黄土边坡稳定性分析及支护设计

黄土边坡稳定性分析及支护设计摘要陕西省延安市位于中国北部，地处黄土高原，是典型的黄土地区，以各种黄土山、梁、峁、塬、沟为主，所有建筑、公路基本以黄土为地基基础。由于黄土的各种特殊性质（如湿陷性、大孔隙、力学强度较低等），使得黄土在雨水冰雪的作用下物理性质会产生很大的变化，这使得延安地区人民的生命财产安全受着严重威胁。在2013年百年一遇的特大降雨，据不完全统计，造成延安地区山体滑坡5765起，房屋倒塌9976间，毁损5.73万间，干线公路冲毁51.5公里，县乡农村公路冲毁170.98公里，共造成经济损失21.28亿元，因灾造成121人受伤，26人死亡造成公路坍塌，为延安人民带来了极为严重的灾难。在长久的生活生产发展中，黄土边坡的稳定性问题成为工程项目必须研究的项目之一。由于对黄土边坡内部的作用以及内部的机构比较模糊，而且边坡破坏过程是一个难以预知的复杂过程，所以边坡稳定性难以进行准确的定量计算，因此目前所采用的主要设计依据是工程地质类比法。由于黄土边坡内部组织比较模糊，而且边坡失稳的影响是难以预料的复杂过程，因此边坡稳定性难以准确定量计算，所以目前在工程设计主要以地质类比为依据。以致在某些边坡处理时造成支护设计不足、不合适或不经济。而在中国像延安这样的黄土区域分布极为广泛，分布面积大约有6.32×105km2，约占全国面积的6.6%。所以对于黄土边坡稳定性和支护设计我们必须加快研究的步伐，在未来灾难面前以做到从容不迫。随着社会的发展，人口的不断增长以及人们对生活高品质的不断追求，建筑向着更高、更深方向发展，公路等向着更宽、更直的方向发展。在黄土地区，道路施工中难免会遇到山开山，在开山的过程中会形成大量的黄土边坡，边坡一般为横截面轮廓长，宽，高数值是非常大的，在安全性，经济性的前提下，保证了边坡的稳定性和坡面的稳定，成为边坡设计一个大的技术问题。关键词：边坡；稳定性分析；支护AbstractYanancitybelongtoShaanxiProvinceinnorthernChina,islocatedintheloessplateau,isatypicalloessareas,mountains,beams,hillyregionofloessplateau,tableland,Groove-oriented.WhichalmostallbuildingandHighway’sfoundationlocatedinloess.Duetothespecialnatureofloess(suchascollapsible,largepore,lowmechanicalstrength,etc),thephysicalpropertiesofloessunderrain-snowcausesabigchange,whichmakeYananregionsufferingfromseriousthreatstosecurityoflifeandpropertyofthepeople.In2013,aCentennialextrarainfall,accordingtoincompletestatistics,5765inYananregioncausedlandslides,collapsed9976,Mars,57300arterialhighwayswashed51.5kilometers,countiesandruralroadsdestroyedby170.98kmtotal2.128billionyuanofeconomiclosses,121peoplewereinjuredduetodisaster,caused26deathsofHighwaycollapsed,Yananbroughtseveredisasters.Inthelifeandproductiondevelopmentoflong-term,stabilityofloessslopehasbecomeoneoftheresearchprojectsmustproject.Duetotheloessslopeinternalfunctionandinternalmechanismisfuzzy,andthefailureprocessoftheslopeisacomplicatedprocessofunpredictable,sotheslopestabilityisdifficulttocarryontheaccuratequantitativecalculation,sothemaindesignaccordingtotheengineeringgeologicalanalogymethod.Becausetheloessslopeinternalorganizationisfuzzy,andtheinfluenceofslopeinstabilityisacomplexprocessthere'snotelling,sodifficulttoaccuratelycalculatetheslopestability,soinpresentengineeringdesignmainlybygeologicalanalogyasthebasis.Sothatwhencertainsideslopeprocessingcreatesthesupportsandprotectionsdesigninsufficiency,inappropriateorisuneconomical.ButlooksliketheYenansuchloessregionaldistributioninChinatobeextremelywidespread,thedispersalareaprobablyhas6.32×105km2,approximatelycomposesthenationalarea6.6%.Thereforedesignsusregardingtheloesssideslopestabilityandthesupportsandprotectionstohavetospeeduptheresearchthestep,willachieveunflusteredinfrontofthefuturedisaster.Withthedevelopmentofsociety,theincreasinggrowthofpopulationandpeople'spursuitforlifequality,buildingdevelopmenttowardahigher,deeperdirection,highwaytowardthewider,morestraightdirection.Intheloessarea,willinevitablyencountermountainroadconstruction,theformationofloessslopeinthemountainsalotintheprocessofslopeforthecrosssectioncontour,long,wide,highvalueisverylarge,inthesecurity,thepremiseofeconomy,ensuredthestabilityofslopestabilityandtheslope,aslopedesignabigtechnicalproblem.Keywords：LoessSideslope;Stabilityanalysis;Support目录摘要Abstract目录第一章绪论………………………11.1课题研究的背景和意义……………………11.2国内外研究进展……………11.2.1边坡稳定分析方法研究现状……………21.2.2黄土路堑高边坡稳定性研究现状………31.2.3边坡支护结构研究现状…………………61.3本文的研究内容……………8第二章黄土边坡稳定性研究和边坡破坏类型机理探究………92.1黄土边坡的稳定性分析方法………………92.2黄土边坡破坏的类型………122.2.1坡面变形破坏……………122.2.2坡体变形破坏……………142.3边坡稳定性破坏机理模型…………………152.3.1坡面破坏模型……………162.3.2滑塌、滑坡的破坏模型…………………162.3.3崩塌形成模型……………182.4影响黄土边坡变形的因素…………………192.4.1内在因素…………………192.4.2外界条件…………………202.4.3人为因素的影响…………202.5边坡稳定性研小结…………21第三章黄土边坡支护设计……………………223.1支护设计的意义……………223.2支护设计的依据……………223.3设计内容……………………223.4支护设计的类型及适用条件………………233.4.1排水措施…………………233.4.2坡面防护技术……………243.4.3一般工程支挡防护技术…………………283.4.4高轻型支护技术…………33第四章锚杆挡土墙支护设计…………………37第五章结论与展望……………475.1结论…………475.2展望…………47参考文献…………49致谢………………51第一章绪论1.1课题研究的背景和意义中国地域辽阔，国土广袤，其中黄土地貌占有6.6%，为使中国可以不断高速发展，可以位列世界领先，人民的生活水平可以不断提高，修建各种高速、国道、铁轨、轻轨、各种房屋是必不可少的。在黄土地区修建过程中必然会遇到边坡稳定性问题（修筑道路遇山开山,修筑房屋基坑开挖及依山而建时）。为保证施工安全及适用安全，在全面施工前必须进行黄土稳定性分析，这样可以知道边坡是否需要采取支护措施。如果需要支护措施，该采取何种措施。合理的支护设计不仅可以使人们安全使用建筑物、道路、桥梁等，而且也会使得周围的环境变得美观，使人心情舒坦。更重要的是合理的支护设计可以减少施工中及后期使用中的事故发生。在修筑高速公路时，很容易形成复杂边坡，就是工程中所谓的黄土路堑高边坡。这种路堑高边坡一般有纵断面长、横断面宽、坡势高、工程量巨大、占用土地量极大的特点，这使得黄土边坡成为工程处理中最有难度的技术问题，也是黄土地区工程前期重点解决的问题。例如陕西省铜黄高速公路，穿过黄土地区的路线大约有15km，因开挖路基而形成高度大于30m的高边坡就有40余处，最高边坡高度达到88m，单侧边坡开挖宽度达130m以上。面对如此巨大的工程量，工程师必须在工程安全保证的前提下考虑投资经济合理性，给边坡工程又增加了难度。1.2国内外研究进展边坡与人类的各种活动密切相关，是人类地质工程活动中最普遍也是极重要的地质环境。在人类发展的过程中，随着它无时不在的冲突，协调，从而实现相互依存。特别是近几十年来，随着工程活动的迅速发展、扩大规模与经济建设，边坡工程中普遍出现了高陡边坡稳定性及大规模滑坡灾害预测。为此，100多年来，无数工程地质工作者对边坡变形过程、失稳形式、失稳机制、稳定性评价及滑坡预测预报等进行了广泛且深入的研究，把力学、数学及计算机科学的理论与方法应用于边坡的演化及滑坡的预测预报进行研究，并应用于人类工程活动的实践中去。经过国内外无数工程地质工作者的努力，已形成了一套理论体系及工作方法用于边坡工程上，为人类工程建设活动奠定了理论与实践基础。1.2.1边坡稳定分析方法研究现状边坡稳定性历来是国内外学术界和工程界研究的重大课题，其研究途径主要是从以下两个方面来进行：一是定性分析方法，也就是地质方面主张的根据土体工程地质条件类比方法来研究；二是定量分析方法，也就是土力学方面偏重于地质力学分析验算，通过力学分析验算来确定边坡稳定性的方法。另外，随着边坡理论研究的不断深入和发展，又出现了不确定分析法。定性分析方法定性分析法，通过对工程地质进行勘察，对大量已变形的地质体的成因及其演化史进行分析，得出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，建立数据库。由被评价边坡与数据库进行对比，就被评价边坡的稳定性状况及其可能发展趋势给出一个定性说明和解释。定性分析方法的优点是能够综合考虑多种影响边坡稳定性的因素，并快速的对边坡的稳定状况及其发展趋势做出较准确的评价[1]。常用方法主要有：工程地质类比法、边坡稳定性分析数据库、自然（成因）历史分析法和专家系统、图解法和范例推理评价法[2]。定量分析方法定量分析法，是以工程地质法为前提，在对黄土边坡稳定性的机理分析基础上，结合数学力学分析，量化边坡稳定性的概念。常用方法主要有极限分析法、极限平衡法和数值分析法等。(1)极限分析法塑性极限分析法是在考虑岩土体应力一应变关系条件下，用塑性力学上限、下限定理，就是从下限和上限两个方向求值逼近真实解来解决边破稳定性问题。这种求解的方法避开了在工程中最不易弄清的本构关系表达式，具有物理概念清晰、应用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。这种方法考虑到速度模式(破坏模式)和能量消耗，不要求满足应力分布平衡条件。早在1977年，潘家铮就提出了滑坡分析的两条基本原理，即极小值原理和极大值原。后陈祖煜应用塑性力学上限、下限定理证明了潘家铮最大、最小值原理，严格地推导了二维边坡稳定分析的上限解和下限解，通过虚功原理求解使得Sarma法求解变得十分简单，大大提高了计算效率。门玉明（1993）基于上限定理，以土坡折线型滑裂面为破坏机构，在假定土体上全部外力所做的功等于速度间断面上总的能量耗散功的基础上推导出土坡稳定性计算的极限分析公式。(2)极限平衡法极限平衡法的基本假设是破坏面（直线、圆弧、对数螺旋线或其它不规则面）满足库仑破坏准则，在具体分析时，首先从斜坡中取出一个隔离体，根据作用在隔离体（可以是整体或土条）上的全部己知力或假定力，计算出隔离体平衡所需要的土的抗剪强度，然后将所求的土的抗剪强度与有效的土的抗剪强度进行较，求出Fs（安全系数），用Fs衡量边坡稳定性。按平面问题和空间问题，可以将其概化为二维模型和三维模型。其中二维极限平衡法是定量分析方法中经典的一种，目前是工程设计的主要方法。其研究历史可追溯到本世纪20年代或者更早，近年来仍在不断发展和完善。工程上常用的分析法是费伦纽斯（W．Fellenius）（1927）的简化条分法，其有静不定问题的缺点，毕肖普（1955）对此虽作了改进，但计算十分复杂。Janbu（1956），Mogenstem与Price（1965），Sarma（1979）等人提出计算稍简单的基-TIll/体极限平衡理论的一些边坡稳定性评价方法，但主要还是静不定问题。