公路边坡支护方案优化设计

交通运输工程学报

Journal of T raffic and T ransportation Eng ineering

V ol.2　No.1Mar.2002

收稿日期:2001-11-07

作者简介:冯光乐(1976-),男,湖北红安人,同济大学博士生,从事路基路面研究工作.

文章编号:1671-1637(2002)01-0043-05

公路边坡支护方案优化设计

冯光乐1,凌天清2,许志鸿1

(1.同济大学道路与交通工程系,上海　200092; 2.重庆交通学院道路工程系,重庆　400074)

摘　要:根据重要性系数提出了安全度的概念,初步探讨了工程与环境条件的相互作用关系,较为详细地讨论了根据场地工程地质、水文地质、环境条件进行边坡支护方案优化设计的方法,并系统地介绍了修正的RM R 法。

关键词:公路;边坡;优化;安全度

中图分类号:U416.14　　　文献标识码:A

Optimizing design method of highway slope

FEN G Guang -le 1,L I N G T ian -qing 2,X U Zhi -hong

1

(1.Depar tment of R oad and T raffic Eng ineering ,T ong ji U niver sity ,Shanghai 200092,China ;2.Department o f Ro ad Eng ineering ,Chong qing Jiaot ong U niver sity ,Chongqing 400074,China)

Abstract :According to slope's essentiality coefficient,this paper puts for ward the concept o f safe degr ee ,discusses the relation o f engineering and its environment ,and probes into the o ptimizing desig n method o f highw ay w ith its geolog ical,hydrolog ical and environmental message.T he paper intro duces the m odified ro ck m ass rating method by the numbers.Key words :highw ay ;slope ;o ptimizing ;safe deg ree

Author resume :FENG Guang -le (1976-),male ,a doctoral student o f T ongji University ,engaged in research of road and pavement engineering.　　公路边坡设计的好坏,在很大程度上取决于设计方案的优劣。根据场地工程地质、水文地质、环境条件、保证稳定性的前提下,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,带来可观的经济与社会效益。

1　方案设计的原则、方法及步骤

根据场地工程地质、水文地质及周边环境条件,确定安全经济的支护方案,应满足其抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、抗变形稳定性等要求,并起到稳定路基、美化环境的作用。

1.1　方案设计的一般原则1.1.1　安全性原则

所谓安全性原则,是设计的边坡应满足其抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、抗变形稳定性以及抗风化剥

蚀能力等要求,这是边坡支护设计的首要基本要求。方案设计时要达到这一要求,主要是通过其安全系数或安全级别来描述。

对安全系数大于或等于1.0的边坡,从理论上讲,其抗滑力(或抗滑力矩)大于或等于下滑力(或下滑力矩),边坡是趋于稳定的,故在支护方案设计时只考虑其应用的安全度;对于安全系数小于1.0的边坡,其抗滑力(或抗滑力矩)小于下滑力(或下滑力矩),在边坡支护方案设计时,则应考虑利用支护力(或支护力矩)来平衡下滑力(或下滑力矩)。1.1.2　经济性原则

显然,作为一个好的设计方案,必须是在保证安全性的前提下,具有最好的经济性。

1.1.3　工程环境许可性原则

边坡工程条件指的是边坡工程的地质条件、水

文条件及周边环境条件等。工程条件的许可,这里包括两层含义:一层是环境条件不会对工程安全造成不利影响;另一层含义是工程不会对环境造成不利的影响。

环境对工程的不利影响主要体现在特定环境的某些条件对于特定的支护方法不利,例如地下水发育严重侵蚀边坡且不易排除时,软塑—流状土及新填土不宜采用永久性锚钉边坡,工程对环境的影响主要体现在: 工程事故对环境的影响程度,如工程变形对周边环境造成的影响,在城区其影响大,在偏远地区其影响小; 工程在环境景观中所起的作用。

方案设计的关键问题,是判别工程支护与环境条件的相互关系问题。1.2　方案设计的方法及步骤

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。这种方案看似合理,实际上由于其所需的参数多,各方案均需计算,计算量大,太复杂,而且其计算处理的合理性也难以保证。

为了将方案设计简化,也便于计算机处理与工程师经验相结合,通过交互式方式选择最优方案。本文试图将工程师方案设计的“经验”具体化,首先是将边坡工程地质条件、水文地质条件及环境条件通过其无支护安全系数、边坡高度、边坡安全等级、岩土性质等力学参数来进行描述,并以此作为进行综合选型的依据,选择可行方案,然后根据环境条件与工程支护条件相互作用反馈的关系进行选择;最后,将可行的几种方案具体的优化设计进行经济比较,得出经济性最好的安全边坡。其具体步骤可见图1。1.3　安全等级的评价方法

