差异性信息条件下公路边坡设计方法研究
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摘要
作为公路工程重要组成部分的公路边坡,其安全性与公路工程的建设与运营安全息息相关,特别是本着“以人为本、以车为本”的原则,要求设计“更合理、更科学,使行驶更安全、更舒适”,因此,对公路边坡处治设计也提出了更为严格的要求,绝不允许有危及行车安全的公路边坡灾害事故发生,要求公路边坡设计具有合理性与经济性。然而在目前的公路建设过程中,治理边坡发生灾害,甚至在治理后较长时间后发生灾害的情况屡有发生。究其原因,公路沿线边坡众多,受勘察水平限制,设计过程中公路边坡的信息存在差异性,受制于工程的信息量,边坡设计的准确性依赖于设计人员的经验,使设计具有较大的不确定性,给边坡安全带来隐患。在这种情况下,建立一套针对差异性信息条件下,确保设计效率,提高公路边坡设计的合理性与经济性的公路边坡设计方法,显得非常紧迫和必要。
公路边坡设计是基于公路边坡特征的稳定性评价与变形破坏预测,制定合理有效的加固措施,公路边坡特征、边坡稳定性与加固措施设计之间的相关性是合理设计的前提。差异性信息条件下进行公路边坡合理设计要求从公路边坡稳定性影响因素中提取丰富、准确的信息。本文充分利用四川省的大量公路边坡资料,综合考虑边坡外形、工程地质条件和环境条件,从众多公路边坡稳定性影响因素中选择确定了与实际相符合的评价因素作为边坡评价指标,建立了较完善可行的公路边坡处治程度的定量评价体系,为建立信息差异条件下公路边坡设计方法提供了依据。
虽然单一边坡的信息受勘察条件限制处于贫乏状态,但四川省公路建设中多年积累边坡设计资料包含有丰富的信息,将其应用于公路边坡设计中必将提高边坡的设计水平,这一思路也与充分顾及当地经验是边坡设计须遵循的原则相一致。为满足差异性信息条件下公路边坡数据处理高效准确的要求,本文建立了基于Access的公路边坡基础数据库,为公路边坡信息的收集、管理、使用与统计分析提供了平台。数据库可以通过查询功能为公路边坡设计提供范例,也可通过辅助设计功能为公路边坡设计的决策提供一定的参考,降低边坡设计的风险。
在公路边坡处治设计中,加固方案决策时需要充分考虑当地经验,才能保证加固方案决策的正确性,这是合理设计的基础。本文对四川省大量干线公路边坡设计成果进行总结,得到公路边坡典型加固方案是刚性支挡的抗滑桩、挡墙以及柔性支挡的锚索、锚杆等四类加固措施,以及各类加固措施的联合应用的综合加固方案。对公路边坡典型加固方案决策的适宜性进行统计分析,得到四川省典型公路边坡加固方案的适用条件及范围,为四川省公路边坡方案决策提供了依据,也可作为边坡设计中方案设计质量的评价标准。
针对公路边坡数量众多,边坡信息存在差异,复杂程度不一,设计要求高的特点,本文提出差异性信息条件下公路边坡设计采用分级的设计方法,在确保边坡设计质量的同时提高设计效率。根据边坡的特征将边坡分为需要进行“个别勘察设计”的公路复杂边坡(高度大于30m的岩质和大于20m的土质边坡)和不需要个别单独设计的简单边坡。简单边坡根据边坡边坡高度与边坡类型运用简单类比法确定边坡的坡率与防护措施。复杂边坡采用两水平设计方法,即基于工程定量类比法的水平1设计和信息动态设计为主线的水平2设计。
水平1设计针对公路勘察水平低,公路边坡设计处于差异性信息条件下这一事实,将公路边坡视为灰色系统,运用灰色定量类比法,从公路边坡基础数据库中大量的成功边坡中,寻找待设计边坡的相似边坡集,利用相似边坡集的加固方案进行公路边坡方案设计,该方法充分利用公路边坡的实践经验,可以避免设计对个人经验的依赖,提高了公路边坡的设计水平,设计实例验证了该方法的合理有效性。
水平2设计是在水平1设计的基础上,根据边坡的规模、重要性等,进行更为细致、针对性强的信息化动态设计。由于受勘察水平所限,复杂边坡在勘察与设计阶段存在信息差异,边坡的信息不完整,是一个灰色系统,受信息量所限,会影响水平1设计的准确性。随着边坡的施工开挖,采用地质调查结合现场监测手段,将大大提高边坡工程的信息量及准确性,将这些信息用于设计,可以使设计更为合理。基于此,本文在总结大量成功工程经验的基础上给出了基于公路边坡信息反馈结合勘察、设计、施工及现场监测、工后分析于一体的边坡水平2信息化动态设计方法。在边坡工程实例处治设计之中应用了该方法,处治后的实测数据证明,其具有较强的适应性和可靠性。
公路边坡运营期受到外界因素影响发生变形破坏,需要进行的灾害治理设计是公路边坡水平2信息化动态设计的特殊阶段。在四川省有广泛分布的红层边坡中的近水平红层软岩边坡在运营一段相当长的时间后,部分边坡仍然发生了变形破坏,严重危害到公路边坡与公路的运营安全。结合沪蓉高速四川境内的成南段K1800左侧边坡对该类边坡在运营期受到降雨作用进行研究,采用数值分析方法,对边坡不同降雨强度、降雨持时条件下的雨水入渗特征进行研究,对暴雨、大暴雨及当地极端天气条件下不同降雨持时的边坡降雨入渗计算结果表明,随着降雨的进行,雨水由坡顶与坡体表面渗入坡体内部,正负孔隙水压力的分界线即为地下水浸润线,边坡孔隙水压力为零处是坡体内饱和与非饱和区的分界线,相同降雨持时,雨强越大,坡体内饱和区范围也越大,随着降雨持时的增加,坡体内的非饱和区逐渐减小,而饱和区逐渐增大,因而饱和区范围与降雨强度及持时均呈正相关。对泥岩的微观结构运用电子显微镜进行研究,结果表明,从微观上来讲,泥岩总体微裂隙不发育,呈团粒状、局部为片状或似羽状,结构松散、胶结差、孔洞明显,孔隙水容易快速进入粒间,软化松散的泥粒,这也是造成其强度迅速降低的原因。这一结论与既有的泥岩在饱和状态下强度明显下降的研究结论一致。采用极限平衡法对降雨条件下边坡的稳定性进行计算,根据降雨条件下雨水入渗的计算结果,将坡体划分为饱和与非饱和区,分别取不同的力学参数,稳定性计算结果表明,近水平红层软岩边坡运营期降雨作用下的稳定性与降雨强度与降雨持时负相关,暴雨条件下的失稳时间为30h,大暴雨条件下为23h,当地极端天气条件下其失稳时间为18h。
