2-第二讲(边坡工程设计理论和方法)

1边坡工程设计理论和方法边坡工程设计理论和方法第二讲第二讲中国中铁科学研究院有限公司廖小平研究员第二讲第二讲边坡工程设计理论和方法边坡工程设计理论和方法1.1.特点与分类特点与分类2.2.勘察技术要点勘察技术要点3.3.坡形坡率设计原则和方法坡形坡率设计原则和方法4.4.稳定性分析与计算稳定性分析与计算5.5.防护加固工程对策防护加固工程对策6.6.动态设计理念与信息化施工技术动态设计理念与信息化施工技术1.1.路堑边坡工程特点与分类路堑边坡工程特点与分类路堑边坡工程特点路堑边坡工程特点ØØ具有数量集中、种类较多、性质复杂、勘查不足具有数量集中、种类较多、性质复杂、勘查不足等特点，但又存在一定的场区或区段规律。等特点，但又存在一定的场区或区段规律。ØØ有别于重点复杂的边坡工程设计。有别于重点复杂的边坡工程设计。ØØ缺乏实用的勘察设计工作程序和细则。缺乏实用的勘察设计工作程序和细则。ØØ直接危害公共安全，显著影响工程造价。直接危害公共安全，显著影响工程造价。边坡工程分类边坡工程分类ØØ关于边坡工程分类，由边坡工程的定义与关于边坡工程分类，由边坡工程的定义与内涵可以从其物质组成、工程场地、研究内涵可以从其物质组成、工程场地、研究领域、破坏形态、结构特征、或各种综合领域、破坏形态、结构特征、或各种综合因素等方面进行划分和介定。因素等方面进行划分和介定。边坡工程分类边坡工程分类ØØ根据交通道路边坡工根据交通道路边坡工程的基本特点和客观程的基本特点和客观需要，拟按照边坡的需要，拟按照边坡的物质组成结合其坡体物质组成结合其坡体结构特征进行分类。结构特征进行分类。ØØ边坡工程类型可以划边坡工程类型可以划分为土质边坡、岩质分为土质边坡、岩质边坡、二元结构边坡边坡、二元结构边坡和复合结构边坡等四和复合结构边坡等四个基本类型。个基本类型。二元结构边坡岩质边坡土质边坡2土质边坡土质边坡ØØ土质边坡是指构成边坡主体为土类物质。土质边坡是指构成边坡主体为土类物质。ØØ根据土类物质的均匀性程度的不同，可分根据土类物质的均匀性程度的不同，可分为均质土边坡和类土质边坡。为均质土边坡和类土质边坡。土质边坡土质边坡ØØ纯土质边坡纯土质边坡((均质或似均质均质或似均质))ØØ类土质边坡类土质边坡((非均质非均质))类土质边坡类土质边坡ØØ坡残积土边坡坡残积土边坡ØØ风化土边坡风化土边坡ØØ崩滑流堆积边坡崩滑流堆积边坡岩质边坡岩质边坡ØØ岩质边坡是指构成边坡主体由岩体组成。岩质边坡是指构成边坡主体由岩体组成。ØØ基于岩体风化破碎程度和结构面特征，可基于岩体风化破碎程度和结构面特征，可以分为岩石边坡、破碎岩石边坡和顺层岩以分为岩石边坡、破碎岩石边坡和顺层岩石边坡。石边坡。岩质边坡岩质边坡ØØ节理岩石边坡节理岩石边坡ØØ破碎岩石边坡破碎岩石边坡ØØ层状岩石边坡层状岩石边坡二元结构边坡二元结构边坡ØØ二元结构边坡是指组成边坡主体的上覆土二元结构边坡是指组成边坡主体的上覆土层与下伏岩体基本相当，其工程特性主要层与下伏岩体基本相当，其工程特性主要体现其上下二元接触特征。体现其上下二元接触特征。3二元结构二元结构边坡边坡ØØ陡倾接触陡倾接触ØØ缓倾接触缓倾接触ØØ破碎接触破碎接触复合结构边坡复合结构边坡ØØ复合结构边坡是指边坡坡体结构组成是由复合结构边坡是指边坡坡体结构组成是由上述三种基本坡体结构类型复合组成，体上述三种基本坡体结构类型复合组成，体现不同结构类型特点及其相互作用和影响。现不同结构类型特点及其相互作用和影响。路堑边坡工程分类表路堑边坡工程分类表路堑边坡工程土质边坡二元结构边坡岩质边坡均质土边坡类土质边坡破碎岩石边坡层状岩石边坡节理岩石边坡近水平层状岩石边坡陡坡反倾层状岩石边坡缓坡顺倾层状岩石边坡等坡顺倾层状岩石边坡缓坡反倾层状岩石边坡陡坡顺倾层状岩石边坡楔形体岩石边坡坡残积土边坡风化土边坡崩滑流堆积土边坡弱面控制岩石边坡断续节理岩石边坡节理化岩石边坡2.2.