DorLeshbinsky（1994）对Baker和Garbers（1978）提出了一套可以考虑地震的拟静力法土坡稳定分析图的变分极限平衡法，，除应用较为方便外，最主要是解决了土坡稳定分析的静不定问题。陈祖煜改进了Mogenstem-Price法、Sarma法和能量法，提出以积分形式表达的安全系数公式。(3)数值分析法数值分析法是认为岩土体为非均质、不连续、大变形等特点的基础上而得出的方法，是目前岩土力学计算中使用最普遍的分析方法。常用的方法有：有限元（FEM）法、边界元（BEM）法、离散元（DEM）法、块体理论（BD）与不连续变形分析（DDA）、无界元（IDEM）法等。1.2.2黄土路堑高边坡稳定性研究现状黄土路堑高边坡的变形破坏可分为和坡体整体破坏两种。即表现为坡面冲蚀、剥落等的坡面变形破坏，坡面变形破坏占黄土地区边坡变形破坏的大部分。这种边坡变形虽不是坡体整体变形，但直接增加了线路养护维修费用，最主要是会造成水土流失等不良后果，恶化公路周边生态环境，且进一步发展可导致路堑边坡滑坍、崩坍等灾害的产生；坡体整体破坏即是占黄土地区路堑边坡变形破坏少部分的崩塌和滑塌。虽然少，但对公路危害极大。与变形破坏形式相对应，黄土路堑高边坡稳定性问题也包括两方面内容：坡面稳定性和坡体稳定性。坡体稳定性主要由总坡比控制，坡面稳定则是在坡体整体稳定性的基础上考虑采用何种坡型和坡面防护措施，以避免坡面渐进变形而引起坡体大范围失稳，以及减小坡面水土流失等。高边坡坡型研究现状黄土路堑边坡支护设计一般以工程地质类比法为主，力学验算法为辅。基于此，大量业内人士经过大量对黄土路堑高边坡坡型设计研究，提出较多经验设计方案。如刘毓权根据工程实践，总结出单一土质、不同坡高的稳定边坡坡比的规律和不同坡高的稳定边坡坡比的建议值。冯连昌根据铁路黄土路堑边坡的野外调查资料分析，提出黄土路堑边坡的5种设计坡型。乔平定、李增钧[3]根据宝鸡峡人工黄土高边坡情况，总结出不同坡高对应的总坡比规律。刘祖典[4]提出了黄土边坡稳定系数与坡比之间的函数关系，并编制了计算图卡，指导了大量水电、铁路、公路等黄土高边坡的设计。胡保存、折学森等[5]对七十余处黄土路堑高边坡的调查和统计分析后提出高度大于20m的匀质边坡综合坡率，对坡体土质条件不良，以及坡高大于40m的情况，应进行力学验算；黄土高边坡的坡型宜选用台阶形，一般坡顶层土体较松散，坡比应适当放缓，但不宜大于1：1，减少坡面冲刷。郑南翔、李炜等[6]针对甘肃省黄土路堑高边坡的实际情况，通过现场调查、试验、分析计算等，提出了适合甘肃省(II、III区)公路黄土路堑高边坡合理断面(坡型)，并成功指导了工程实践。赵之胜、谢永利、倪万魁等[7]通过调研、计算和模拟，结合铁路、公路和水利系统的经验，综合总结给出铜黄公路及陕北地区黄土高边坡的设计建议值。推荐方案中的“宽台陡坡较符合黄土边坡的特点，在陕西省公路工程实践中已得到成功应用。坡面防护研究现状黄土堑边坡稳定性是自然或人为因素的影响下形成的边坡开挖，坡度不严重坡面侵蚀发生，剥落等平面变形和破坏，以确保公路的正常运行。为避免坡面渐进变形而引起坡体大范围失稳常采用坡面防护措施以保持边坡坡面的稳定性，进而减小坡面水土流失。黄土路堑高边坡有很多坡面防护措施，概括起来可以分为三类[8]工程防护、植物防护和综合防护(工程防护与植物防护相结合)。其中工程防护主要是采用护面墙、浆砌片石护面、锚杆喷浆护坡、挂网喷浆护坡等；植物护坡主要有人工植草技术、植树技术、液压喷播植草技术等；综合植物护坡有框架植物护坡、铺网植草护坡、厚层基材喷播植草护坡、土工格室与绿化防护板植草护坡等。早期黄土路堑边坡大多采用浆砌片石，喷射混凝土等其他防护措施，这在护坡的开始，坡面侵蚀防治方面效果很好，且有非常显著的作用。然而，随着许多的工程材料时间推移会风化老化，如混凝土的风化老化，其防治效果会越来越差，甚至造成破坏，继而破坏了当地自然环境的协调，且其后期整治费用很高[9]。随着人们对环境保护意识的不断增强，要求公路建设的同时必须保护周边生态环境，尤其是在水土流失严重，生态环境脆弱的黄土地区。随着国家提出可持续发展战略和秀美山川工程发展方针，在公路建设中，更注重经济效益与生态环境保护相协调，力争打造“生态型”高等级公路。因此道路两旁边坡的自然生态植被的恢复和重建尤为重要。在国发(2000)31号文件“国务院关于进一步推进绿色通道建设的通知"中指出：建设绿色通道，是贯彻落实江泽民总书记关于建设秀美山川的重大举措，是我国从总体上构建以重点林业生态工程为骨架，以城镇、村庄绿化为依托，以公路、铁路、河渠、堤坝等沿线绿化为网络的国土绿化战略的需要。实施绿色通道工程，不仅能够保护公路、铁路、河渠、堤坝，改善沿线生态环境，全面推进全国城乡绿化美化向纵深发展，而且能够促进沿线地区的农业结构调整，改善和优化沿线地区社会经济环境，加强社会主义物质文明和精神文明建设。植被作为公路路域生态环境恢复与重建的主体，具有工程措施所不可替代的作用[10]。植树护坡主要依靠根系的力学效应和茎叶的水文效应[11]两个方面，即坡面树木的地下根系及地上茎叶的作用保护坡面不受冲刷侵蚀。其根系的力学效应可改变土的力学性能，提高土体的抗剪强度，从而增强边坡土体的抗剪强度，减小水土流失和边坡病害的发生[12]；水文效应是利用茎叶对雨水的截留、叶面分流、茎叶的篱笆作用和落叶水文效应来减少雨水直接冲刷坡面土体和减少坡面上方水流量和水中含沙量，以此减缓坡面的冲刷量。目前，植物防护技术当属日本最先进，我国干旱的黄土地区路堑高边坡的植物防护技术研究仍处于探索阶段。近年来，许多水土保持界和业内人士对大量的公路黄土路堑边坡植物防护作了大量的研究工作[13]。如中国农科院兰州畜牧所的常根柱和陕西省高管局的赵贵钧、韩顺掣先后对陕西西渭、西宝、西铜高速，山西太旧高速等北方多条高速公路的绿化进行了实地考察，对我国北方地区高速公路的绿化现状与发展前景从中央隔离带、边坡生物防护、刺篱生物封闭等几个方面进行了较系统的阐述和尝试性的探索。该研究对黄土路堑边坡采用“挖穴投种”、“种包塞植’’、“种籽直播"、“野生狗牙根栽植’’等方法进行对比分析研究，找到了挖穴投种一覆土一浇水边坡绿化最好方法。但由于挖穴投种还存在许多未能解决的技术问题，也未能应用于大面积施工。1999年交通部科学研究院[14]，针对黄土高原山区公路路堑高边坡植被恢复，，在铜黄线上应用液压喷播技术进行了深入地试验和研究。试验初期，边坡上的人工植草由于长势良好为道路景观增添不少美色。但是因为环境气候因素等多种原因，不久草被逐渐枯萎。2004年赵之胜、谢永利、倪万魁等[15]，在西安绕城高速采用三维网植草技术防护，采用坡面平台植树和厚层基材喷播植草技术在阎良、禹门口高速，以及成功应用新型的土工格室生态护坡和绿化板生态护坡技术在黄延高速公路，这些坡面防护措施都有力的保证了黄土路堑高边坡坡面稳定性。1.2.3边坡支护结构研究现状国外情况从19世纪中叶欧美国家开始了对滑坡灾害防止的研究，然而，早期人们对滑坡的性质和变化规律认识不深，只能绕避那些大、中型滑坡，只能优先考虑排水工程以及采取抗滑挡土墙和削坡减载、反压的一些简单措施进行治理小型滑坡。