采用2-D快速拉格朗日有限差分方法对降雨条件下的边坡进行研究,降雨过程中,持时12h时边坡的应力分布变化不大,边坡位移量较小,坡体中下部出现剪切破坏区,边坡处于临界状态,随着降雨持时的增加到24h,边坡水平位移达2.4m,垂直位移达到1.5m,边坡坡体中下部出现剪切破坏区,坡脚与坡顶出现了拉破坏,且剪切破坏与拉破坏区已经连通,表明坡体已经发生了破坏。边坡中下部岩体受雨水作用软化,使其物理力学性质变化,导致发生剪切破坏是边坡失稳的重要原因,其变形破坏模式是压致-拉裂破坏。根据研究成果对边坡采用下部框架锚索结合框架锚杆进行支护设计,支护条件下边坡的2-D快速拉格朗日方法计算结果表明,原本未采取支护措施时降雨条件下坡体内的塑性区已经消失,边坡处于稳定状态,所采用的合理的治理设计可以为确保该类边坡运营期的安全提供参照。
Highway slope is an important part of the highway project, the safety of the slope related to highway construction and operational security. It requires highway slope design is reasonable and economy for ensure the safety of the highway project.The requirements of highway slope are no disasters during the process of highway construction. But now the highway slope failure accidents are very common, the reason is the differences of the highway slope information. The differences led to the design accuracy depend on the designer's experience. So the key issues in the construction of highway slope are rationality of the design under the conditions of information differences.
Based on the analysis for slope stability and the prediction and evaluation of deformation and failure, highway slope designer selects the reinforcement measures. Correlation of the reinforcement measures with slope characteristics and slope stability is the precondition of the reasonable design of slope. Highway slope design must be reasonable under the conditions of information differences. This needs rich and accurate information extracted from the Highway Slope Stability Factors. This paper taking large amounts data of highway slope of Sichuan province as a base, considering slope shape, engineering geological conditions and environmental-conditions, determine the evaluation factors of highway slope from the highway slope stability factors. The research results provide the basis for the establishment of the highway slope design method under the conditions of information differences.
