高边坡设计论文范文第1篇

【关键词】公路高边坡；稳定性评价；支护优化设计

高边坡分为土质边坡和岩质边坡，当岩质边坡的高度超过30米，土质边坡的高度超过20米，即为高边坡。公路的路线越长，所经过的地质条件就会相对复杂，边坡的数量也会随着增多。除了显性的边坡之外，还存在潜在的失稳边坡。在施工的进程中，这些潜在的失稳边坡就会在施工作业的作用下，出现失稳变形的现象。此外，公路边坡的特殊性还在于其为永久边坡，无论是考虑到地质灾害预见经验不足，还是提高运营期的安全系数，对于高边坡都要根据地质条件做好支护优化设计工作。目前对于高边坡支护优化设计以对单体边坡设计为主。验证高边坡的稳定性所采用的方法为极限平衡法，参考检测反馈信息，将优化设计方案制定出来。本论文以某段高速公路的40个高边坡为例，对于支护优化设计进行探索。

一、高边坡普查

高边坡普查是对于公路施工现场开展地质勘察和环境考察工作。工作的重点是在施工前对于公路的权限高边坡都要进行调查，已将边坡岩体的结构特征明确区分，并对于已出现变形破坏现象要进行分析，并采取必要的措施补救。对于高边坡普查的目的是提出高边坡优化设计方案，并将重点研究边坡筛选出来。公路边坡往往地质条件较为复杂而缺乏稳定性，边坡的高度大于40米。符合研究条件的边坡只有满足了其中的两个条件，就可以进行筛选，并作为重点研究对象。

二、重点高边坡稳定性评价

高边坡岩土体具有地质过程特征。从地质学的角度刻划，评价岩石高边坡稳定性就是要给予边坡变形破坏的机制进行研究，采用数值模拟的方法模拟岩体高边坡的破坏演变过程，根据模拟控制结果评价高边坡的稳定性。变形稳定性分析采取变形理论的稳定性分析与强度理论的稳定性分析结合的方法，形成建立在模拟控制基础上的岩体高边坡稳定性评价，并提出控制方法。

在整个的高边坡施工阶段，高边坡稳定性评价以及支护优化设计始终贯穿于其中，形成一个动态的评价过程。根据高边坡实际特征，可以判断其破坏模式分为结构面控制型和最大剪应力面控制型。那么在工作流程上所形成的技术思路为：根据高边坡变形稳定性分析数据，对于边坡的可能性变形破坏模式进行判断，并分析变形破坏的发展过程。对于潜在滑动面位置的判断，可以根据所监测到的变形破坏信息为参考依据。在支护优化设计上，引荐强度稳定性分析方法，将必要的设计数据计算出来。为了验证支护的效果，可以对于支护的结构与边坡之间所形成的作用关系来完成，以对于设计不断的完善、优化。

从地质状况的角度审视公路的岩体结构，该公路的沿线上分布着板岩和千枚岩，部分地区已经出现了破碎结构，并以层状呈现出来形成倾倒变形体。根据勘测结果，在40个高边坡中，有近一半的边坡已经出现了倾倒变形现象，主要是受到岩体结构的影响，一些折断面则受到岩体特征的影响。那么对于倾倒变形体的评价则要采用以下的途径。

倾倒变形的范围可以采用离散元法对于倾倒变形的演化过程进行模拟，根据公路现场地质实际状况将地质模型建立起来。边坡变形破坏模式可以采用边坡稳定性评价方法进行研究。潜在滑动面的确定上，可以二维有限元研究方法，这主要是针对没有发生变形的边坡或者是变形程度较小的边坡的内应力、变形程度进行分析。如果边坡的变形程度很大，就要采用二维有限元法对于边坡的分布特征进行分期，并以勘测信息以及施工的各种反馈信息作为参考，以获得准确的滑动面位置。边坡稳定性评价所采用的是强度理论，并在此基础上计算出支护设计的参数。

三、重点高边坡支护优化设计

高边坡支护方案的选定，主要是根据变形破坏的“过程模拟”对于岩石体的演化以及变形破坏机制进行研究，以根据变形破坏的实际情况拟定设计方案。设计主要采用的是初步静力学设计，并运用数值模拟研究岩石体与工程结构的作用，以此为依据对于高边坡进行优化设计。不同的破坏模式的边坡所采用的支护方案也会有所不同。针对于原设计方案，要使其得到进一步优化以符合实际需要，就要将“过程控制”技术纳入其中，地质模型要表达准确并建立在高边坡变形控制以及灾害控制的指导基础上，以形成边坡稳定性评价的关键条件，采取必要的支护措施将高边坡的变形控制在规定范围内，并通过监测获得反馈信息验证其效果。高边坡优化设计见下表。