直到二次世界大战后，随着各国经济的发展和国土开发利用，遇到的滑坡越来越多，才真正开始用人为支挡工程治理滑坡，50年代有了较大的发展和提高，采用支挡工程来治理一些大型的滑坡。支挡工程的发展大概可分为三个阶段：（1）50年代前，以地表排水和地下排水工程治理滑坡为主，抗滑支挡工程主要是挡土墙。（2）60～70年代，仍以排水工程和抗滑挡土墙为主，并在同一时间，为解决抗滑挡土墙施工中的困难大力开发应用抗滑桩，欧美国家和前苏联多采用钻孔钢筋混凝土灌注桩，直径1.0m～1.5m，深20～30m，日本多采用钻孔钢管桩，钻孔直径400mm～550mm，深20m～30m，孔中放人直径318.5mm～457.2mm，壁厚10mm～40mm的钢管，钢管内外注入混凝土或水泥砂浆，有时在钢管中再放入H型钢，可增加桩的抗剪断能力。桩间距1.5m～4.0m，而以2.0m～2.5m者居多。国外常将两排或三排桩顶用承台联接形成刚架受力,以来增加桩的抗剪能力和群桩受力。也有少数用打入桩的。日本在70年代后期开始应用直径1.5m～3.5m的挖孔抗滑桩。（3）80年代以来，在应用小直径抗滑桩的同时，开始使用大直径挖孔抗滑桩治理大型滑坡。如日本采用直径5m，深50m～60m的大型抗滑桩在大阪府的龟之獭滑坡上。它的周围均匀布筋，只在滑动面附近用型钢加强桩的抗剪断能力。与此同时，锚索工程大量使用于抗滑支挡结构滑坡防治中，有的与抗滑桩联合使用，有的锚索单独使用，单根锚索承受的拉力500N～3000kN不等，其长度一般30m～60m，长的达120m。由于锚索工程不开挖滑坡体，又能机械化施工，所以目前被广泛应用。国内情况我国50年代初才开始才对滑坡灾害的进行系统研究和治理，起步较晚。但已防止了数以千计的各种类型的滑坡，为社会主义建设做出了重大的贡献，结合我国国情总结出绕避、排水、支挡、减重、反压等治理滑坡的原则和方法，已成功研究开发了一系列有效的防治办法。其中铁道部门遇到滑坡尤多且对滑坡的治理和研究更为系统和深入，这于山区铁路建设的特点及安全运输的要求是密不可分的。抗滑支挡建筑物工程以其治理滑坡安全可靠，见效快的特点成为滑坡工程中首先考虑使用的措施。同时由于抗滑桩一般造价较高，整体工程投资巨大，如一根大型抗滑桩造价可达数十多万元，一个大型滑坡需投资数百万元乃至数千万元来治理，因此，人们更多的关注和研究抗滑支挡建筑物的结构形式、适用条件、设计理论和施工方法等。我国虽对抗滑支挡建筑物的研究和开发应用起步较国外晚，但由于建设中治理滑坡的需要，使其发展过程基本上与国外同步，也分三个阶段：（1）50年代起，主要以原苏联的经验学习基础，首先考虑地表和地下排水工程治理滑坡，如地面截、排水沟，地下截水盲沟、盲洞，支撑渗沟等，辅以减重、反压和支挡工程。主要以各种形式的挡土墙做支挡工程。重力式抗滑挡土墙多用可就地取材片（块）石砌筑，因其型式简单，施工方便，适应性较强，被广泛采用。重力式挡土墙现在仍然是山区石料丰富地区一种非常重要的公路边坡支护手段。（2）60～70年代，曾成功地应用支撑盲沟加小抗滑挡土墙取得疏水和支挡滑坡的双重效果，但深盲沟施工开挖也相当困难，因为地下水发育，施工开挖中极易坍塌。60年代中期，在成昆线建设中，成功用大截面开挖钢筋（或钢轨）混凝土抗滑桩，因其抗滑能力大，对滑坡体稳定性的破坏小，施工方便等优点，很快在铁路内、外滑坡治理中被广泛应用，几乎取代了在治理大、中型滑坡中抗滑挡土墙。抗滑桩被喻为治理滑坡的“重型武器”，使治理大型滑坡有了可能。在70年代中后期，深入研究抗滑桩的受力状态和设计理论的同时，又研究开发了新结构形式的抗滑桩，如排架桩、刚架桩，椅式桩墙等，以改变了抗滑桩的受力状态来节省了圬工和钢材。但由于施工要求远高于单桩施工要求，至今未推广应用。（3）80年代以来，随着锚索技术的发展，在滑坡防治中开始大量采用锚索工程。由于锚索工程是将滑体以下的滑床用高强度钢丝束锚固，抗拉力大，预应力锚索将一般支挡结构物的被动受力变为主动受力，对滑体扰动小，又能机械化施工，所以应用前景广阔。目前锚索的应用有两种情况：①锚索与抗滑桩联合形成“锚索抗滑桩’’。在抗滑桩顶部加2～4束锚索增加一个拉力，改变了原普通抗滑桩的悬臂受力状态，上端接近简支梁受力，加预应力变抗滑桩被动受力为主动受力，从而大大减小了抗滑桩的截面和埋置深度。②用锚索单独稳定滑坡。即在滑坡体上设置若干排锚索，锚固于滑动面以下的稳定地层中，地面用梁或墩作反力装置给滑体施加一预应力来稳定滑坡。1.3本文的研究内容本文在前人研究的部分成果上及根据对大量已建高等级公路黄土高边坡现状的调查、分析和研究，针对目前在黄土高边坡研究中存在的不足之处以及诸多问题展开进一步研究，本文从边坡稳定性及其防护方案两方面入手，主要研究内容有以下几方面：（1）通过大量的黄土地区边坡破坏的调查和资料分析，确定黄土地区边坡变形破坏的类型，研究其形成机理；（2）对黄土高边坡进行稳定性计算评价；（3）各类黄土边坡支护结构及适用范围（4）锚杆挡土墙支护设计第二章黄土边坡稳定性研究和边坡破坏类型机理探究2.1黄土边坡的稳定性分析方法随着我国的改革开放，国内基础设施建设蓬勃发展，尤其是西部大开发以来，为边坡工程发展创造了良好条件。很多分析评价边坡稳定性的方法随着现代科学技术的不断发展和边坡理论研究的不断深入在不断完善和发展。边坡稳定分析方法研究不仅是边坡稳定性问题的重要研究内容，更是边坡稳定研究的基础[20]，分析过程一般步骤为：实际边坡、力学模型、数学模型、计算方法、结论。其核心内容是力学模型、数学模型、计算方法的研究。目前可用于黄土高边坡稳定性分析的方法有极限平衡法、裂隙圆弧法、稳定图表法[21][22]、塑性极限分析法、有限元法等[23]很多种。另外，随着计算机技术的发展，尤其是岩土材料的非线性弹塑性有限元计算技术的发展，在国内外越来越受到关注的有限元强度折减法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。2.1.1极限平衡法极限平衡理论是把有滑动趋势范围内的边坡岩土体划分为一个个按某种规则小的块体，以块体的平衡条件为基础建立整个边坡平衡方程来进行边坡分析。该方法具有模型简单、计算公式简捷、可以解决各种复杂剖面形状、能考虑各种加载形式的特点。经过70多年的发展，极限平衡法发展了如瑞典圆弧法、简化Bishop法、Janbu法及Morgenstem．Price法、Spencer法等多种方法。尤其是简化Bishop法得到广泛的应用，以其计算模型简单、计算方法简便、计算结果能满足工作需要等优点，为各国规范所采用。一般而言，极限平衡解是满足力和力矩平衡以及摩尔—库仑破坏准则的。然而，因为极限平衡解忽略了相容性条件和土的应力—应变关系，只有当平衡条件不依赖应力－应变关系或应力力矩，计算的安全系数才是严格的。条分法到摩根斯坦法的出现已发展到相当完善的程度，因此再在条分法的框架下作新的发展已经很难了；同时条分法的工程应用表明，Bishop法的计算结果具有很高的可信度。2.1.2裂隙圆弧法裂隙圆弧法是八十年代初西安公路科学研究所的赵学勐[24]等人针对黄土边坡的特点提出的。黄土中由于垂直节理的存在，以及高陡边坡坡脚受到很大的自重应力，常发生不均匀变形等现象，都会导致坡顶出现成组的拉张裂隙。裂隙的平面分布呈与边坡坡肩线平行的圆弧状。