The rich information is contained in construction achievements of Sichuan highway slope, this information can be used to guide the design of highway slope. The highway slope database be established based on Access, this database provide a platform of information collection, management and applications.The highway slope designer can query design example in the database, the risk of slope design can be reduced through provide a reference for highway slope design decisions.
In the highway slope design process, Reinforcement scheme decision is the key issue related to highway slope design reasonable and economy. Because the diversity of reinforcement scheme and the complexity of highway slope conditions, the principle is full account of local experience when making decisions. Based on a large number of highway slope design information of Sichuan province, Summary of the Sichuan highway slope typical reinforcement scheme, The suitable evaluation factors to select as the reference variable, Using statistical methods to study on the suitability for highway slope reinforcement scheme decision, conditions and scope of application for Sichuan typical road slope reinforcement scheme are gotten, Research results provide a basis for reinforcement scheme decision of Sichuan highway slope design.
Due to the highway slope's large quantity and Information and complexity have differences, the highway slope design method under the conditions of information differences is hierarchical design. The highway slopes be divided simple slope and complex slope, the height is less than30m of rock slope or20m of soil slope is simple slope according to norm provision. Simple slope using a simple analogy to determine the slope rate and protective measures based on slope height and slope type. Complex slope using the two-level design method, the level1design is quantitative analog and the level2design is dynamic design.
By the impact of low level of highway engineering investigation, slope design has risk due to poor information, The design results depends on the designer's experience. In this paper, the highway slope as a gray system, This paper adopt the grey quantitative analog method, and select the Sichuan highway slope Project which has accumulated data for a long time as the analog project to predict the reinforcement scheme decision.
On the basis of the level1design, according to the scale and importance of the highway slope, the level2design is more detailed, targeted dynamic design. The Level2design is a combination of survey, design, construction and on-site monitoring based on information-feedback. This paper introduces the main procedure of design and illustrates the design process by design examples.
The slope design of Disaster in operational process is a special stage of the level2design. Based on typical slope, this paper studies the stability and treatment design of the slope in approximate level red-bed soft rock. The rainwater infiltration characteristics of slope studied by numerical simulations and the microscopic structure of the mudstone studied by electron microscope, the result shows during the rainfall process there is a negative correlation between slope stability and the intensity and time of rainfall. Based on the results, this paper chooses anchor cable frame and anchor pole frame are used to reinforce the slope. It can provide reference for the stability of slope in approximate level red-bed soft rock in operational process.