本文中的边坡安全等级是通过边坡重要性系数和安全度来描述的,下面分述其含义。1.3.1　边坡重要性系数

边坡工程按其损坏后造成破坏后果(危及入的生命,造成边坡和周边环境的经济损失,以及损坏后的社会不良影响)的严重性、边坡岩体类型及其稳定性以及坡高等综合因素分为三个安全等级和相应重

要性系数。设计时根据工程具体情况按表1确定。

图1　边坡优化设计步骤Fig .1　S lope optimizing design step

1.3.2　安全度的含义

为了便于在方案设计时综合考虑边坡重要性系数,本文定义了一个安全度A 的概念。对于可计算稳定性的边坡

A =K / 0(1)式中:K 为安全系数; 0为重要性系数。

对于不可计算稳定性的边坡,取SMR =S MR / 0。

对于可计算稳定性的边坡,可根据其安全度和高度来确定其安全方案的经济性顺序;对于不可计算稳定性的边坡(这里指的是岩质边坡),则可直接采用其安全度来确定推荐设计方案。

2　边坡方案优选

前面已经述及,文中的方案优选是从稳定的角度,结合其经济性原则,并以经验的方案设计为基础,利用工程类比法,通过坡高H 和安全度A 两个变量来确定推荐方案,方案按先后顺序来判断其优先级别(如方案1优于方案2,方案2优于方案3)。路堑边坡按岩土性质可分为土质边坡和岩质边坡。为了便于编程,作者进行了具体划分(见表2)。对于石质边坡,可用其S MR 分值来进行选择。采用SMR 值来确定其合理的推荐方案,是Roman 及其同行经过多年研究,参考了大量的工程实践提出的。本文在Ro man 的基础上,根据公路边坡的特

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岩体结构

类型坡高/m破坏后果

边坡安全

等级

重要性

系数

岩

石

边

坡

土层边坡(含挖方和填方)Ⅰ或Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

>15

≤15

>15

≤15

>15

≤15

>12

≤12

很严重一级 1.15

严重二级 1.00

不严重三级0.90

很严重一级 1.15

严重二级 1.00

不严重三级0.90

很严重、严重一级 1.15

不严重二级 1.00

很严重一级 1.15

严重二级 1.00

不严重三级0.90

很严重、严重一级 1.15

不严重二级 1.00

很严重一级 1.15

严重二级 1.00

不严重三级0.90

很严重、严重一级 1.15

不严重二级 1.00

很严重一级 1.15

严重二级 1.00

不严重三级0.90

　注: 岩体结构类型划分可参见文献[1]; 城建区和滑坡地段边坡安全等级均属一级;坡顶有重要建筑物基础在边坡塌滑及其影响范围内时均属一级;!一个工程的各段边坡视条件不同,可以采用不同的安全等级;∀危害性严重,环境和地质条件复杂的特殊的边坡工程一般不宜修建,确因需要时,可根据具体情况另行确定。

点,进行了部分修正,修正结果详见表3。对于路堤边坡,则可参照表4。

3　工程环境与边坡方案设计的相互影响

3.1　边坡工程方案对环境的影响

首先,为了避免不利的边坡工程方案对环境产生不利影响,应对边坡工程对环境可能产生的下列不利影响进行评估:

(1)切坡工程后可能引发边坡局部或整体破坏后危及建筑物或倾斜倒塌,地下管线断裂可能性和严重性;

(2)开挖时边坡应力状况改变产生过量变形导

表2　土质边坡或散体状的岩质边坡的路堑边坡设计(可计算其无支护安全系数时) Tab.2　Excavating soil slope or grain rocky

slope's design(the safety coefficient without

timbering can be calculated)

安全度A

坡高H

<66～12>12 >1.4

1.不需支护;

2.部分护面墙

或连沟墙

1.不需支护;

2.部

分护面墙或连沟墙

1.不需支护;

2.部

分护面墙或连沟墙1.0～1.4 1.护面墙支护

1.护脚墙;

2.下部

仰斜式挡墙,上部放

坡

1.护脚墙;

2.下部

仰斜式挡墙,上部放

坡

0.8～1.0

<0.8

1.坡率法;

2.仰斜式挡

墙;

3.土钉支护

1.下部护脚,上部

放坡;2.下部仰斜

式或重力式挡墙,上

部放坡;3.下部土

钉支护,上部放坡;

4.仰斜式或重力式

挡墙;5.土钉支护

1.下部护脚,上部

放坡;2.下部仰斜

式或重力式挡墙,上

部放坡;3.下部土

钉支护,上部放坡;

4.仰斜式或重力式

挡墙;5.土钉支护

1.下部护脚,上部

放坡;2.下部仰斜

式挡墙,上部放坡;

3.土钉支护

1.下部护脚,上部

放坡;2.下部仰斜

式或重力式挡墙,上

部放坡;3.土钉支

护;4.锚杆支护;5.