路堑边坡工程勘察技术要点路堑边坡工程勘察技术要点勘察目的和要求勘察目的和要求ØØ查明边坡工程场区的自然地理与环境背景条件查明边坡工程场区的自然地理与环境背景条件ØØ查明边坡工程场区的地形地貌条件查明边坡工程场区的地形地貌条件ØØ查明边坡工程场区的工程地质条件查明边坡工程场区的工程地质条件ØØ查明边坡工程场区的水文地质条件查明边坡工程场区的水文地质条件ØØ查明边坡工程场区的岩土力学性质与相关力学指标查明边坡工程场区的岩土力学性质与相关力学指标ØØ查明边坡工程场区的古老病害与常见工见坡体病害查明边坡工程场区的古老病害与常见工见坡体病害ØØ查明边坡工程与道路工程及其影响范围内的其它相查明边坡工程与道路工程及其影响范围内的其它相关工程或设施的关系与要求关工程或设施的关系与要求ØØ评价坡体稳定条件与潜在发展趋势评价坡体稳定条件与潜在发展趋势勘察内容和方法勘察内容和方法ØØ现场踏勘现场踏勘ØØ地质调查地质调查ØØ地质钻探地质钻探ØØ工程物探工程物探ØØ岩土试验岩土试验ØØ监控量测监控量测ØØ评估与计算评估与计算4主要勘察成果主要勘察成果ØØ现场踏勘调查报告现场踏勘调查报告ØØ初步勘察报告初步勘察报告ØØ详细勘察报告详细勘察报告ØØ补充勘察报告（施工地质勘察）补充勘察报告（施工地质勘察）特点与应用特点与应用ØØ阶段性阶段性ØØ区段性区段性ØØ复杂性复杂性ØØ局限性局限性ØØ动态性动态性3.3.坡形坡率设计原则和方法坡形坡率设计原则和方法坡形坡率设计原则和方法坡形坡率设计原则和方法ØØ内容和要求内容和要求ØØ坡形设计原则坡形设计原则ØØ坡率设计方法坡率设计方法内容和要求内容和要求ØØ路堑边坡坡形坡率设计是在自然斜坡工程路堑边坡坡形坡率设计是在自然斜坡工程勘察资料的基础上，结合交通道路线位规勘察资料的基础上，结合交通道路线位规划与工程要求，在确保边坡稳定与安全的划与工程要求，在确保边坡稳定与安全的条件下设计路堑边坡工程的几何形态和边条件下设计路堑边坡工程的几何形态和边坡坡率，以满足道路工程建设目的和要求。坡坡率，以满足道路工程建设目的和要求。坡形设计原则坡形设计原则ØØ路堑边坡坡形设计包括边坡总体形态设计路堑边坡坡形设计包括边坡总体形态设计和坡级平台设计。和坡级平台设计。ØØ总体形态设计原则总体形态设计原则ØØ坡级平台设计原则坡级平台设计原则5总体形态设计总体形态设计ØØ对于边坡总体形态，原则上可以设计为直线形、对于边坡总体形态，原则上可以设计为直线形、外凸形和内凹形。外凸形和内凹形。ØØ对于均质土坡，内凹形边坡整体稳定性较好，外对于均质土坡，内凹形边坡整体稳定性较好，外凸形边坡整体稳定性相对较差，直线形边介于两凸形边坡整体稳定性相对较差，直线形边介于两者之间。者之间。((总体形态与稳定程度总体形态与稳定程度))ØØ由于路堑边坡坡体地层结构的力学性质体现自上由于路堑边坡坡体地层结构的力学性质体现自上而下逐渐增高的特征，故边坡总体形态一般不设而下逐渐增高的特征，故边坡总体形态一般不设计为内凹形，常设计外凸形边坡较为普遍。计为内凹形，常设计外凸形边坡较为普遍。ØØ对于相对高度较低的边坡，其总体形态大多设计对于相对高度较低的边坡，其总体形态大多设计为直线形。为直线形。坡级平台设计坡级平台设计ØØ在设计边坡总体高度和总体坡率不变的情在设计边坡总体高度和总体坡率不变的情况下，通过计算分析发现台阶边坡可以比况下，通过计算分析发现台阶边坡可以比直线形边坡提高坡体的整体稳定性。直线形边坡提高坡体的整体稳定性。ØØ如果边坡高度较大，即路堑高边坡，需要如果边坡高度较大，即路堑高边坡，需要设计成多级台阶状。单级边坡高度一般设设计成多级台阶状。单级边坡高度一般设计为计为88～～12m12m，对于相对完整且强度较高的，对于相对完整且强度较高的地层可以设计地层可以设计15m15m一级甚至更高。一级甚至更高。