公路边坡设计是基于公路边坡特征的稳定性评价与变形破坏预测,制定合理有效的加固措施,公路边坡特征、边坡稳定性与加固措施设计之间的相关性是合理设计的前提。差异性信息条件下进行公路边坡合理设计要求从公路边坡稳定性影响因素中提取丰富、准确的信息。本文充分利用四川省的大量公路边坡资料,综合考虑边坡外形、工程地质条件和环境条件,从众多公路边坡稳定性影响因素中选择确定了与实际相符合的评价因素作为边坡评价指标,建立了较完善可行的公路边坡处治程度的定量评价体系,为建立信息差异条件下公路边坡设计方法提供了依据。
虽然单一边坡的信息受勘察条件限制处于贫乏状态,但四川省公路建设中多年积累边坡设计资料包含有丰富的信息,将其应用于公路边坡设计中必将提高边坡的设计水平,这一思路也与充分顾及当地经验是边坡设计须遵循的原则相一致。为满足差异性信息条件下公路边坡数据处理高效准确的要求,本文建立了基于Access的公路边坡基础数据库,为公路边坡信息的收集、管理、使用与统计分析提供了平台。数据库可以通过查询功能为公路边坡设计提供范例,也可通过辅助设计功能为公路边坡设计的决策提供一定的参考,降低边坡设计的风险。
在公路边坡处治设计中,加固方案决策时需要充分考虑当地经验,才能保证加固方案决策的正确性,这是合理设计的基础。本文对四川省大量干线公路边坡设计成果进行总结,得到公路边坡典型加固方案是刚性支挡的抗滑桩、挡墙以及柔性支挡的锚索、锚杆等四类加固措施,以及各类加固措施的联合应用的综合加固方案。对公路边坡典型加固方案决策的适宜性进行统计分析,得到四川省典型公路边坡加固方案的适用条件及范围,为四川省公路边坡方案决策提供了依据,也可作为边坡设计中方案设计质量的评价标准。
针对公路边坡数量众多,边坡信息存在差异,复杂程度不一,设计要求高的特点,本文提出差异性信息条件下公路边坡设计采用分级的设计方法,在确保边坡设计质量的同时提高设计效率。根据边坡的特征将边坡分为需要进行“个别勘察设计”的公路复杂边坡(高度大于30m的岩质和大于20m的土质边坡)和不需要个别单独设计的简单边坡。简单边坡根据边坡边坡高度与边坡类型运用简单类比法确定边坡的坡率与防护措施。复杂边坡采用两水平设计方法,即基于工程定量类比法的水平1设计和信息动态设计为主线的水平2设计。
水平1设计针对公路勘察水平低,公路边坡设计处于差异性信息条件下这一事实,将公路边坡视为灰色系统,运用灰色定量类比法,从公路边坡基础数据库中大量的成功边坡中,寻找待设计边坡的相似边坡集,利用相似边坡集的加固方案进行公路边坡方案设计,该方法充分利用公路边坡的实践经验,可以避免设计对个人经验的依赖,提高了公路边坡的设计水平,设计实例验证了该方法的合理有效性。
水平2设计是在水平1设计的基础上,根据边坡的规模、重要性等,进行更为细致、针对性强的信息化动态设计。由于受勘察水平所限,复杂边坡在勘察与设计阶段存在信息差异,边坡的信息不完整,是一个灰色系统,受信息量所限,会影响水平1设计的准确性。随着边坡的施工开挖,采用地质调查结合现场监测手段,将大大提高边坡工程的信息量及准确性,将这些信息用于设计,可以使设计更为合理。基于此,本文在总结大量成功工程经验的基础上给出了基于公路边坡信息反馈结合勘察、设计、施工及现场监测、工后分析于一体的边坡水平2信息化动态设计方法。在边坡工程实例处治设计之中应用了该方法,处治后的实测数据证明,其具有较强的适应性和可靠性。
公路边坡运营期受到外界因素影响发生变形破坏,需要进行的灾害治理设计是公路边坡水平2信息化动态设计的特殊阶段。在四川省有广泛分布的红层边坡中的近水平红层软岩边坡在运营一段相当长的时间后,部分边坡仍然发生了变形破坏,严重危害到公路边坡与公路的运营安全。结合沪蓉高速四川境内的成南段K1800左侧边坡对该类边坡在运营期受到降雨作用进行研究,采用数值分析方法,对边坡不同降雨强度、降雨持时条件下的雨水入渗特征进行研究,对暴雨、大暴雨及当地极端天气条件下不同降雨持时的边坡降雨入渗计算结果表明,随着降雨的进行,雨水由坡顶与坡体表面渗入坡体内部,正负孔隙水压力的分界线即为地下水浸润线,边坡孔隙水压力为零处是坡体内饱和与非饱和区的分界线,相同降雨持时,雨强越大,坡体内饱和区范围也越大,随着降雨持时的增加,坡体内的非饱和区逐渐减小,而饱和区逐渐增大,因而饱和区范围与降雨强度及持时均呈正相关。对泥岩的微观结构运用电子显微镜进行研究,结果表明,从微观上来讲,泥岩总体微裂隙不发育,呈团粒状、局部为片状或似羽状,结构松散、胶结差、孔洞明显,孔隙水容易快速进入粒间,软化松散的泥粒,这也是造成其强度迅速降低的原因。这一结论与既有的泥岩在饱和状态下强度明显下降的研究结论一致。采用极限平衡法对降雨条件下边坡的稳定性进行计算,根据降雨条件下雨水入渗的计算结果,将坡体划分为饱和与非饱和区,分别取不同的力学参数,稳定性计算结果表明,近水平红层软岩边坡运营期降雨作用下的稳定性与降雨强度与降雨持时负相关,暴雨条件下的失稳时间为30h,大暴雨条件下为23h,当地极端天气条件下其失稳时间为18h。
采用2-D快速拉格朗日有限差分方法对降雨条件下的边坡进行研究,降雨过程中,持时12h时边坡的应力分布变化不大,边坡位移量较小,坡体中下部出现剪切破坏区,边坡处于临界状态,随着降雨持时的增加到24h,边坡水平位移达2.4m,垂直位移达到1.5m,边坡坡体中下部出现剪切破坏区,坡脚与坡顶出现了拉破坏,且剪切破坏与拉破坏区已经连通,表明坡体已经发生了破坏。边坡中下部岩体受雨水作用软化,使其物理力学性质变化,导致发生剪切破坏是边坡失稳的重要原因,其变形破坏模式是压致-拉裂破坏。根据研究成果对边坡采用下部框架锚索结合框架锚杆进行支护设计,支护条件下边坡的2-D快速拉格朗日方法计算结果表明,原本未采取支护措施时降雨条件下坡体内的塑性区已经消失,边坡处于稳定状态,所采用的合理的治理设计可以为确保该类边坡运营期的安全提供参照。
Highway slope is an important part of the highway project, the safety of the slope related to highway construction and operational security. It requires highway slope design is reasonable and economy for ensure the safety of the highway project.The requirements of highway slope are no disasters during the process of highway construction. But now the highway slope failure accidents are very common, the reason is the differences of the highway slope information. The differences led to the design accuracy depend on the designer's experience. So the key issues in the construction of highway slope are rationality of the design under the conditions of information differences.