高边坡优化设计方案

结论：

综上所述，本论文针对公路高边坡的稳定性以及优化设计的思路和方法进行探讨，通过变形稳定性的分析，并对于边坡可能破坏的模式以及变形破坏的发展过程进行评价分析，以对高边坡稳定性进一步评价，为支护优化设计提高参考。

参考文献

[1]贾致荣，郭忠印，房建国.济青高速公路南线路堑边坡动态优化设计[J].公路，2002（12）.

[2]黄润秋.岩石高边坡发育的动力过程及其稳定性控制[J].岩石力学与工程学报，2008.27（08）.

[3]巨能攀，赵建军，邓辉.黄山高速滑移弯曲边坡变形机制分析及应急治理[J].地球科学进展，2008.23（05）.

高边坡设计论文范文第2篇

关键词：生态防护，黄土边坡， 坡型

Abstract: this article taking the zheng west passenger line collapsible loess section as an example, builds a calculation model of slope, by the finite element method for excavation of the deformation analyzes working condition limit equilibrium method of the safety factor, and concludes that the stability of the slope based on consideration of design scheme. And on this basis, considering the requirement of ecological protection, it puts forward the suitable for ecological protection in the loess cutting slope reasonable slope type.

Keywords: ecological protection, loess slope, slope type

中图分类号：S611 文献标识码：A文章编号：

近年来，生态环境保护的要求和全国绿色通道建设的需要，使得越来越多的生态护坡技术应用于铁路、公路、市政工程的边坡防护。然而，我国黄土路堑边坡的坡型设计主要是在工程类比法的基础上按照规范进行，设计的边坡形式以窄平台陡边坡的阶梯式为主。调查发现，在这种的窄平台陡边坡坡型上进行植物防护的效果并不理想。

为此，本文以郑西客运专线湿陷性黄土路段为例，探讨考虑生态防护要求的黄土路堑边坡的合理坡型。

基于稳定性分析的坡型设计

1.1计算原型概况

郑西客运专线湿陷性黄土路段属黄河二级阶地，地形总体平坦开阔，两侧略高，高程400～430m，相对高差约30m。地层人工填土（Q4ml）、砂质黄土(松软土)（Q3eol+al）、砂质黄土（Q3eol+al）、砂质黄土（Q3eol+al）。

1.2有限元分析

1. 2.1 建立计算模型

边坡的单级坡高、坡比和平台宽度是边坡设计中需要重点考虑的问题，它直接关系到黄土边坡的稳定性、经济性和生态性。将三者最优化组合，是黄土边坡坡型设计的指导思想。考虑不同的设计坡型，分别建立计算模型，并划分网格。在不同坡型的计算模型建立中，原始坡面线、地层界线和开挖路基面的位置始终固定，只改变坡型（即开挖线）。

计算模型设计中，坡型主要参数为单级坡高：6m、8m、10m；平台宽度：3m、4m、5m；坡比：1：0.75、1：1.0、1：1.25，共计算坡型27种。

1. 2.2 定义计算分析变量

边坡在开挖工况中由于开挖卸荷势必会在坡体内产生应力调整，调整的结果是产生坡体变形位移场，主要分析如下2个计算变量：

（1）边坡最大位移Us

（2）最大位移高度（路基面到边坡最大位移点的竖直高度）Hus

1. 2.3 计算结果分析

开挖工况下，边坡和路基主要表现为卸荷回弹，位移矢量以竖向分量为主，受原始地形与开挖后边坡形状的控制。

边坡最大位移Us在各设计坡型下的计算结果如图2所示。由图分析得，总的变形趋势是随坡比的增大，Us也相应的增大。边坡在开挖工况下表现为卸荷回弹，坡比越缓，则坡体开挖范围越大，相应的回弹位移也越大。在坡比单级坡高相同的条件下，则是台阶越宽，位移越大，这一变形特征同样表明坡体开挖范围越大，则边坡开挖变形越大。而在坡比台阶宽度相同的条件下，则是单级坡高越高，位移越小。