平台宽度平台宽度ØØ有关级间平台的宽度，一般设计为有关级间平台的宽度，一般设计为11～～3m3m（强度高采用相对较小值，但考虑石方开（强度高采用相对较小值，但考虑石方开挖因素，石方边坡宜采用较大值），为处挖因素，石方边坡宜采用较大值），为处理高边坡问题，还可以在其坡体中部设计理高边坡问题，还可以在其坡体中部设计55～～10m10m宽平台（强度高采用相对较小宽平台（强度高采用相对较小值），将一个高边坡化解为两个以上的相值），将一个高边坡化解为两个以上的相对独立的边坡段，以减少坡脚应力的集中对独立的边坡段，以减少坡脚应力的集中发展，提高边坡的稳定性。发展，提高边坡的稳定性。平台宽度与稳定程度平台宽度与稳定程度ØØ研究发现，级间平台设计为研究发现，级间平台设计为1m1m时，其边坡时，其边坡稳定性可以明显改善，随着平台宽度的增稳定性可以明显改善，随着平台宽度的增加，至加，至3m3m时已无明显改观；在坡体中部设时已无明显改观；在坡体中部设计计6m6m以上大平台时，可以明显改善坡脚应以上大平台时，可以明显改善坡脚应力集中作用和影响，提高边坡的总体稳定力集中作用和影响，提高边坡的总体稳定性，达到分解高大边坡的设计目的。性，达到分解高大边坡的设计目的。平台宽度与稳定程度平台宽度与稳定程度坡率设计方法坡率设计方法ØØ工程地质类比法工程地质类比法ØØ风化破碎程度确定法风化破碎程度确定法ØØ结构面产状确定法结构面产状确定法ØØ图表公式确定法图表公式确定法ØØ数值分析计算法（稳定系数计算法）数值分析计算法（稳定系数计算法）6工程地质类比法工程地质类比法ØØ工程地质类比法，或称工程经验确定法。工程地质类比法，或称工程经验确定法。ØØ是基于与设计坡体工程地质条件或坡体地是基于与设计坡体工程地质条件或坡体地层结构条件基本相类似的既有成功工程实层结构条件基本相类似的既有成功工程实例的边坡坡率。例的边坡坡率。ØØ或者，基于设计坡体所在地区的相关工程或者，基于设计坡体所在地区的相关工程经验，采用类比的方法设计边坡坡率。经验，采用类比的方法设计边坡坡率。风化破碎程度确定法风化破碎程度确定法ØØ风化破碎程度确定法，即根据组成坡体地风化破碎程度确定法，即根据组成坡体地层的风化破碎程度或成因类别设计边坡坡层的风化破碎程度或成因类别设计边坡坡率，此类坡率设计法亦属工程经验确定法。率，此类坡率设计法亦属工程经验确定法。风化破碎程度确定法风化破碎程度确定法于燥少水状态取较小值，含水量较高时取较大值；砂性土取较小值，粘性土取较大值。岩体结构整体性较好时取较小值，岩体结构较破碎时取较大值；岩石较硬时取较小值，岩石较软时取较大值。1.25～1.75松散土层0.75～1.0砂土状砂土状砂土状强风化1～1.5坡积土层0.50～1.0破块状破块状碎块状强风化1～1.25残积土层0.33～0.75镶嵌状镶嵌状弱风化0.75～1.25全风化土层0.25～0.5块体状块体状微风化设计坡率成因类别设计坡率破碎程度风化程度土层岩层结构面产状确定法结构面产状确定法ØØ结构面产状确定法，是基于设计坡体内的控制性结构面产状确定法，是基于设计坡体内的控制性结构面或软弱面（带）产状设计边坡坡率的方法。结构面或软弱面（带）产状设计边坡坡率的方法。ØØ这种方法是由于结构面或软弱面（带）的抗剪强这种方法是由于结构面或软弱面（带）的抗剪强度较低，将控制设计边坡的稳定性，设计刷方排度较低，将控制设计边坡的稳定性，设计刷方排除其上覆不稳定岩土，在下伏坡体岩土能够保持除其上覆不稳定岩土，在下伏坡体岩土能够保持稳定的条件下，同时，其控制性结构面或软弱面稳定的条件下，同时，其控制性结构面或软弱面（带）与边坡走向大体一致且刷方数量不大的情（带）与边坡走向大体一致且刷方数量不大的情况下不失为一较好的坡率设计方法。例如，在顺况下不失为一较好的坡率设计方法。例如，在顺层岩石边坡中经常采用。层岩石边坡中经常采用。图表公式设计法图表公式设计法ØØ图表公式设计法是基于设计边坡对象的坡体物质图表公式设计法是基于设计边坡对象的坡体物质组成、风化破碎程度、岩体结构特征、以及边坡组成、风化破碎程度、岩体结构特征、以及边坡设计高度与坡度等边坡稳定性主要影响因