工程治理后岩质边坡稳定性评价标准及方法研究——以元磨高速公路为例

摘要

随着交通建设项目向西部山区开展，在工程建设过程中形成了很多高陡边坡。据初步统计，在云南省2003年后投入运营的高速公路中，需要及时评价且高度大于30m的工程边坡就有700多处，其中全长147km的元（江）-磨（黑）高速公路在施工期间出现病害并进行过工程治理的边坡就有182处。建立工程治理后边坡稳定性评价标准和评价方法，科学合理地评价工程治理后边坡的安全性，是工程管理部门亟需解决的问题。
　　当前，国内外学者在工程治理前边坡的稳定性评价方面作了大量工作，取得了丰富的研究成果，而对工程治理后边坡的稳定状态和工程治理效果评价方面的研究相对较少。从公开发表的文献来看，大多是针对某一具体工点采用传统计算方法重新计算边坡的稳定系数或者是从治理工程的经济指标方面对边坡治理效果进行评价，缺乏统一的评价方法和相应的评价标准。
　　基于此，本文以国家西部交通科技项目《元磨高速公路边坡病害群治理工程效果评价及应对措施研究》为依托，针对边坡锚固工程治理效果的评价标准和评价方法进行了较系统的研究。主要内容如下:
　　(1)对比分析了边坡工程治理前稳定性评价与工后治理效果评价之间的不同点，从高速公路管理、维护和安全运营的角度提出了边坡工程治理效果评价的概念和评价内容。
　　(2)考虑工程风险因素，根据治理后边坡的破坏类型、规模以及对运营工程的影响程度制定了边坡工程治理效果评价分级标准，并提出了相应的应对措施。
　　(3)根据锚固工程特点，建立了基于1.00、1.10和1.20三个安全系数值的边坡工程治理效果评价分级标准，提出了锚固工程治理效果的单因素评价标准及方法，进而从边坡破坏模式、岩土体力学参数取值和锚固工程受力机制方面分析了锚固工程在崩塌、错落、滑坡和坡面变形破坏等边坡病害治理中的适宜性。
　　(4)采用室内直接剪切试验，结合Barton模型讨论了岩石边坡结构面强度参数取值的准确性。研究表明，Barton模型可以准确、快速地确定岩石结构面强度指标，而室内直接剪切试验方法测得的内聚力明显偏高，在实际应用中应取其1/10或者更低。
　　(5)基于理论分析、经验公式和规范推荐方法，综合分析了锚索锚固段的受力机制及其设计长度的合理性，并与现场试验数据进行了对比。分析表明，现今使用规范中的设计参数取值偏于保守，基于规范计算的锚固段长度比现场实测得到的长度大2.2～5.1倍。
　　(6)基于边坡三维地质信息，采用Fish语言编制程序，建立了用于模拟分析边坡工程治理前后破坏模式的数值计算模型。计算结果表明，数值模拟方法可以准确地模拟边坡工程治理前后的效果，同时证明预应力锚索有效地防治了边坡的潜在滑动趋势，达到了良好的治理效果。
　　(7)采用二次曲线、GM(1，1)和指数平滑模型分析预测了锚固工程在施工阶段和锚索长期工作阶段预应力的变化趋势。分析表明:施工锚固阶段锚索拉力变化符合二次曲线特征;GM(1，1)和指数平滑模型可以较高精度地预测锚索拉力变化趋势，可用于锚固工程治理效果的预测预警。
　　(8)针对边坡工程治理效果评价内容和目的，选取了包括边坡地质条件因素、防治工程技术状况和边坡宏观迹象特征的9个评价因子，采用层次分析法确定了各级评价指标权重，基于模糊数学理论建立了边坡工程治理效果的综合评价模型，并采用此模型对元磨高速公路119处边坡进行了评价。研究表明，所建模型能够很好地区分评价等级，可以广泛应用于边坡工程治理效果评价中。
　　(9)基于边坡工程治理效果评价的内容、目标和方法开发了边坡工程治理效果评价与监测预警系统，首次从边坡工程治理效果评价角度建立了边坡基本信息、监测信息数据库系统和各数据库资料相互查询机制，实现了边坡工程治理效果的单因素评价和综合评价计算过程的程序化以及基于实时监测数据的预测预警功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 预应力锚固理论