对应于边坡最大位移Us的最大位移高度Hus基本反映了和单级台阶高度的相关性，如图3所示。当单级台阶高度为8-10m时，Hus等于单级台阶高度，当单级台阶高度为6m时，Hus随坡比和台阶高度有一定变化。

开挖工况中变量Us和Hus均表现出和坡形的强烈相关性，若以Us和Hus尽可能小为设计原则，则该模型的最佳单级坡高应该为8m或10m，台阶宽度宜较小，坡比宜较陡。

因此，通过对开挖施工下黄土边坡的变形规律分析，初步筛选出较合适的边坡坡型，即单级坡高8-10，平台宽度3-4m，坡比1：0.75-1：1。

1.3极限平衡分析

作为工程应用，安全系数的计算是不可或缺的。因此，本文利用二维刚体极限平衡方法，对前面研究所得到的较为合理的边坡坡型做进一步论证分析，以确定最终边坡坡型。安全系数计算结果如表2所示。

极限平衡稳定性分析计算结果表明，h8x4s100（单级坡高8m，平台宽4m，坡比1：1）的坡型为基于稳定性分析的最优坡型。

基于生态防护考虑的坡型设计

2.1黄土边坡坡面植物生长状况的调研

根据对自然黄土斜坡和人工开挖黄土边坡坡面植物生长状况的调研，边坡坡比陡于1：0.5，坡面草本植物生长不良，边坡开挖数十年后，在自然环境下坡面仍难以恢复。即使采用人工方法快速恢复植被，草本植物也会很快退化死亡。而边坡较缓时，随着时间的增长，草本植物会逐渐侵入黄土坡面并定居繁衍，形成稳定的植物群落。

2.2黄土边坡坡度对植物生长的影响

植物防护主要依靠坡面植物的地下根系及地上茎叶的作用保护坡面不受冲刷侵蚀。因此，为充分发挥植物对边坡稳定性的有利作用，边坡坡型必须满足其上植物的生长要求。

上述调研表明，黄土边坡的坡度对坡面植物生长有影响。日本学者山寺喜成对边坡坡度与植物根系的延伸做了较深入的研究。通过研究发现：生长在坡面上草本植物的根系，往往向坡面下方延伸，几乎不向坡面土层深处延伸。当坡比增大、坡面変陡时，根系分布变得稀薄。即使在坡面水土条件良好，其根系先端部位形成疏松风化土层的条件下，根系可能仍向坡面下方延伸的现象。因此，当边坡坡度过陡时，草本植物难以长期稳定地定居于坡面。木本植物的根系特征完全不同于草本植物，木本植物的根系生长虽然也随坡度而变化，但当边坡坡度增大时，根系仍可向山坡侧延伸。而且，根系先端部位一旦形成风化土层，就有根系向其内部延伸，因此，木本植物有较强的固定坡面风化土层的功能，可以防止滑坡等边坡破坏的发生。相对于黄土陡边坡，若黄土坡度较缓，则木本植物的生长更良好，更容易快速地完全覆盖坡面，起到防护的作用。

综上所述，从利于坡面植物生长、快速起到防护作用的角度考虑，黄土边坡的坡比不宜陡于1：1。

结论

本文通过具体实例，探讨了生态防护黄土路堑边坡的合理坡型设计。从稳定性角度出发，得出单级坡高8m，平台宽4m，坡比1：1的坡型设计方案。从发挥生态防护绿色环保及提高边坡稳定性的积极作用的角度出发，综合前人研究结论及大量现场调研结果，得出生态防护黄土路堑边坡的坡比不宜陡于1：1。

参考文献

[1] 范庆春.公路绿化与水土保持初探[J].交通环保,2002,5(10),21-23.

[2] 蒋恒.黄土边坡开挖模拟及稳定性分析[J].四川建筑,2009,2( 04),105-106.

高边坡设计论文范文第3篇

关键词：公路路基；坡防护；技术措施

中图分类号：U213.1 文献标识码：A

1前 言

路基在公路工程施工中是一个十分重要的方面，其对公路工程的质量具有十分重要的影响。实践证明，通过加强对公路路基边坡防护的研究，可以有效地提高公路路基的施工质量，确保公路路基的安全性和可靠性。在对公路路基边坡的研究过程中，一定要考虑到影响边坡失稳的因素，从而对症下药，解决边坡的治理问题。因此，根据自己的多年施工经验的总结和研究，从公路路基边坡失稳的因素出发，研究边坡防护的原则以及具体的措施，希望对相关的领域的研究提供借鉴。