Based on the analysis for slope stability and the prediction and evaluation of deformation and failure, highway slope designer selects the reinforcement measures. Correlation of the reinforcement measures with slope characteristics and slope stability is the precondition of the reasonable design of slope. Highway slope design must be reasonable under the conditions of information differences. This needs rich and accurate information extracted from the Highway Slope Stability Factors. This paper taking large amounts data of highway slope of Sichuan province as a base, considering slope shape, engineering geological conditions and environmental-conditions, determine the evaluation factors of highway slope from the highway slope stability factors. The research results provide the basis for the establishment of the highway slope design method under the conditions of information differences.
The rich information is contained in construction achievements of Sichuan highway slope, this information can be used to guide the design of highway slope. The highway slope database be established based on Access, this database provide a platform of information collection, management and applications.The highway slope designer can query design example in the database, the risk of slope design can be reduced through provide a reference for highway slope design decisions.
In the highway slope design process, Reinforcement scheme decision is the key issue related to highway slope design reasonable and economy. Because the diversity of reinforcement scheme and the complexity of highway slope conditions, the principle is full account of local experience when making decisions. Based on a large number of highway slope design information of Sichuan province, Summary of the Sichuan highway slope typical reinforcement scheme, The suitable evaluation factors to select as the reference variable, Using statistical methods to study on the suitability for highway slope reinforcement scheme decision, conditions and scope of application for Sichuan typical road slope reinforcement scheme are gotten, Research results provide a basis for reinforcement scheme decision of Sichuan highway slope design.
Due to the highway slope's large quantity and Information and complexity have differences, the highway slope design method under the conditions of information differences is hierarchical design. The highway slopes be divided simple slope and complex slope, the height is less than30m of rock slope or20m of soil slope is simple slope according to norm provision. Simple slope using a simple analogy to determine the slope rate and protective measures based on slope height and slope type. Complex slope using the two-level design method, the level1design is quantitative analog and the level2design is dynamic design.
By the impact of low level of highway engineering investigation, slope design has risk due to poor information, The design results depends on the designer's experience. In this paper, the highway slope as a gray system, This paper adopt the grey quantitative analog method, and select the Sichuan highway slope Project which has accumulated data for a long time as the analog project to predict the reinforcement scheme decision.
On the basis of the level1design, according to the scale and importance of the highway slope, the level2design is more detailed, targeted dynamic design. The Level2design is a combination of survey, design, construction and on-site monitoring based on information-feedback. This paper introduces the main procedure of design and illustrates the design process by design examples.
The slope design of Disaster in operational process is a special stage of the level2design. Based on typical slope, this paper studies the stability and treatment design of the slope in approximate level red-bed soft rock. The rainwater infiltration characteristics of slope studied by numerical simulations and the microscopic structure of the mudstone studied by electron microscope, the result shows during the rainfall process there is a negative correlation between slope stability and the intensity and time of rainfall. Based on the results, this paper chooses anchor cable frame and anchor pole frame are used to reinforce the slope. It can provide reference for the stability of slope in approximate level red-bed soft rock in operational process.
引文
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