边坡加固的优化设计研究
文章编号 :100926825 (2007) 3520133202
边坡加固的优化设计研究
收稿日期 :2007207209
作者简介 :钱小强(19792 ) ,男 ,助理工程师 ,江苏恒基路桥有限公司 ,江苏 常州 213000
邓 军(19782 ) ,男 ,助教 ,重庆工程职业技术学院资勘系 ,重庆 400037
钱小强 邓 军
摘 要 :阐述了各种边坡加固技术的设计原理与使用条件 ,归纳总结了边坡加固方案的选择方法 ,同时结合实际工程 ,运
用上述理论和方法对边坡加固进行了优化设计 ,力争做到使用上安全可靠、施工技术上简便可行、经济上合理。
关键词 :公路边坡 ,加固 ,方案比选 ,优化设计
中图分类号 : TU413. 62 文献标识码 :A
边坡设计的好坏 ,在很大程度上取决于设计方案的优劣。在
场地工程地质、水文地质、环境条件保证稳定的前提下 ,设计最经
济合理的方案 ,即边坡的优化设计方案 ,就能做到安全可靠 ,施工
顺利 ,缩短工期 ,带来可观的经济效益与社会效益。
1 加固方案设计的原则、方法
1. 1 加固方案设计的原则
1. 1. 1 边坡工程中的极限状态设计原则
边坡设计要解决的根本问题是在边坡的稳定与经济之间选
择一种合理的平衡 ,力求以最经济的途径使服务于工程建筑物的
边坡满足稳定性和可靠性的要求。边坡工程的可靠性是指边坡
及其支护结构在规定的时间内、在规定的条件下 ,保持自身整体
稳定的能力 ,它是边坡完全性、适用性和耐久性的总称。
在边坡工程设计中采用的极限状态设计法 (其基准期以主题
建筑物的设计基准期为准) ,一般采用承载能力极限状态和正常
使用极限状态两种极限状态。承载能力极限状态是指支挡结构
强度破坏、锚固系统失效、边坡失稳 ;正常使用极限状态是指支护
结构和边坡变形量危及邻近建 (构) 筑物正常使用、耐久性能不能
满足结构设计年限要求等。
1. 1. 2 边坡设计中的荷载效应原则
各种荷载效应组合应根据有关国家现行规定 ,按照最不利原
则进行。边坡工程设计中采用的荷载应按照最不利原则进行组
合。通常在下列情况下的荷载效应组合应采用承载能力极限状
态基本组合。1) 计算边坡与支挡结构的稳定性及滑坡推力时 ,其
荷载分项系数应取 1. 0。2) 在确定锚杆、支护结构立柱、挡板、挡
地墙截面尺寸、内力与配筋及相应的基底反力时 ,用相应的荷载
分项系数。在计算锚杆变形和支护结构水平位移与垂直位移时 ,
荷载效应组合应为正常使用极限状态永久组合 ,但不计入风荷载
和地震荷载作用。
1. 2 边坡处治设计的方法
在一般情况下 ,传统的边坡工程的支护方案设计是有经验的
工程师根据边坡工程地质条件、水文地质条件及环境条件 ,经过
稳定验算后 ,结合工程师实际的工程“经验”,综合实际的其他因
素 ,多方比较而确定的。理想的方案设计方法是将各种工程条件
进行处理后 ,依次按各个方案进行优化设计。然后 ,根据其满足
设计的要求优化设计 ,进行工程概算比较 ,选出最优方案。
边坡工程处治设计是在地质勘察分析资料的基础上 ,通过对
边坡的稳定性进行分析计算后 ,给出控制不稳定边坡的具体方案
和措施的技术工作。
2 各类边坡的加固处治方案选择
2. 1 第一类边坡
该类边坡的破坏表现为滑坡堆积体的弧形转动破坏 ,其变形
破坏往往需要一个相对较长的过程 ,并在雨季边坡堆积体有可能
渗水饱和 ,处治这类边坡时必须考虑这一因素。该类边坡加固处
治方法 ,除对一些明显的小体积坡积层滑坡进行适当的削坡减载
外 ,其主要的加固方法应是直接加固法或特殊加固法以及二者的
综合应用 ,在充分分析边坡地质条件和工程实际情况的前提下 ,
对于该类边坡最可能的加固处治方案有三种 :抗滑桩方案 ;抗滑
桩与锚杆、锚索相结合的方案 ;锚杆、锚索与注浆相结合的方案。
2. 2 第二类边坡
该类边坡的地质条件比第一类好 ,边坡岩体为层状构造 ,由
于部分边坡原有堆积体在公路或铁路修筑过程中已被清除 ,滑床
多被暴露出来 ,滑床以下的岩体稳定性良好。由于地下水位低且
岩体的节理裂隙已相互贯通 ,边坡内部排水实际意义不大 ,仅须
做好坡面排水防水工作即可。此外 ,边坡顶少量覆盖土层和强风
化层具有局部削坡减载条件外 ,其他部位进行较大规模的削坡减
载不太现实。因此 ,该类边坡加固处治方法应是直接加固法。在
分析边坡的地质条件和工程实际情况下 ,通过计算分析 ,对于不
稳定的边坡较现实的处治方案有两种 :预应力锚索配合坡面防护
The application of finite element method
in studying the height under ultimate load of soil2nail support
CHEN Xiao2hui ZHANG Wen2long SHUI Wei2hou
Abstract :This paper studies the height under ultimate load of soil2nail support using finite element method , solves the height with the concept
of ultimate bearing capacity of foundation , studies the factors influenced the height from elastic modulus of composite soil , cohesion , internal
friction angle and the length of soil2nail , and compares the theoretical solution under the condition of homogeneous soil and that in soil plasticity
theory , which are tallies with each other.