分析公路路基边坡防护的原则

2.1在公路路基边坡防护过程中，要坚持从工程地段的地质地貌条件出发，加强对滑坡做出科学合理的定性评价，在此过程中，再辅之以定量评价。

2.2要坚持技术原则和经济原则的统一性。在进行边坡防护过程中，要从本地的地形地貌地质条件族从科学的分析，并对各种地质地貌做出合理的利用，因地制宜，采取有效的控制措施，如此，可以让工程治理更为稳定，且一定程度上降低了工程的成本。

2.3在进行边坡防护过程中，要确保工程的安全性，实施安全作业管理。要在综合考虑地震条件，做出科学合理的设计，并严格计算整个工程的安全系数。

分析公路路基边坡失稳的因素

3.1公路建设的土石方工程阶段是破坏原地貌植被、弃土、弃石的集中时期，工程用土范围内原地表植被所具有的水土保持功能迅速降低或丧失，并为水土流失发生、发展提供了大量易冲蚀的松散堆积物。路基边坡开挖、填筑是原有地表植被被破坏，形成大面积坡面，表土层抗蚀能力减弱，水土流失加剧，从而导致边坡失稳的机率增大。

3.2设计中对滑坡路段岩土性质认识不足，设计边坡率过陡。施工中未根据实际情况采取相应措施，堑坡仍按原设计破率开挖，边坡过高过陡，难以保证自身稳定。边坡开挖后，未及时进行防护，长时间暴露在大气中，致使风化、冲刷严重。

分析公路路基边坡防护技术

4.1混凝土挡墙：在高边坡加固中，混凝土挡墙是一种比较常见的施工方式，这种方法能够很好的改善滑坡体的受力失衡问题，进而使得滑坡体变形得到很好的控制。通常这种施工方式具有结构简单易于操作且迅速起到相应的稳定高边坡结构的优点。在进行混凝土当强的设计时，应该充分考虑滑面的形状以及位置，从而选择适合的挡墙基础砌筑深度，此外，挡墙后面应该设计必要的泄水孔，从而有效地减少静水压力以及水的浸泡腐蚀。如图1

4.2锚固洞：在加固高边坡时，锚固洞加固技术是一种较为常见而且有效的方法，在施工时应该按照由内而外、自上而下、逐层加固的方式进行。处于同一结构面的锚固洞应该采取跳洞开挖的施工方式，从而降低由于抗滑力的减少而影响高边坡的稳定性。此外，锚固洞自身具备一定的倾斜度，从而有效地避免了混凝土与洞壁之间结合不实的现象。

4.3植物防护措施：植物防护以成活的植物作为路基防护的材料，通过植物的叶、茎和根系与被保护土体的共同作用，在拟保护的路基部位，形成有生命的保护层；是一种积极、有生命的防护措施。采用铺草皮、种草形式，利用植被对边坡的覆盖作用、植物根系对边坡的加固作用，保护路基边坡免受降水和地表径流的冲刷。植物防护应根据当地土质、含水量等因素，选用易于成活、便于养护、经济的植物类种。植物覆盖对地表径流和水土冲刷有极大减缓作用。植物根系能与土层密切结合，盘根错节，使地表层土壤形成不同深度牢固的稳定层，从而有效地稳定土层，阻挡冲刷和坍塌。

4.3.1铺草皮：草皮要选根系发达、茎矮叶茂、生长繁殖迅速、易成活、便于种植的草皮；干枯腐朽及喜水的草皮不宜使用，严禁用泥沼地区的草皮。如边坡土不宜草皮生长，应先铺一层厚10~20cm的黏性土，当边坡坡度陡于1:2时，铺黏土前应将边坡先挖成台阶或沟槽。

铺草皮可与其他防护措施结合使用。如片（卵）石方格草皮，由片石在边坡上形成骨架，中间铺草皮，可防止边坡表面滑塌、草皮脱落。草皮还可以铺于窗孔式护面墙、框格防护等开孔或格内，形成综合防护。如图2

图1 图2

4.3.2植树：植树防护的边坡应较缓，最好是1：1.5或是更缓的边坡。种树宜选用与沈阳当地土壤、气候条件相适应、根系发达、枝叶茂密、生长速度快的品种。对常浸水的农村公路，应选用喜水、耐水的乔木和灌木，适合沈阳地区优先选用杨树、柳树、紫穗槐；路堑路面及路肩边缘外0.8~1.0m范围内的路堤边坡上下不一般种植乔木。