裂隙在地表水的侵蚀下不断加深，当加深到超过黄土的最大垂直高度时，边坡就会发生坍塌。该方法提出后，受到工程界的关注并被应用。后经折学森教授改进后，该法得到较为广泛的应用。2.1.3稳定图表法稳定图表法是根据边坡的坡高与坡比有一定的函数关系而提出的，根据这种函数关系将其制成图片，这样使得边坡设计计算变得简单、方便，只需查相应的图表即可。该法步骤简单、直接，工程界常常使用，但它是在简化基础上进行归并而得，使用时要注意其适用条件和适用范围。2.1.4塑性极限分析法塑性极限分析法考虑岩土体应力一应变关系，用塑性力学上限、下限定理分析边坡稳定问题，就是从下限和上限两个方向逼近真实解。这一求解方法最大好处是回避了在工程中最不易弄清的本构关系表达式，因而具有物理概念清晰、应用简单且在很多情况下可给出问题的严密解等优点。该方法考虑了速度模式(破坏模式)和能量消耗，应力分布并不要求满足平衡条件。2.1.5有限元法有限元分析法是七十年代以来伴随着计算机的发展而逐渐成熟的分析法。该方法既可将边坡稳定问题视为平面应变问题进行分析计算，也可按空间问题分析，并可较合理地反映边坡的边界条件，以及坡体土应力－应变的非线性关系，因此，被视为较有发展前途的分析方法。该方法的基本原理为，将边坡土体离散成的很多小单元体按应力－应变关系及平衡条件建立变形谐调方程，然后根据各单元体间的变形谐调关系及边坡边界条件建立边坡整体稳定的应力和位移方程，最后通过计算机求解方程，得出边坡体中的应力、应变及位移。60年代以来，有限元方法开始应用于土坡的稳定性分析，为土坡稳定分析提供了新的思路。Fredhmd认为有限元法是边坡稳定分析的未来，一方面条分法存在前提假定上的缺陷，另一方面有限元法用于土坡的稳定分析有其众所周知的独特优点[25]：（1）可以考虑土体的非线性本构关系，可考虑复杂的荷载及模拟施工过程，从而使得滑动面上的计算应力比较真实。（2）将稳定和位移的发展联系起来。现场观测只能测出位移的发展；无法测出安全系数，将稳定性和位移的发展联系起来就可以依据位移估计安全性的变化，这对施工中检测和控制边坡的稳定性是十分重要的。（3）用有限元可计算膨胀土边坡和黄土边坡在浸水条件下的变形，进而反映对稳定性的影响。2.1.6有限元强度折减法Duncan(1996)指出边坡稳定系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土的剪切强度进行折减的程度，即定义稳定系数是土的实际剪切强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。这种强度折减技术特别适合用有限元方法来实现，早在1975年Zienkiewice[26]就用此方法分析边坡稳定，只是由于需要花费大量的机时而在具体应用中受到限制现在，随着微机的发展和有限元计算技术的提高，强度折减有限元法正成为边坡稳定分析研究的新趋势。GriffithsD．V[27]通过绘制边坡内某一点位移与折减系数关系曲线来确定安全系数。郑颖人[28]在这方面做了许多工作，为有限元强度折减法在我国的普及做了很大的贡献。对于复杂边坡的稳定分析利用有限元法，考虑土体的非线性应力应变关系，求得边坡内部每一计算点的应力应变，这样能够比较真实地反映应力应变情况，接着再降低土体材料的抗剪强度参数，直至边坡达到临界破坏状态，从而得到边坡的稳定系数。这样的做法与实际边坡失稳过程较为吻合，即大部分边坡失稳都是由于土体材料的抗剪强度降低所致。随着计算机软硬件及非线性弹塑性有限元计算技术的发展，采用理论体系更为严密的有限元法分析边坡的稳定性已经成为可能。在有限元静力稳态计算中，如果模型为不稳定状态，有限元计算将不收敛，基于此原理，在非线性有限元边坡稳定性分析中，利用公式2-1和2-2通过不断降低岩土体强度(粘聚力和内摩擦角)，使系统达到不稳定状态，有限元静力计算将不收敛，此时的折减系数R就是边坡稳定系数只。有限元强度折减法得到的稳定系数具有强度储备的概念，这与在极限平衡法中被广为接受的稳定系数定义在概念上是一致的，所以强度折减法得到的结果同极限平衡法具有可比性。ｃ＝c／R(2-1)φ=arctanφ(tan／R)(2-2)强度折减法的优点是稳定系数可以直接得出，不必事先假设滑裂面的形状和位置，另外可以考虑土坡的渐进破坏过程。强度折减有限元的关键问题是临界破坏状态的确定，即如何定义失稳判据。目前主要有三种失稳判据：①边坡某个部位的位移或最大位移；②迭代求解过程的不收敛；③土体塑性应变、应力水平等某些物理量的变化和分布MTJ。需要说明的是，进行强度折减非线性有限元分析，要有一个过硬的非线性有限元程序和收敛性能良好的本构模型。因为收敛失败可能表明边坡已经处于不稳定状态，也可能仅仅是有限元模型中某些数值问题造成计算不收敛。2.2黄土边坡破坏的类型[16][17][18][19]黄土高边坡的施工后，挖方边坡以一定的坡比暴露在大自然，经受风化、雨水冲刷和湿陷变形等作用，从而改变了原始的状态形成不稳定的斜坡。根据以往的研究，实地调查和数据汇总，概括总结出黄土高边坡变形破坏形式主要是坡面变形破坏和坡体变形破坏。2.2.1坡面变形破坏坡面变形破坏是黄土路堑高边坡破坏常见的现象。其破坏形式又可分为破坏形态表现为片状、层状、鱼鳞片状等面状剥落和表现为坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷细沟、跌水及沟穴等的坡面冲涮破坏。坡面冲刷黄土具有干燥时强度高，浸水后结构破坏，粘聚力迅速减小，且变化幅度大的特点。而黄土地区降雨时间集中，又多以暴雨形式出现，所以，雨水及地表水极易对黄土高边坡形成击溅侵蚀、细沟侵蚀、浅沟侵蚀、跌水等形式的破坏而且坡面冲刷会引起大量的水土流失。坡面冲刷使坡面成沟状或洞穴状，一般形成坡肩冲刷坍塌、坡面冲刷串沟、坡面冲刷跌水、坡脚冲刷淘空、坡面冲刷沟穴、岩石接触的冲刷沟穴等。黄土边坡坡面冲刷与土层、岩性、微地貌条件、水文条件等有密切的关系。坡面剥落坡面剥落现象是黄土边坡坡面破坏最普遍的一种，会发生在各种黄土类型中，虽然这种边坡坡面变形破坏没有坡体整体变形破坏危险，但其危害极大，处理也十分困难，还会引起其它更严重的边坡变形或破坏。剥落按其形态可分成以下几种：(1)鱼鳞状剥落这种变形破坏易发生在含易溶盐多(一般1％～2％)的新第四系风积黄土和冲积洪积黄土地区中。边坡开挖后，盐分随着水分的蒸发迁移至坡面土，从而引起土的松胀。由于盐分分布不均，使边坡坡面风化剥落程度不同，使坡面形成零乱分布的鳞状凸起和剥落，特别是新开挖的边坡上表现明显。(2)片状剥落主要发生在新第四系风积和近代坡积的均质黄土层这的较陡边坡表面，这种土层表面常形成一层厚约3～4厘米的硬壳，这层硬壳在自然应力作用下成大块片状剥落，尤其是在开挖年代较久阴坡坡面长满苔鲜死后遗留物的坡面上容易剥落，剥落下的硬壳常呈灰黑色。由于坡脚易受土中水分的变化引起干湿循环以及温度变化引起的冻融循环的影响，所以这种剥落一般从坡脚开始，逐渐向上发展。(3)层状剥落主要发生在洪积冲积形成的粘土、砂粘土及砂等黄土互层中，由于各层的岩性、含水量以及含易溶盐情况不同使得风化的快慢和强烈程度也不完全相同。