下部桩锚,上部放坡表3　石质边坡各稳定级别边坡加固方法

(不可计算无支护安全系数时)

Tab.3　Different stability grades rocky slope design method(the satety coefficient without timbering can not be calculated)级别S M R加固方法

Ⅰa91～100不需要

Ⅰb81～90一般不需要

Ⅱa71～80

点状锚固(有时不需要,或开挖并修护

脚),设挡石栅

Ⅱb61～70设脚沟或挡石栅,网点锚固或系统锚固Ⅲa51～60

设脚沟和(或)网点锚固或系统喷射混凝

土锚固

Ⅲb41～50

系统锚固,加预应力长锚杆,全面挂网喷

射混凝土,设坡脚挡墙式混凝土齿墙,且

加护脚

Ⅳa31～40

预应力长锚杆,系统喷射混凝土;设坡脚

砌石挡墙和(或)混凝土墙,或重建,做好

深部排水

Ⅳb21～30

系统地加强喷射混凝土,设坡脚砌石挡

墙或(和)混凝土墙,或重新设计、开挖,

做好深部排水

Ⅴa11～20

重力式挡墙或预应力锚杆挡墙,或重新

设计、开挖

致相邻建筑物沉降变形、开裂的可能性和严重性;

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第1期　　　　　　　　　　　冯光乐,等:公路边坡支护方案优化设计　　　　　　　　　　　　　　　表4　路堤边坡设计

Tab.4　Embankment slope design 坡高方案

≤6m 1.放坡;2.重力式或衡重式挡墙

>6m 1.放坡;2.加筋土挡墙或加筋土边坡;3.重力式或衡重式挡墙

　　(3)土石方爆破对临近建筑物损坏的可能性和危险性;

(4)锚杆施工(超出地界)对相邻建筑物造成损害的可能性及钻孔用水对边坡稳定性的破坏程度;

(5)位于城市或旅游重要景观地段的边坡工程立面设计与环境景观的协调性。3.2　环境对工程的影响

为了能较为简洁地说明工程环境对方案设计的影响,本文将工程环境的影响因素分为岩土工程性质、水、腐蚀物质等三类。这种影响因工程的不同而各有差异,作者主要从各种支护工程的特点出发,分类讨论工程环境条件对该方案设计的影响。

4　修正RM R法简介

修正的RM R分类系统有岩石强度、节理裂间距及特征、岩芯质量(R QD)、地下水条件、地应力等参数,并对边坡高度的影响进行了修正,其基本参数及其评分值如表5所示。

表5　基本分类参数及其评分值

Tab.5　Basic classing parameters and their grades 分类数值范围

1完整岩石

强度

/M Pa

点荷载强度

指标

>104～102～41～2

对强度较低的岩体宜

用单轴抗压强度试验单轴抗压强度>250100～25050～10025～505～25,1～5,<1评分值1512742

2 3 4岩芯质量指标R QD90%～100%75%～90%50%～75%25%～50%<25%评分值20171383

节理间距0.6～2m200～600m60～200mm<60mm 评分值20151085

节理条件

节理面很粗糙,

节理不连续,节

理宽度为零,节

理面岩石未风化

节理面稍粗糙,

宽度<1mm,节

理面岩石轻微风

化

节理面稍粗糙,

宽度<1m m,节

理面岩石严重风

化

节理面光滑或含厚

度<5mm年轻软弱

夹层,节理开口宽度

1～5mm,节理连续

含厚度>5mm的软

弱夹层,开口宽度5

mm,节理连续评分值302520100

5地下水

每10m长的隧道涌0<1010～2525～125>125节理水压力与最大

主应力比值

或0或<0.1或0.1～0.2或0.2～0.5或>0.5总条件或完全干燥较湿湿润滴沥水流评分值15<10740

　注:如果没有取到岩芯,而知道体积节理数J t时,可由RQD=115-3.3Jt求得R QD值。

　　(1)岩石强度、岩芯质量、节理间距、地下水评分:

将表5各分值相加及可得到RMR的计算值;