植树防护可与种草、栽花等防护措施综合应用，以获得更好的防护效果。

4.3.3种草：选用的草籽必须适应沈阳地区的土壤和气候条件。通常应选择生长快、根系发达、叶茎低矮、枝叶茂密或有葡萄茎的多年生草种(三叶草、抓哏草)。当边坡土质不宜草类生长时，可以在坡面培腐植土促进草类生长。同时在路肩上也可以栽植部分花卉，对路面起到美化的作用。

4.4 地下排水

4.4.1大孔径排水管（沟）：该种情况多用于泉眼式渗水，在多雨地区，部分泉眼雨季水量较大，采用倾斜式排水孔很难及时排出水流，往往造成边坡明显的冲刷。这种情况下采用加大孔径的混凝土排水管（沟）具有较为明显效果。

4.4.2支撑式渗沟：支撑式深沟主要设计在路基边坡体裂缝水发育明显，且出现多个渗出点，往以带状、面状发育的坡面，由于其水丰富、分布分散，通过设置“Y”型支撑式渗沟，可有效收集边坡一定范围的渗水，并及时排出，对保证边坡稳定、保持边坡体强度具有一定作用，从而保证边坡稳定。

4.4.3倾斜式排水管：在多雨地区，往往边坡水在一定的深度内大范围分布，若不及时排水，长期储存在路基边坡体内，影响边坡体的岩土强度，不利于边坡稳定，该情况下，可通过设置深层的带孔排水管，必要式可采用上下交错布设，可有克服支撑渗沟深度不足的缺点，将深层水排水。

4.4.4渗沟：渗沟对排水路基边坡下渗水、裂缝水具有显著效果，也可降低路基两侧的地下水位。

结束语

对于公路路基的边坡，一定要采取有效的处理措施，不断采用先进技术和机械设备，预防边坡的出现，加强对边坡稳定性的定量定性分析，强化对边坡的预防治理工作，已经是整个公路建设施工，养护中的重要环节，在整个交通网络建设中已得到了更多的关注。提高边坡的防护水平，既保证了整个公路建设的质量，也促进了我国公路建设健康快速的发展。

参考文献：

刘克伟.水利水电工程高边坡的治理与加固探讨「J，中国房地产业，2011（03）

雷蕾，谢新生，竹寿水库泄洪隧洞进口高边坡加固方案研究「J，陕西水利，2011（06）

张东晗，利用锚喷防护技术治理平铁公路路基边坡病害「期刊论文《交通世界》―2011年6期

高边坡设计论文范文第4篇

[关键词] 边坡工程，影响因素，分析方法，加固边坡

[中图分类号] U418.5 [文献标识码] A

我国的高速公路发展迅速，交通、水利、矿山等相关部门都会涉及很多边坡问题，特别是山区的边坡，由于各种地质环境的影响，处于山区地段的边坡稳定性直接影响着山区老百姓的人身安全，滑坡灾害严重危及到国家基础建设，所以对边坡的稳定性研究十分必要。

在各种外在环境作用下，不同岩质边坡在发生变形破坏时其变形破坏机理和破坏模式各异，当进行工程建设时，如果对于填料的工程特性、工程边坡的变形规律及施工工艺、现场堆载等认识不足，极易导致发生滑坡等事故。

1 边坡的破坏类型及影响因素

边坡分为人工边坡和自然边坡。由于受设计和施工以及其他因素的影响，边坡土体会出现失稳破坏现象，具体可分为：

1.1 边坡崩塌。崩塌往往发生在地形陡峭的山坡或高陡的路堑边坡上。

1.2 边坡滑坡。滑坡一般是缓慢地、长期地往下滑动，位移速度在突变阶段显著增大，滑动过程可以是几年、几十年甚至更长。

1.3 边坡流动。流动往往缓慢地沿坡面或地面沟谷方向呈流体移动。

边坡的稳定性受很多因素的影响，根据各种因素影响的大小和特点，可分为内部因素和外部因素两类：内部因素――边坡土体的材料构成和物理力学指标，以及边坡的地形地貌和岩石的矿物组成，边坡岩土体中的地质结构面和边坡的形状等。外部因素――边坡外在所受的雨水、地震、构造应力、植被和风化作用的影响和人为因素等。