一般粉土粒和砂粒含量高者剥落较轻、且慢，相比较而言，粘粒含量高者，剥落快而严重，因而就形成层状或带状的剥落现象。第四系黄土层中的埋藏层，由于粘粒含量较高，也比相邻的黄土层易于剥落，所以在边坡上形成明显的条带状分布。(4)块状剥落块状剥落主要发生在粘粒含量高古土壤中，由于粘粒含量太大，降雨过后由于蒸发时干裂，形成的土块在重力的作用下块状剥落，发生块状剥落后坡面形成反向凹坡。(5)混合状剥落事实上边坡坡面剥落并不象上面那样类型单一，很多时候几种剥蚀类型同时出现，因为黄土表层的黄土的岩性很多种类，因而几种类型剥落现象会在同一坡上同时会出现，形成混合状剥落。坡面剥落的影响因素主要与土质岩性、地质年代以、风化条件、黄土含盐量以及边坡所处位置等有关。一般阳坡比阴坡剥落严重，粘粒含量大的易剥落，高易剥落，易溶盐含量在0．12％以下时，边坡剥落现象几乎不存在。2.2.2坡体变形破坏黄土边坡坡体变形破坏主要为滑塌和滑坡两种形式。滑塌是边坡土体沿不规则滑面在重力作用下整体向下塌落的破坏现象。滑面呈后壁陡倾，中部较缓的“L”型，滑体散落于坡脚，滑塌的破坏形式和规模与黄土的构造节理密切相关，由于竖向节理发育，坡面开挖后节理易张开，所以很容易形成滑塌。地表水向下和临空面渗透形成的潮湿或接近饱和黄土组成的弧状软弱带，导致局部土体失稳，易引起滑塌。对于湿陷性新黄土，在边坡处受水侵蚀或冲刷极易发生局部坍塌，同时也有可能诱发更大规模的滑塌。滑坡使整个边坡失稳．并产生较大滑距的边坡破坏过程。滑坡产生原因主要有以下几点：(1)边坡开挖时垂直节理向外拉张引起坡体卸荷松动：(2)水由节理向下渗透引起坡体内土强度的降低；(3)长期使用过程中坡面及坡脚不断剥落冲刷引起整个坡体处于不断卸荷松动过程；(4)汇集水流渗入坡体，在具有湿陷性黄土坡顶和坡面水流集中部位易形成落水洞。滑坡的滑面常发生在松散结构或湿陷性黄土层和老黄土与岩体上不整合倾斜接触面处及老黄士与下覆基岩的不整合面处。当地下水沿黄土边坡下部相对隔水的粘土或砂页岩顶面出露时，常形成大规模的滑坡。对滑坡进行分类是工程界更好地认识滑坡和进行防灾及治理的基础工作。依据不同的标准和各种工程分类的不同目的和要求，可以从不同角度对滑坡进行分类。例如，按滑坡体的体积可将滑坡分为：①滑坡体积小于10×104立方米的小型滑坡；②滑坡体积为10×104~100×104立方米的中型滑坡；③滑坡体积为100×104~1000×104立方米的大型滑坡；④滑坡体体积大于1000×104立方米的特大型滑坡（巨型滑坡）。按滑坡产生时代可分为古滑坡、老滑坡、新滑坡和新生滑坡。按力学条件可划分为牵引式滑坡和推动式滑坡等。在实践中，应抓住问题的主要矛盾，根据突出因素对滑坡进行分类，以有利于认识、防灾和治理滑坡。坡体湿陷变形对于Q3黄土或新近堆积黄土，在水的作用下，由于其具有湿陷性在坡面上形成了陷穴或整体下沉，所以破坏了坡面的整体性。据对陕北公路黄土高边坡调查，一般边坡的失稳就是冲刷和湿陷破坏坡面，最终导致边坡整体失稳。崩塌崩塌多发生在施工阶段或形成较久的陡边坡上，沿坡顶坍塌或坡腰以及台阶顶部塌落。坡顶崩塌多出现在新黄土中，坡腰及坡脚崩塌多见老黄土中，形成原因有如下几种：(1)沿节理面或交叉节理处塌落：(2)沿黄土的微层理剥裂塌落；(3)高边坡形成后暴露地表，受到各种外部营力的作用，使坡形产生改变，最终下部形成反坡，反坡形成后，下部失去支撑，坡体应力会进一步调整，加快变形，后缘裂隙张开，如果组合的块体一旦形成，将产生崩塌；(4)由Q3黄土组成的黄土高边坡，如果地表没有排水设施，大气降水或灌溉等地表水沿黄土垂直裂隙入渗，久而久之形成黄土洞穴，从而造成边坡的破坏。滑塌滑塌是黄土高边坡一种常见的破坏形式，在黄土厚度比较大，尤其是马兰黄土厚度超过30m的地带滑塌灾害十分普遍。它兼有崩塌和滑坡的特征，在破坏土体中不整体下滑只有局部可见滑动面，而且带有迅速崩塌特点的破坏，在高陡边坡顶部及中部皆有发生。降雨与黄土滑塌灾害无直接关系，这一点与黄土滑坡有很大不同。由于滑塌具有突发性、频繁性和群发性等特点，除了给工程带来维修和维护上的麻烦及大量资金浪费之外，还很容易诱发其环境地质问题。泥流泥流是因为土体因饱和而产生塑性流动，多发生在边坡的局部湿润地带或地下水出露部位。这种变形破坏现象在黄土高边坡中不多见。2.3边坡稳定性破坏机理模型处于天然状态下的黄土经过开挖后形成高陡边坡，由于其应力调整，将发生一系列的变形，如果边坡设计合理，则变形向趋于稳定方向发展，即减速变形，如果其设计值不能满足黄土自稳要求，或边坡中存在诸如不利结构面、地下水等因素，变形进一步发展，将会使边坡处于不稳定状态，甚至破坏。根据铜黄公路黄土高边坡的和陕西省内黄土高边坡的一些调型161，总结出黄土高边坡变形破坏的规律和模式。2.3.1坡面破坏模型坡面破坏主要表现为冲刷、湿陷和剥落。冲刷受坡比控制。坡比直接控制着汇水面积和地表面流的流速，坡面土体的移动与水的厚度、流速及土粒的抗剪强度有关，一般情况下，坡面越大，其汇流水的厚度越大，冲刷力越强，而坡面越陡，其水流流速越大，因此，坡比似乎与坡面冲刷和稳定相互矛盾，也就是适当的坡比是决定坡面冲刷的关键。边坡愈缓愈稳定，但折学森教授在铜黄公路边坡做现场冲刷实验[30]时发现，黄土边坡坡度不宜太缓，否则易受到冲J$1h同时也不宣太陡，否则易使降雨对坡面上裂隙、节理产生冲刷作用，产生剥落或局部坍塌，他建议黄土边坡的坡度，一般以1：0．4～1:0.75为易。坡面破坏与坡体的岩土性质、降雨量、坡面形态有着密不可分的关系。组成坡体的黄土上部一般为Q。马兰黄土，疏松、欠压密、具中等湿陷性，因此在连阴雨和强降雨时，由于溅击作用，会使土粒与坡面失去联系。随集中水流一起带走，更为重要的是坡顶如无排水措施，形成的面流就会沿着节理、裂隙冲蚀或潜蚀，形成小型冲沟。对于Q。黄土或新近堆积黄土，由于其具有湿陷性，在水的作用下，坡面上形成了陷穴和整体下沉，破坏了坡面的整体性。前面己提到，由于坡脚的压应力、古土壤的反复饱水和干裂剥落、坡面上水分的变化、开裂等原因会引起坡面的剥落破坏。它对于坡体稳定的影响不大，但不加以保护，其坡脚路旁的堆积对公路的养护也是值得注意的。2.3.2滑塌、滑坡的破坏模型(1)黄土高边坡开挖过程中的蠕动变形－后缘拉裂黄土中的天然应力场主要为自重应力，在开挖前，自重应力以垂直方向为主，由于人工迅速开挖，形成高陡临空面，其应力要进行调整，调整的结果是应力的偏转，即形成平行于坡面的最大主应力和与之垂直相交的最小主应力，两应力的交线成为剪应力轨迹，最大主应力的偏转程度与坡高和坡型有着直接关系，其坡越高越明显，则剪应力在坡脚越集中，同时在坡脚形成较高的压应力集中，导致坡脚发生塑性变形当边坡的侧向应力削弱后，坡顶由于卸荷回弹而出现的张开裂隙，它是在边坡应力调整过程中发生的变形。如铜黄公路K107+140～300处，其坡脚的黄土及古土壤有明显的压裂痕迹，使得土体呈鳞片状，平行于坡面开裂，局部以沿开裂面产生剥落。坡体设计和施工成高lO～15m留有平台的多级坡可以消除或降低这种影响。如果坡高较大，坡度较陡，则在坡面上部和坡肩部位形成拉应力，而黄土的拉应力强度很低，据前人的试验研究[29][32]，黄土的极限抗拉强度变化较大，但其值一般较低。