1．2．2 边坡稳定性评价理论

1．2．3 边坡工程治理效果评价

1．3 论文主要研究内容及技术路线

第2章 锚固工程治理效果评价及分级标准

2．1 边坡工程治理效果评价概念

2．2 边坡工程治理效果评价方法

2．3 边坡工程治理效果分级标准

2．4 锚固工程治理效果的单因素评价

2．4．1 工程治理效果分级量化标准

2．4．2 锚固工程治理效果评价分级标准

2．5 元磨高速公路K301+320～900边坡工程治理效果评价

2．5．1 工点概况

2．5．2 治理措施

2．5．3 锚索拉力计算

2．5．4 锚索拉力监测

2．5．5 边坡变形监测

2．5．6 工程治理效果单因素评价

第3章 锚固工程治理不同边坡病害的适宜性评价

3．1 锚固工程特点

3．1．1 锚固工程简介

3．1．2 锚固技术应用现状

3．2 影响锚固工程治理效果的关键因素

3．2．1 边坡破坏模式认识

3．2．2 边坡岩土体参数取值

3．2．3 锚固工程受力

3．3 锚固工程适宜性评价

3．3．1 崩塌错落适宜性评价

3．3．2 滑坡防治适宜性评价

3．3．3 边坡坡面破坏适宜性评价

3．4 元磨高速公路DK259+835～902边坡治理工程适宜性评价

3．4．1 工点概况

3．4．2 结构面强度参数取值研究

3．4．3 边坡破坏模式分析

3．4．4 预应力锚索适宜性评价

3．4．5 锚索受力合理性评价

3．4．6 工程治理后边坡整体稳定性评价

第4章 锚固工程治理效果的监测与预测评价

4．1 锚索预应力变化监测

4．1．1 预应力变化影响因素

4．1．2 锚索预应力损失估计

4．2 预应力变化趋势预测方法介绍

4．2．1 灰色系统模型

4．2．2 指数平滑模型

4．2．3 非线性回归模型

4．2．4 Verhulst预报模型

4．5 元磨高速公路K259+835～902预应力监测评价

4．5．1 工点概况及监测点布置

4．5．2 锚索张拉锁定的加载方案和测试过程

4．5．3 锚索拉力的测试结果与分析

4．5．4 正常运营阶段锚索拉力测试结果与分析

4．5．5 锚索张拉的相互影响

4．6 锚索预应力预测

4．6．1 锚索锁定阶段预应力预测

4．6．2 锚索长期工作阶段预应力预测

第5章 边坡工程治理效果综合性评价

5．1 综合评价因素及分级标准

5．1．1 边坡地质条件因素

5．1．2 边坡防治工程因素

5．1．3 边坡宏观迹象因素

5．2 治理效果模糊综合评价模型

5．2．1 评价原理介绍

5．2．2 隶属函数确定

5．2．3 权重向量确定

5．3 评价模型检算

5．3．1 元磨高速K259+890～902边坡治理效果综合评价

5．3．2 元磨高速K301+320～900边坡治理效果综合评价

5．3．3 京珠高速K108+221～466边坡治理效果综合评价

5．4 元磨高速公路工程边坡治理效果评价

第6章 边坡治理效果评价与监测预警系统

6．1 软件系统的总体建设思路

6．1．1 功能要求

6．1．2 体系架构

6．1．3 技术支持

6．2 系统设计

6．2．1 安全设置

6．2．2 图形显示及资料查询

6．2．3 资料分析及系统维护

6．3 数据库设计

6．3．1 边坡基本信息字段

6．3．2 动态监测数据库设计

6．4 边坡动态监测系统

6．5 软件系统主要功能界面

6．5．1 边坡信息统计

6．5．2 资料查询边坡治理效果评价

6．5．3 系统登录

6．6 软件系统待完善内容

结论与展望

致谢

参考文献

附表 元磨高速公路工程边坡调查信息表

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果