2 边坡的稳定性分析方法

2.1 极限平衡分析法。极限平衡分析法主要是对边坡稳定性进行定量评价，不考虑土体自身的变形，只对滑动面上的受力情况进行研究分析，对于滑坡体内部的应力状态不进行研究。目前常用的极限平衡分析法有：瑞典法、毕肖普法和简布法等。

2.2 数值分析法。数值模拟方法在稳定性评价得到了广泛应用，这种方法可以求解黏弹性、黏塑性等问题，且计算较快速，准确性较高。

随着数值分析方法的不断发展，采用离散单元法就能反映接触面的滑移、倾翻等大位移，且能计算土体的内部变形与应力分布情况，而且这种方法应该范围很广，任何岩体都适合。

2.3 极限分析法。该法建立在土体材料为理想刚塑性体、微小变形及材料遵守相关联流动法则的3个基本假定上，利用连续介质中的虚功原理可证明两个极限分析定理即下限定理和上限定理。

3 有限元强度折减法边坡稳定性分析

用有限元强度折减法进行稳定性分析是指将材料的强度参数除以一个折减系数，然后将新的参数作为材料参数进行计算，通过不断增大或减小折减系数来反复计算其稳定性，当计算收敛时则坡体发生失稳破坏，与此同时此折减系数就是稳定性安全系数，分析方程为：

c =c/F（1）

tanφ =tanφ/F （2）

式中：c，φ为材料的强度参数；c ，φ 为新的强度参数；F为折减系数。

在本质上强度折减法与传统的计算方法是一致的，坡体进入塑性临界状态。如下图，在参数折减前土体的实际强度包线与摩尔应力圆相离，坡体不会发生剪切破坏。当调大折减系数后，强度包线逐渐向摩尔应力圆靠拢，增大系数到强度包线将与摩尔应力圆相切，此时相应的折减系数为边坡的安全系数。因此，通过不断的折减强度参数，分析边坡从稳定到破坏的演变过程，这样便可找出边坡的薄弱部位，为边坡加固提供了依据。

4 边坡的监测防护问题

4.1 边坡受雨水入浸后，安全系数小于1，已处于不稳定状态，为确保边坡的安全稳定，必须采取有效的治理措施；受雨水浸泡的边坡坡脚，土体黏聚力急剧下降，土体失稳，易形成崩塌体；边坡坡角失稳后，引起其上部土体的沉降。边坡受影响程度不同沉降量也不同，受浸泡边坡上部的沉降量最大，向另一侧逐渐减小；边坡最大不均匀沉降发生在受雨水浸泡的中间区域，此处将受拉伸而产生裂缝。

4.2 边坡的稳定性与变形问题是一个复杂的工程问题，单纯的理论不能满足计算分析与评价的要求，应该采用计算理论结合现场观测数据的综合评价方法，清楚认识边坡填筑体的变形破坏过程、稳定程度和破坏发展情况。

5 总结

本文在对边坡进行稳定性分析和讨论的基础上，介绍了边坡的破坏形式和影响因素，概述了边坡的稳定性分析方法、分析了降雨对边坡稳定性的影响，最后对边坡的防护加固问题进行了探讨。

参考文献

[1]谢磊.边坡稳定性分析若干问题的研究[D].合肥工业大学硕士学位论文，2009.

[2]李广信.高等土力学[M].清华大学出版社，2004.

高边坡设计论文范文第5篇

关键词隧道洞口;边坡稳定性;研究进展

中图分类号TU19文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)041-0070-01

随着我国社会和经济的发展,越来越多的公路工程修建于黄土地区。由于工程地质条件、水文地质条件及人为等因素影响,隧道施工过程中易出现各种各样的地质灾害,其中隧道洞口边坡失稳便是隧道施工中常见的地质灾害之一。由于隧道洞口的安全关系到隧道能否顺利进洞并进行安全施工,是隧道施工中的重中之重,因此,隧道洞口的边仰坡安全一直来都受到了隧道工程师们的极大关注,并采用了各种方法对隧道洞口的边仰坡进行安全评价,并作出合理的设计与施工方案。由于修筑在黄土地区的隧道有其特殊性,不象岩石那样具有较好的完整性,且易受地表水或地下水的影响,因此,洞口的坡体在隧道施工中易出现失稳等地质灾害问题,一旦发生,轻则使工期延长,造成经济上的损失,重则造成人身安全等事故。因此,在施工过程中,对洞口的仰坡和边坡,特别是高陡坡体进行专门的稳定性分析、评价、预报等具有重要的意义。这些工作有利于业主及施工单位及时采取相应措施进行处理,并对处理效果进行检验,从而保证隧道的施工安全和运营安全。