黄土极限抗拉强度σ变化范围土样编号含水量(％)干重度(kN/m3)极限抗拉强度σ(kPa)受裂隙影响极限抗拉强度σ(kPa)A1Q216.4～17.516.0～16.737～46.523～25.7B2Q210.4～16.215.O～15.711.5～567.3BlQ2lO.4～14.413.O～13.610.5～21.O78-EQ38.115.7～1.314.7～29.O9.3从表中可以看出Q2黄土的极限抗拉强度的变化范围为10.5～46.5kPa，Q3土的极限抗拉强度为9.4～29.0kPa，其主要影响因素为含水量和土中的裂隙。特别是在坡顶如存在原生节理和风化裂隙，则抗拉强度为零，所以在坡顶及坡肩易产生张裂。(2)黄土边坡的渐进破坏性黄土高边坡的失稳现象并不是在同一时间内滑动面上各点一起达到极限状态，最可能的模式是先从一个局部开始破裂，一般是在应力高、强度低的部位首先破裂，而一旦发生局部破坏，必然发生应力释放、应力转移和应力重新调整，而在破坏了的局域所受到的影响最大，该邻域可能由原先没有超过强度值转变为超过强度值而发生破坏，使应力集中区向其它部位转移，这样在不断地发生应力释放、转移和调整过程中，破坏面也在不断的延伸。这种过程继续进行，最后将有两种可能，一种是破坏面完全贯穿，滑体将在滑床上开始做加速运动，一种是破坏面没有贯穿，在伸展到某一区域后就停止扩展其前方区域的应力应变均未超过强度值，此时就不会发生整体滑动。这种破坏模式称为逐渐发展的破坏或称为渐进性的破坏。渐进破坏的过程按弹塑性力学变形原理可以划分为三个阶段，由坡脚弹塑性变形到坡顶出现张拉裂缝是滑坡的孕育阶段，这一阶段的发展较慢，历时较长，如及时采取增稳措施，可以防止大滑坡发生；从坡顶出现裂缝到抗剪弧段强度衰减为滑坡发展阶段：潜在滑动面运渐贯通，坡顶裂缝的宽度、深度扩展到一定程度，滑动力矩超过抗滑力矩，滑坡随即发生。渐进破坏发生的条件为：坡体中局部剪应力超过局部剪强度，土体的应力一应变曲线为软化型，具有较高的峰残强度比。黄土虽非超固结土，但具有较高的结构强度，在低围压和低湿度情况下的应力～应变曲线呈软化型。引起渐进性破坏的原因可能是：①应力和应变分布的不均匀性；②发生应变软化特性；③应力释放；④出现裂缝以及黄土在水作用下的软化：⑤土体中存在节理或不连续的结构面；⑥空隙水压力增长：⑦小地质构造；⑧环境影响。(3)剪出口形成—坡体突滑滑带不断发展，最终在剪出口贯通，边坡变形过程中积蓄的能量在此突然释放，坡度陡、位置高的边坡体以崩滑方式快速下滑，能量在坡体前突然释放，导致滑体前部破碎，后部结构、形态相对完整。(4)下卧层相对隔水，地表水入渗或沿裂隙灌入产生滑移破坏这种模式仅为滑坡的一个模式。黄土中存在相对隔水层，其坡脚一些地段是相对隔水的泥岩、泥质砂岩及风化剥蚀面，相对黄土而言，这些层位其渗透系数很小，如果层位较低，又有适当的水源补给，则可能在这些层位之上形成黄土的饱和层。黄土的入渗系数较小，一般为10～10.5cm／s之间，黄土的覆盖较厚，一般情况下，在降水过程中，不可能入渗到达下部相对隔水层，但是由于张裂隙及一些大的空洞存在，在降水时地表水形成面流，会沿这些裂隙、孔洞直接灌入到达一定深度，加之地下水的侧向补给就会在该处形成地下潜水或上层滞水，使黄土呈现流塑或软塑状态。这样在坡体重力作用下就会沿着薄弱面产生滑动，使边坡破坏。2.3.3崩塌形成模型(1)高边坡形成后暴露地表，受到各种外部营力的作用，使坡形产生改变，最终下部形成反坡，如有不利的裂隙切割组合成块体，最终将产生崩塌破坏。形成反坡的原因如下：①边坡坡脚附近为古土壤层。②剪应力在坡脚集中，同时在坡脚形成较高的压应力集中。③在坡脚附近，由于其处于饱水带或潮湿带，在冬季冻结，春季消融，反复进行，在坡脚形成凹进的反坡；④地表水的冲刷作用；⑥风化作用等。反坡形成后，下部失去支撑，坡体应力会进一步调整，加快变形，后缘裂隙张开，如果组合的块体一旦形成，将产生崩塌。(2)新黄土单一结构黄土高边坡，当地表水没有排水设施的，大气降水或灌溉等地表水沿黄土垂直裂隙入渗，久而久之，形成黄土洞穴，从而造成边坡崩塌破坏。2.4影响黄土边坡变形的因素综合野外黄土路堑边坡调查研究资料，可以看出造成黄土边坡变形的各种条件有：(1)松散结构湿陷性黄土干容重小、孔隙度大、强度低；(2)具有呈粉粒点式接触大孔性结构和粉粒叠盖式多孔性结构；(3)黄土节理发育；(4)黄土中含易溶盐；(5)边坡土质不均匀，有时存在粘土等夹层：(6)微地貌条件；(7)风化作用；(8)地表径流冲刷；(9)边坡过高过陡或过缓(受水面积大，滞流系数大)，(10)水文地质条件，水的浸润作用和坡脚冲刷或泡水；(11)陷穴、沟穴的发育、地鼠穴道的危害；(12)地震作用影响；(13)排水不良。将上述条件加以分析，影响边坡变形的因素可归纳为：内在因素：外界条件；人为因素的影响三个主要方面。2.4.1内在因素边坡变形的内因，主要包括黄土所具有的一些特性，是影响边坡变形破坏的主要因素。(1)黄土的层位和成因类别：松散结构的新黄土(Q3、Q4)和密实结构的老黄土(Q2)其物理力学性质差别较大，因此，在两类黄土中发生的破坏变形现象亦不相同。在同一时代的黄土中由于其成因不同，其稳定性也有较大差异，一般现代坡积的松散坡积黄土(Q43一舢)最不稳定，而阶地上部洪积和冲积的黄土Q43-4则较稳定。(2)黄土的结构和构造：黄土中节理、裂隙的密度、性质、土的均匀性、结构孔隙特征、夹层的特性以及构造变动等都影响到边坡的稳定性。(3)黄土下卧岩层的影响：下卧岩层的岩性、产状、风化程度及黄土的接触关系等，是影响边坡稳定性很重要的条件。(4)物质组成：矿物成分、易溶盐含量对边坡稳定性也有影响。(5)黄土的物理力学性质；在黄土的工程地质性质指标中，主要的是粘土颗粒的含量、干容重、液限和塑性指数、天然含水量、孔隙度以及力学性质指标等。2.4.2外界条件边坡变形的诱因，系指边坡所处的环境，它会促进边坡变形破坏的发生和发展，是引起边坡变形破坏的诱发因素和外因。(1)地貌单元和微地貌特征：边坡处于阶地上，阶地的前缘坡面、或处于分水岭斜坡上，不仅会通过不同成因类型的黄土，而且坡顶的汇水条件将不同。在微地貌特征上，如陷穴、暗洞、低洼积水、冲沟坡面形态等的位置及分布都影响到边坡的稳定。(2)地下水条件：地下水在黄土层中，或在底砾层中，或在下卧岩层中出露，一般都会对边坡稳定性产生不利影响。(3)地表水作用：主要表现在坡面的冲刷，坡脚和侧沟的浸湿和冲刷，渗入土体中的水将引起土体重量增加及强度的降低，水渗入裂隙和节理而产生的静水压力，促进冲沟、陷穴的发展等，对边坡稳定性都不利。(4)风化作用：常形成次生节理并使构造节理张开，坡面的剥落现象，是造成边坡变形的直接原因之一。(5)震动的影响：包括地震及列车行走时的振动影响。有些自然山坡的大滑坡显然是和区域性的地震有关，至于列车振动对边坡稳定性的影响则是经常的。2.4.3人为因素的影响人为因素系指设计、施工、维修不当及加载、灌溉等而造成的一些不利条件，有时这种影响也可成为边坡变形破坏的直接原因。(1)设计不合理：设计黄土边坡时，如未能全面考虑上述各因素，以及边坡的坡高、坡度或坡形不能适应黄土的特性时，将引起边坡的变形破坏。(2)施工不当：坡面不平整，边坡平台未加防护和加固，以致地表水渗入而引起变形。