现出土体颗粒的实际形态和其所具备的诸多特征，从而有助于后期对岩土体颗粒力学行为，进行系统的定量分析。通过利用CT扫描技术及其相应的三维图像处理技术，能够得知英国近海石英砂及其中国风化花岗岩残积砂等砂石所含有的诸多三维形态信息。通过运用三维球谐函数序列，再进行一系列的球坐标变换，能够得知砂粒外轮廓位置的相关极坐标集，其次，基于持续逼近球谐函数序列，使得单位球所含有的极坐标，不断膨胀至实际砂粒含有的极坐标，从而求解得出正确的球谐系数，最终，基于公式及其相应的映射网格（详见图10），就能针对砂粒所表现出的三维表面，进行重新构建。图10 颗粒的球谐重构形态通过球谐函数，

17、能够重新构建出砂粒三维表面，并基于相关实用性方法，能够精确计算出颗粒的实际体积及其表面曲率等诸多参数，从而能够快速计算出颗粒圆度及其实际伸长率等衍生参数，为服务于颗粒的形态学研究和边坡工程应用提供技术支持。(2) 通过颗粒接触粘结模型模拟了散体介质材料相互作用行为，积极构建出颗粒细观参数和多样化材料力学参数彼此之间存在的内在关系，并详细阐述了颗粒在微观状态下表现出的特征变化，相对于宏观力学行为，而形成的实际影响。通过模拟平面双轴压缩实验，采用控制单一微观参数变化引起宏观响应的方法对各微观参数的敏感性进行分析，剔除敏感性较小的变量，对敏感性较大的微观参数采用多元非线性拟合的方法建立颗粒流微观参数

18、与粘结材料宏观力学特性之间的联系，为特殊土与抗滑桩细观数值模拟及其作用机理分析提供了重要的参数。材料含有的内聚力，主要取决于颗粒彼此之间存在的粘结强度，且二者呈线性增长关系；颗粒刚度比和K值是影响材料内聚力和内摩擦角的次要因素，但其影响也是不能忽略的。对不同的K值，粒粘结点破坏形态对比如（图11）。 (a) K=0.1 (b) K=1.0 (c) K=4.0图11 不同K值颗粒粘结点破坏形态对比(3) 通过已经改良的平行粘结聚粒，能够实时模拟颗粒含有的多样化破碎性能，并且基于微观角度，能够表现出岩土颗粒在过渡至破碎的时间内，应力应变的基本特性，为揭示土体宏观力学特性，建立考虑土体微观机制的宏观

19、力学模型提供有力支撑。对于土体颗粒来看，在偏应力达到峰值时并维持在一个稳定状态，同时其体积变化在临界状态也维持在一个稳定值附近，由于颗粒的破碎引起的体积缩小与颗粒重新排列引起的体积膨胀相互抵消，使其体积变化达到一个动态平衡状态。而对于低破碎性土，由于围压较小，当进行剪切时，其所表现出的颗粒破碎程度也将相对较小，其力学特性与散体材料的剪切性能相似，偏应力比随轴向应变的发展先达到峰值再软化达到临界稳定状态。相应地，其体积变化也是先剪缩再剪涨达到稳定的临界状态。整体来说，不同破碎性的土颗粒，在剪切作用下，应变硬化和软化现象以及体积变化存在明显差异，然而临界状态下的偏应力比却很相近。这与临界状态下砂土

20、破碎演化规律以及稳定的剪切破碎带形成有很大的联系（见图12，图12）。图12 单个颗粒压碎的DEM模拟与实验结果对比图13 土的偏应力比和体变与轴向应变关系2.5基于土拱效应的具体形成过程及其相应的演化机制，提出了抗滑桩设计及参数的优化，阐述了滑坡和抗滑桩彼此之间进行相互作用的基本机理。为边坡工程设计中抗滑桩的合理布置提供了依据，降低了工程费用（1）采用数值分析方法模拟了土拱效应的演化过程，揭示了不同桩间距条件下特殊土土拱形成、发展和破坏的规律以及特殊土和抗滑桩的相互作用机理。通过采用PFC2D技术，能够实时模拟出土体颗粒中存在的染色行为，并且能够直接观察土拱的持续发展过程及其受到破坏的瞬间，

21、从而从微观角度深入揭示桩土相互作用机理。图14为S=4D模型顶部墙体移动10cm、20cm直至土拱发生破坏的过程，根据下述图表，能够得知，颗粒位移区间已经由0.20.3的范围，持续攀升到0.60.8的范围，并且伴随着土拱形态的逐步降低，甚至于在实际位移高于0.8m的情况下，将会看不见“拱形态”。 a. 墙体移动10cm b. 墙体移动20cm c. S=4D土拱破坏 d. S=5D土拱破坏图14 特殊土与抗滑桩相互作用细观数值模拟分析结果土拱效应在一定程度上，主要取决于桩间距。实际上，唯有颗粒实际位移量，相对于桩直径而表现出的比值，保持在0.2-0.8的范围内，才会出现行之有效的土拱效应。一旦

22、不处于该范围，则意味着土拱尚未形成或者已经消失。其实，如果桩间距S=4D，则在此期间，对于方形抗滑桩而言，其所表现出的土拱效应最佳，当时，土拱就将遭到破坏，此时，桩将等同于单桩进行承载。因此采用方形抗滑桩并将桩间距设置为4D时，适用性最高。（2）采用小型室内模拟试验，对土拱效应的演化过程进行了模拟，揭示了不同桩间距条件下特殊土土拱形成、发展和破坏的规律以及特殊土和抗滑桩的相互作用机理。通过小型室内模拟实验研究了桩土相互作用机理，以及横向土体运动对抗滑桩的影响。图15为模型试验得到的位移、弯矩、剪力和土压力测试结果。随荷载的增大位移值也随之增加；应变与所施加的荷载和相应的弯矩是线性关系，在所有的

23、情况下弯矩对深度的变化基本相同，但对坡顶施加不同荷载下的弯矩大小是不同的；对于实验的自由头桩，最大的压力总是出现在滑动界面附近。小型室内模拟实验结果与数值模拟结果能够很好的匹配。 （a）位移 （b）弯矩 （c）剪力图15 模型试验结果（3）本文主要通过抗滑桩类支护的基本方法，来持续完善多样化设计参数。并阐述了抗滑桩加固边坡通常表现出的关键力学机理，能直接服务于南方山岭地区公路工程边坡的加固设计中。从而基于桩土中存在的相互作用，进一步优化抗滑桩的设计参数，采用剪切强度折减有限差分三维分析方法，针对单排自由桩头在实际抗滑桩加固过程中，所表现出的边坡稳定性，进行更加深入的细致分析，并针对抗滑桩的嵌岩深度、桩间距和边坡安全系数之间的关系进行了分析见图16，图16。边坡的安全系数会随着嵌岩比的增加而增加，经过临界嵌岩比，安全系数将保持不变。让桩充分发挥性能得到最大安全系数的最小嵌岩比为0.12。当嵌岩比小于临界嵌岩比时，会导致安全系数降低5%以内，滑动面深度受