1国内外研究现状

世界各国都很重视对隧道洞口段边坡稳定性的研究,各国规范中都有针对隧道洞口段设计、施工的专项条文,对边坡稳定的分析已有比较成熟的理论和方法。概括起来,可分为定量的理论计算方法和定性的分析评价方法两大类。

早在十九世纪中叶,西方国家就开始了对边坡稳定性的研究,形成了极限平衡理论体系。随着现代数学、岩体力学、土力学等的发展,边坡稳定性的理论计算方法也进一步完善。张悼元、王士天等对斜边坡稳定性分析的理论计算方法进行了汇总,认为主要包括刚度极限平衡计算法、弹塑性理论计算法、破坏概率计算法、变形破坏判据计算法等五大类定量的方法。近年来,随着计算机技术的发展及相关软件的开发,有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)等数值计算分析方法得到了进一步的改进和完善,分析评价的结果也更加切合工程实践。

定性分析法是一种以稳定性地质判别标志为基础的地质分析法,工程地质类比法,又称地质比拟法就是其中最常用到的定性分析方法。它在对天然边坡的稳定性及以建工程边坡的稳定性进行统计研究的基础上,与待建工程边坡的各种条件进行对比,从而确定其稳定性的方法。其主要内容有自然成因历史分析法、因素类比法、类型比较法等。

1.1隧道洞口段边坡稳定性研究

隧道洞口段一般处于受地表水侵蚀严重、风化裂隙发育的斜坡面上,加上在洞口段隧道埋深往往较浅,结构上部岩土体难以形成承载拱,所以洞口仰坡地表坡面容易受拉开裂、经地表水侵入,其稳定性就很难得到保证。隧道洞口段经常是引起坍塌、构筑物开裂破坏的地段之一。因此,洞口段边坡的稳定性是隧道设计和施工时必须认真对待的问题。

隧道洞口段边坡稳定性的研究方法主要还是沿用工程地质中边坡稳定的研究方法。长期以来,在隧道设计和施工中多采用极限平衡理论计算分析洞门边坡的稳定性。如《日本土木工程手册?隧道》(1974)规定:覆盖土浅时用库仑土压公式;深则用科默累尔(kommerell)公式。我国铁路隧道自上世纪50年代开始编制标准设计起,就将洞门结构视作挡土结构,采用条分法设计。如《铁路隧道设计规范》(2001)规定洞门可视作挡土墙,检算强度、稳定性及基底应力。

20世纪70年代以来,随着计算机技术的发展及应用,数值模拟法越来越多的应用于隧道结构设计,尤其是在断面较大、地质条件复杂的情况下。邹启新等(2001),林正伟等(2003)隧道洞口边坡进行了二维有限元分析,得出了边坡变形和应力的变化规律,对加固效果进行了评价;沈春勇等(2001)对江西拓林水电站进水口边坡建立了三维有限元模型,将计算结果与现场监测的变形量对比,数值基本一致;朱合华等(2005),陈敏林等(2002)应用有限元软件法对洞口段隧道施工进行全过程三维弹塑性有限元模拟,分析了施工对隧道围岩变形的影响和施工中洞口边坡的稳定情况。从目前的发展趋势来看,三维模型、非线形并考虑动态施工工艺、地震荷载等的数值模拟法将是今后用于隧道洞口边坡稳定性研究的主要手段。

目前,对于隧道洞口段边坡的稳定性研究己有了很多方法和成果,但针对于黄土边坡,最合理的洞门位置及其对洞口边坡稳定的影响程度大小的研究还很不够充分,这是亟须解决的关键性问题之一。

1.2地震条件下边坡稳定性研究

地震荷载是一种典型的动荷载,其性状和静荷载有较大不同,因此其研究方法和静荷载的研究方法有较大不同,从工程应用的角度,可以通过一定的近似关系将地震荷载视为动荷载,这就是拟静力法。