对于表5中“节理条件”这一项有更详细的取分说明,如表6所示。

(2)节理的方向评分值见表7。

(3)边坡开挖方法调整参数是通过工程实践经验获得的,它的取值情况如表8所示。

(4)地应力的影响值。广义的地应力包括地震应力和地质构造应力,且二者对边坡的稳定性均有影响。由于地质构造应力因其强度及方位的确定困难,目前考虑仍有一定的难度,而地震应力的影响主要因其具有水平加速度使得边坡具有不稳定趋势。作者在此取修正值为负值,根据不同地区地震烈度的不同,其地震的水平速度的值大小不一样,此时将边坡假定为平面破坏问题,则可通过其烈度划分确定其对边坡稳定性的影响,见表9。

(5)坡高影响修正值。根据国内外的S MR法工程应用情况可知,一般情形下,边坡在不考虑坡高的情况下的SM R计算值比实际状况的S MR值要底

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表6　节理间距分类指导

Tab .6　Joint space classif ying instruction

参数得分节理长度(持续性/连续性)/m <161～343～10210～201>200张开度(间隙)/mm

无6<0.150.1～1.0

41～51>50粗糙度

很粗糙6

粗糙5

稍粗糙3

平滑1

镜面0

充填物厚度

/m m

无6

硬质充填

软质充填

<54

>52<52>50风化

未风化

6

微风化6

弱风化6

强风化1

全风化0

　注:有些特征是相互抵触的,如:若有充填物存在,就不再讨论粗糙度,因为

它的影响被充填物的影响所掩盖,在这类情况下,请直接使用表5。

表7　按节理方向修正评分值

Tab .7　Revising grades by the joint direction

条件很有利

有利

一般

不利

很不利P T P /T P P T P T P /T

a j -a s a j -a s -180°

>30°30°～20°20°～10°10°～5°<5°F 10.15

0.40

0.70

0.85

1.00

j <20°20°～30°30°～35°35°～45°>45°F 20.150.400.700.85 1.00F 21111

1

j - s >10°

10°～0°

0°

0°～-10°<-10°

j + s <110°110°～120°>120°F 3

6

25

50

60

表8　边坡开挖方法调整值

Tab .8　Revising grades by slope 's excavating method

开挖方法自然边坡预爆边坡光面边坡一般方式或机械开挖

欠缺爆破F 4

+15

+10

+8

-8

表9　地震应力对S MR 值的影响

Tab .9　Earthquake stress 's inf luence to S M R value

设计烈度7F 6

-2

-5

-10

5～10个百分点。作者认为,此时可能是由于未考虑坡高因素影响造成的,故取坡高的影响值为正值,最大值为10,具体可参考表10。

表10　边坡高度对S MR 值的影响

Tab .10　Influence of slope 's height to SMR value

h 实际坡高/h 极限坡高

<0.30.40.50.60.70.80.9≥1.0F 5

10

9

8

7

6

5

3

　　计算极限坡高时,可先计算出SM R 1,见式(2),

作为判定其类别的指标,再由坡角的关系换算。

SM R 1=R MR -(F 1F 2F 3)+F 4+F 6(2)　　对于SM R 1分值在81～100之间的岩质边坡一般为水平成层致密的岩石或完整的岩石,其极限坡高与坡角的关系如式(3)所示h =e 31.238651

-6.154782

(3)

式中:h 为坡高度(m ); 为坡角(°)。

对于SM R 1分值在61～80之间的岩质边坡,一般为坚硬的块体岩体,如石灰岩中的阶梯式破坏面,其饱水时极限坡高和坡角关系为

h =e 24.496184

-4.819293

(4)　　对SM R 1分值在41～60分之间的边坡,一般为贯通式节理,如层节理或层面上的平面破坏面,其饱水时极限坡高和坡角关系为

h =e

18.685368

-3.514556

(5)

　　对于SM R 1分值在21～40之间的边坡,一般

为强节理化岩体及废石堆中的圆弧型破坏,其饱水时极限坡高和坡角的关系为

h =e 14.954927

-2.823469

(6)

　　SM R 1分值在0～21之间的边坡,一般为散体

结构的圆弧破坏,常见于覆盖层边坡及废石堆边坡中,其极限坡高和坡角的关系为

h =e 10.783239

-2.004478

(7)

　　(6)修正的RMR 法的计算可参照下式

　　　SM R =RM R-(F 1F 2F 3)+F 4+F 5+F 6(8)

5　结　语

对根据边坡的工程地质条件、水文条件和环境条件进行边坡方案设计的方法进行了有益的探索,提出了较为系统的优选方法,并编制了相应程序,可用于设计参考。参考文献:

[1]　李　斌.公路工程地质[M ].北京:人民交通出版社,

1990.

[2]　秦四清.深基坑工程优化设计[M ].北京:地震出版社,

1998.

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