Key words :finite element , soil2nail support , height under ultimate load , influential factor
·331· 第 33 卷 第 35 期
2 0 0 7 年 1 2 月 山 西 建 筑
SHANXI ARCHITECTURE
Vol. 33 No. 35
Dec. 2007
加局部重力式支挡结构方案 ;锚杆、锚索相结合配合坡面防护加
局部重力式支挡方案。
2. 3 第三类边坡
该类边坡为切层 (或反向) 岩质边坡 ,这类边坡的变形破坏模
式与岩性密切相关。岩质坚硬的切层 (或反向) 边坡常产生崩塌
或危岩变形体。岩质软弱的切层 (或反向) 边坡在不利结构面组
合情况下 ,发生蠕滑拉裂型滑坡。由于该类滑坡的特点在于规模
小 ,采用削方较为经济 ,但对于路面已经形成或已投入使用的路
段 ,削方将不可避免地会影响交通和破坏路面 ,故不宜采用。根
据边坡的工程条件 ,对该类边坡采用两种方案处治 ;锚杆、预应力
锚索加坡面防护方案 ;锚杆、挂网喷浆相结合方案。
对危岩变形体可以采用预应力锚索或锚杆进行支挡 ,并结合
挂网喷浆进行封闭。具体工程措施为采用网格锚杆(索) 结合浆砌
片石护坡和挂网喷浆两种。网格锚杆(索) 结合浆砌片石护坡的单
位面积工程造价比挂网喷浆低 ,而且进行处治后坡面美观大方。
但在边坡坡面严重凹凸不平地段 ,采用网格锚杆 (索) 结合浆
砌片石护坡法形成连续网格 ,浆砌片石的砌筑量增加导致造价上
升和网格施工难度加大 ,因此设计根据实际的边坡坡面形状尽量
采用网格锚杆(索) 结合浆砌片石护坡 ,部分地段采用挂网网格施
工难度加大。
因此 ,设计根据实际的边坡坡面形状尽量采用网格锚杆 (索)
结合浆砌片石护坡 ,部分地段采用挂网喷浆进行边坡防护。
3 实例分析
3. 1 设计范围
实例取自某高速公路边坡工程 ,设计里程为 K56 + 335～ K56
+ 425 段。
3. 2 工程地质条件及水文条件
K56 + 335～ K56 + 425 段路线位于构造侵蚀的低山斜坡地
带 ,坡面平缓 ,浅切割 ,横向沟谷不发育 ,上部覆盖层为第四纪崩
积灰黑、褐黄、黑色块石土 ,中密 ,潮湿 ,厚度 5 m～15 m ,块石土容
许承载力 350 kPa～450 kPa。下伏为三叠纪灰、深灰色泥质粉砂
岩 ,弱风化 ,呈碎块状 ,容许承载力 500 kPa～700 kPa。地下水以
孔隙水为主 ,两端为裂隙水 ,富水性为弱～中等。
该段自然边坡因开挖高度较大 ,拟按岩石风化程度及坡高采
取相应的措施 ,采用台阶式边坡 ,边坡坡率与强风化地层坡率之
比为 1∶0. 5 ,顶级坡坡率为 1∶0. 75。每级台阶高 12. 0 m ,刷至自
然山坡坡顶 ,每级边坡顶预留 2. 0 m 平台 ,在有条件的高陡边坡
可将中部平台加宽至 4. 0 m 左右 ,平台上设截水沟。文中取 K56
+ 380 处的边坡横断面为算例 ,进行加固设计方案设计。
3. 3 方案比选
1) 方案 1 :坡率法 + 植被护坡。在边坡设计中 ,如果通过控制
边坡的高度和坡度而无需对边坡进行整体加固就能使边坡达到
自身稳定的边坡设计方法 ,通常称之为坡率法。坡率法是一种比
较经济、施工方便的人工边坡处理方法。方案 1 采用四级放坡 ,
各级坡坡率均为 1∶1 ,一级坡高为 15 m ,二级 ,三级 ,四级坡高都为
12 m。建模计算得到该开挖边坡的最小安全系数为 1. 431 (Bishop
法) ,满足《公路路基设计规范》中的 K ≥1. 25 的要求。此时不必对
边坡进行整体加固 ,可用高羊茅、弯叶画眉草、坡柳等植物对坡面
进行植被防护。该方案虽然省去了边坡整体加固费用 ,但是 1∶1
的坡率将使路段右侧边坡土体开挖量增加 2. 2 ×104 m3 ,开挖的土
体体积如此巨大 ,无论置之何处 ,都将造成新的环境破坏。此外工
程所在区域属中亚热带气候 ,雨量较为充足 ,一旦雨季来临 ,雨水