自Terzaghi首次将拟静力法应用于边坡地震稳定性分析中以来,拟静力法因应用简便而得到大量应用,至今仍备受工程技术人员的青睐。拟静力法实质上是将地震动的作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度作用,并施加在潜在不稳定的滑体重心上,加速度的作用方向取为最不利于边坡稳定的方向,将所产生的地震动作用作为水平和竖直方向的拟静荷载因子,其大小通常用地震系数 和 来表示,数值上等于水平或竖直加速度与重力加速度之比。将地震所产生的惯性力作为静力作用在边坡潜在不稳定滑体上,根据极限平衡理论,便可求出边坡的抗震安全系数。这个分析实质上与静力稳定性分析完全相同,所采用的方法是由静力稳定分析方法拓展而来的,只是添加了一个反映地震作用的地震系数,因而十分简便。抗滑安全系数与边坡抗剪强度指标(c、Φ)及密度、最危险滑动面的形状及位置、地下水位和地震系数等密切相关。在拟静力分析时,边坡抗剪强度指标可通过现场或试验室相应试验测定,亦可结合试验反算而定;而破坏面形状和位置常根据边坡地质条件用经验、工程类比等方法来确定,亦可用优化算法来确定。

自20世纪60年代有限元法用于土坝地震反应分析以来,特别是20世纪90年代中后期,伴随着计算机技术和计算力学的高速发展,有限元法及其它数值模拟法在边坡地震稳定性分析中获得了深入的研究和广泛的应用。目前,对边坡地震稳定性分析常采用的数值方法有有限元法、离散元法和快速拉格朗日元法;对于边坡的稳定性评价所采用的判定指标有安全系数和永久位移两种,从查阅的国内外文献来看,国内以安全系数为主,国外以永久位移为主。下面以边坡地震稳定性评价指标来分别论述:

就安全系数而言,结合极限平衡原理,国内取得了一些有价值的研究成果。钱胜国等选择三峡三号船闸作为研究对象,用反应谱法对开挖完工期间尚未浇筑混凝土时的闸首及闸室断面进行了二维有限元动力计算分析,提出了三号船闸高边坡在七度地震作用下的应力分布、变位、动力放大系数沿高程分布以及局部区域二维动力稳定安全系数。张建海等提出了采用刚体弹簧元计算边坡、坝基、坝肩等结构物在地震波作用下的动力安全系数,该方法给出的安全系数是随地震波的作用而发生波动,从而更深刻地反映了动力现象本质,并将该方法应用于工程实际。薄景山等将土边坡动应力作用下的应力状态概化为自重应力和附加动应力的叠加,采用时域集中质量的显式波动有限元法,结合多次透射公式,来分析地震过程中的动位移场、动应力场及稳定性系数的波动时程。刘汉龙等考虑到在地震过程中,边坡的稳定安全系数最小值出现在某一瞬间,用这个值评价边坡在地震荷载作用下的抗滑稳定性不太合适,提出了用最小安全平均安全系数作为评价指标,并给出了相应的计算方法,即利用安全系数最大振幅的0.65倍作为平均振幅来反映安全系数随地震波动变化的过程。陈玲玲等建立了评价岩质陡高边坡的稳定性计算公式,用反应谱法和时程分析法进行了计算,获得了动态特性、地震动力响应,并给出了可能滑裂面的抗剪强度储备比值,其结果可用于评价其稳定性。

全面比较各支护方式下高边坡的地震稳定性、提出提高边坡地震稳定性的措施是亟须解决的问题。

2问题与展望

以往对边坡稳定性的研究主要集中在各种岩石上,如风化岩等,针对黄土地区隧道洞口边坡稳定的研究甚少;以往对边坡的研究主要是集中在稳定性分析上,从边坡失稳机制分析、稳定性评价、施工关键技术等系统、综合考虑洞口边坡的稳定性研究成果较少。应具有针对性地研究黄土地区隧道洞口的边坡稳定性,并系统地通过现场实体工程,采用室内外试验和数值仿真相结合的方法,系统研究洞口段边坡失稳机制分析、评价其稳定性,并提出相应的施工关键技术,为工程实践提供理论依据。

以后研究的重点方向和总体思路可概括为以下几点:

1)在对黄土地区公路边坡稳定性研究现状调研的基础上,结合工程实体,通过传感技术(在工程实体埋设应力、应变传感器),辅以数值方法,采用定性与定量分析相结合的方法。

2)对黄土地区公路边坡,特别是隧道洞口边坡失稳机制和稳定性进行认真分析和评价后,

3)提出黄土地区隧道洞门位置的选择原则和洞口施工工艺的控制措施,为提高施工安全性和降低工程造价提供理论依据。

4)通过编制可操作性强的施工指南,为黄土地区公路设计和施工提供理论依据和参考。

参考文献