(3)防、排水系统不完善、养护维修不当或设计不合理。(4)边坡顶部人为增加荷载等(如堆放东西，设置建筑物等)，增加了下滑力，降低了边坡的安全系数。(5)边坡植被被破坏。2.5边坡稳定性研小结通过对黄土高边坡变形破坏的基本形式及其机理分析的研究，可以得出：(1)黄土高边坡常见结构模型主要有：①新黄土单一结构模型，②老黄士单一结构模型，③新老黄土组合型，④黄士、基岩组合型，⑤黄土、钙板、古土壤组合型：(2)黄土高边坡的变形破坏形式主要有：坡面冲刷、坡面剥落掉块、坡体湿陷变形、崩塌、滑塌、泥流等几种，其中滑塌最常见；(3)黄土高边坡变形破坏机理模型主要有以下三种：滑塌、滑坡的破坏模型、崩塌破坏模型和坡面破坏模型：(4)滑塌、滑坡的破坏模型表现如下：①黄土高边坡开挖过程中的蠕动变形一后缘拉裂，②黄土边坡的渐进破坏性，③剪出口形成一坡体突滑，④下卧层相对隔水，地表水入渗或沿裂隙灌入产生滑移破坏；(5)崩塌形成模型表现如下：①由边坡下部的反坡引起的崩塌，②由黄土洞穴引起的崩塌；(6)坡面破坏模型主要表现为冲刷、湿陷和剥落。(7)影响边坡变形的因素可归纳为：内在因素、外界条件、人为因素的影响三个主要方面，其中内在因素是影响边坡变形破坏的主要因素。对于人工开挖的路堑黄土高边坡而言，人为因素是主要的。第三章黄土边坡支护设计3.1支护设计的意义坡面防护的主要目的是保护边坡，防止边坡风化、冲刷，同时还具有美化路容、协调生态环境等作用。坡面破坏是指在边坡本身稳定性满足要求，由于边坡坡面常年暴露于自然环境中，在各种自然条件的影响下，使边坡表面土体失稳的现象。针对路堑高边坡坡面破坏的防护，目前还没有统一的行业标准。陕北地区公路路堑高边坡坡面防护技术可分为植物防护技术、工程防护技术和新型防护技术三大类。3.2支护设计的依据（1）工程地质比拟法，从自然稳定坡的调查中寻找可供比拟的坡形、坡率和坡高。（2）经验对比法，以类似地质条件下稳定的人工边坡作参考设计新的边坡。（3）力学计算法：①选择符合坡体结构和破坏模式的计算方法对设计的坡形进行稳定性计算，调整坡形或增加防护支挡工程以达到合理的设计；②边坡工程设计中必须进行支护结构强度计算，包括锚杆抗力，立柱、挡板、挡墙及其基础的抗压、抗弯、抗剪和局部抗压承载力均应满足要求；③在锚杆挡墙设计中，必须进行锚杆抗拔承载力和立柱与挡墙基础的地基承载力验算；④当边坡位于滑坡地段或边坡的滑坍可能影响周围的建筑物时，应对边坡工程进行支护结构整体或局部稳定性验算；⑤如果对边坡变形有较高的要求时，应对边坡变形进行分析，并根据分析结果采取有效的措施控制变形量，使之满足规定要求。3.3设计内容路堑边坡设计包括坡形坡率设计、防护工程设计和排水系统设计。（1）对于路堑挖方高边坡，一般采用台阶状坡形，台阶高度8m～10m，台阶(卸荷平台)宽度不宜小于2m；对岩层顺倾地段的高边坡，当岩层倾角大于40o时，可采用顺层面刷方，但当倾角较缓时，不宜顺层刷方，应采取防护工程设计；（2）对计算评价不稳定和欠稳定的边坡必须设置一定的防护加固工程措施，常用的如挡土墙、抗滑桩、预应力锚索抗滑桩、预应力锚索框架、锚杆框架等，可根据边坡的具体情况单独或组合使用；（3）边坡坡顶、坡面、坡脚和边坡中部平台应设置地表排水系统；当边坡有积水湿地、地下水渗出或地下水露头时，应根据实际情况设置地下水渗沟、边坡渗沟或仰斜式排水孔或在上游沿垂直地下水流向设置拦截地下水的排导设施。3.4支护设计的类型及适用条件坡面破坏是指在边坡本身稳定性满足要求，由于边坡坡面常年暴露于自然环境中，在各种自然条件的影响下，使边坡表面土体失稳的现象。针对路堑高边坡坡面破坏的防护，目前还没有统一的行业标准。在各种自然条件中，水对边坡的作用影响是最大的，也是最明显的，所以最有效最直接的防护措施就是排水措施。但是排水很难整体防治坡面破坏，一般与坡面防护与支挡防护结合使用。黄土公路路堑高边坡坡面防护技术对应于坡面破坏形式可为坡面防护和支挡防护，坡面防护技术主要是植物防护技术，支挡防护可分为一般工程支挡防护技术和高轻型支挡防护技术两大类。3.4.1排水措施水是边坡坡面破坏的重要根源之一。因此合理有效的排水措施是防止边坡坡面破坏的最直接最有效有的方法。边坡排水设施主要有：截水沟、排水沟、急流槽等。截水沟是常用的重要的公路路堑排水构造物，在黄土地区尤为常见。截水沟设置在边坡上方，用以拦截边坡上方汇水区产生的径流。它能有效地拦截坡顶汇水所形成的地表径流，减少雨水对坡面的冲刷侵蚀。截水沟宜设在距坡顶5m以外，汇水面积大时可设多道截水沟。由于地表径流基本沿垂直地形等高线流动，因此截水沟应大体沿等高线布置，并保证沟底有大于0．5％的纵坡。由于黄土的独特水理特性，截水沟必须具备防冲防渗功能，一般采用浆砌片石修筑，浆砌厚20～30m，断面梯形。铺砌片石顶端不得高于低表面，以利于地表径流进入截水沟。在开挖时应该尽量避免对天然黄土结构的破坏，天然黄土的结构是经过长期内外营力作用下形成的，具有一定的稳定性，黄土扰动后，其力学性质、水理性质都有明显变化，对排水构造物的稳定性会产生不利影响。急流槽多用于将截水沟或护坡道上的水流排入边沟或自然沟槽，也是黄土地区常用的排水构造物，因为急流槽坡度大，修筑在天然黄土上的急流槽易滑脱、破损，因此在设计时应特别注意下部底座的稳定。边坡防护要与支挡防护、坡面防护工程相结合，特别当坡面破坏严重，坡陡而高时，单纯的排水或单纯的防护都不能很好的达到预期的效果。上部设排水，坡脚设挡土墙或在最下一级或两级坡面设置护面墙是常用的方法。同时，挡土墙本身也应注意排水问题。在坡度较缓时，可采用排水和植物防护相结合以确保坡面的稳定；坡度太陡，不宜种植草属时，可采用排水与护面墙、喷浆等防护措施相结合。3.4.2坡面防护技术坡面防护技术主要是植草防护技术和抹面防护，植物防护是最好的防护措施，不仅可以有效地防治边坡破坏问题，而且还可以绿化环境，改善环境。既可以单独作为防护措施，也可以和一些简单工程支护配合使用，还可以作为工程支护的辅助防护措施，主要有人工种草防护、矮灌木乔木防护、三维网植草防护、骨架植草防护、土工格室防护技术、液压喷播植草护坡、厚层基材喷播法等方案。抹面防护对于易受风化的软质岩石的路堑边坡，暴露在大气中很容易风化剥落而逐渐破坏．因而常在坡而上加设一层耐风化表层，以隔离大气的影响，防止风化。常用的抹而材料有各种石灰混合料灰浆、水泥砂浆等。抹而厚度一般为3～7cm，可使用6～8年。为防止表而产生微细裂缝影响抹而使用寿命，可在表而涂一层沥青保护层。但该方法与环境难以协调。人工种草防护人工种草防护是黄土地区最初使用的一种植物防护方法（图片3.1），可分为沟种、穴种、撒种、铺草皮及植生带等方式。黄延公路采用了穴种的方式植草。它是在坡面上用特制的钻具，钻头直径为5era，挖掘出直径5～8cm，深lO～15cm的小洞穴。将固体肥料和种子放入，用土和砂掩埋。也可以根据情况在肥料里面添加高效保水剂。洞穴的分布密度为12～28个／m2。肥料可由草木灰、锯末、禽畜粪便、尿素、磷肥等经特殊的工艺制成，并与土壤按7：3的比例拌和。该方法适用于坡比不大于1：0．5，坡高小于8m的黄土边坡。穴种费时费工，浇水养护的时候很容易对坡面造成径流冲蚀破坏。灌木及矮乔木防护在路堑边坡坡脚处或平台上栽植灌木或者矮乔木，对于加固边坡、减少