下渗 ,边坡必然存在巨大的安全隐患 ,故此方案不宜采用。
2) 方案 2 :抗滑桩 + 土钉 + 挂网喷射混凝土。该方案采用了
两排抗滑桩 ,一排设在坡脚处 ,一排设在一级 ,二级坡之间 ;一级
坡坡面采用挂网喷射混凝土 ;二级 ,三级坡采用土钉支护 ,从理论
上看 ,这个方案是可行的 ,但有几个问题值得商榷 :a. 传统边坡设
计中 ,处理措施主要沿点线布置 ,如抗滑桩和抗滑挡土墙 ,一般说
是有效的 ,但是使用几年之后 ,常出现加固结构产生位移甚至被
推倒的事例 ,由此产生的危害比较大。其原因是这种被动支挡结
构侧向压力会由于岩土体蠕变和水文地质条件的改变而增加 ,发
展到一定程度后 ,往往由于某种激发因素而使结构破坏。b. 岩质
边坡坡高大于 30 m ,土质边坡坡高大于 15 m 则称为超高边坡 ;本
工程边坡开挖高度为 36. 2 m ,可判断为超高边坡。抗滑桩要发挥
其抗滑作用 ,其锚固段必须埋入稳定的岩层中 ,加之开挖边坡较
陡 ,因此抗滑桩的桩长较大。从经济的角度来看 ,抗滑桩的造价
较高 ,若采用锚索与抗滑桩联合形成的“锚索抗滑桩”可比普通抗
滑桩节约投资近 40 % ,若用锚索单独稳定滑坡又可比锚索抗滑桩
节约投资 15 %以上。c. 边坡治理的方式分为两类 :即预防性处理
和补救性处理 ,前者适用于潜在不稳定边坡 ,后者适用于正在变
形破坏的边坡和已破坏的边坡。本工程开挖边坡应属于潜在不
稳定边坡。抗滑桩在滑坡治理 (补救性处理) 中应用更为广泛 ,在
潜在不稳定边坡的预防性处理中应用较少。d. 由于环保问题日
益受到大众重视 ,以喷射混凝土为面层的锚喷网结构的使用逐渐
减少 ,尤其在多雨地区 ,实践表明 ,其外观与使用年限等在高边坡
工程中已不太适用。综上所述 ,方案 2 并不是最理想的方案。
3) 方案 3 :预应力锚索 (杆) 。由于岩土锚固工程技术的新发
展 ,近年来用此技术在大量边坡加固和整治工程中很大程度上取
代了传统的浆砌片石式挡墙或重力式挡墙结构。对于挡土墙与
锚固桩等传统支护工程 ,已无法适应路堑高边坡防护的要求 ,而
锚固结构因受场地条件限制小、施作灵活、主动施力等特点 ,尤其
适用于高陡边坡上多级布置与分层施工的情况。故该开挖边坡
采用方案 3 进行加固。
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地质学报 ,2000 ,20(4) :2812285.
Study on optimum design of slope reinforcement
QIAN Xiao2qiang DENG Jun
Abstract :This paper expatiates the design principle and apply condition of all kinds of slope retaining technology ,summarizes the methods how
to select slope reinforcement project , in combination with a practical slope engineering ,using the upper theory and methods to carry out the op2
timum design for reinforcement project for a practical slope ,and try to make this engineering safe ,feasible and economical.
Key words :highway slope ,reinforcement ,project selection ,optimum design
·431· 第 33 卷 第 35 期
2 0 0 7 年 1 2 月 山 西 建 筑
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