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.docx

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+200~K137+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： (1) 图1 不同计算方法的对比结果 （2）总结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，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)。 (2) 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