(整理)黄土地区公路高边坡防护研究

交通部西部交通建设科技项目

合同号：2001 318 000 20

黄土地区公路

高边坡防护技术研究成果简本

陕西省公路勘察设计院

长安大学

2004年12月

黄土地区公路

高边坡防护技术研究成果简本

课题承担单位: 陕西省公路勘察设计院

课题协作单位: 长安大学

课题负责人: 李子青赵之胜

报告编写人: 赵之胜谢永利倪万魁孔金玲

主要参与人员：李子青赵之胜谢永利倪万魁孔金玲

史志军张亮杨晓华刘海松高凤亮

王文生高德彬石昊南杨泓全颜斌报告审定：李子青赵之胜

日期: 2004年12月

一、研究目标

本项目以黄土地区重大公路工程为依托，采用“点”与“面”结合、室内试验与现场试验相结合以及理论计算与实体工程验证相结合的技术手段，重点解决公路黄土高边坡稳定性评价、坡型设计、边坡防护等技术难题，提出一套适合黄土高边坡的稳定性分析、设计和防护方法，从而大大提高公路黄土高边坡设计与防护的科学性与经济性，改善公路沿线的生态环境。二、研究内容

1公路黄土高边坡地质结构模型研究；

2黄土土性参数统计分析研究；

3非饱和黄土强度实验研究；

4公路黄土高边坡稳定性分析研究；

5 公路黄土高边坡推荐设计坡型研究；

6公路黄土高边坡防护技术研究；

7公路黄土高边坡防护决策支持系统研建。

三、研究工作所取得的主要科技成果

本项目通过对陕西、甘肃、宁夏、青海、山西、河北和河南七省区黄土丘陵、黄土塬、黄土梁峁及高阶地区已建公路高边坡的现场调查、勘测、现场试验和系统的室内试验与分析计算，历时三年多，主要在九个方面取得了进展，总结如下：

1 黄土地区公路工程地质综合分区研究

在现场调查和总结前人研究成果的基础上，系统研究了黄土高原区的自然地理环境、地形地貌、地层特征、地质构造以及黄土的工程特性，编制了

黄土地区公路工程地质图（1：2000000），参考原公路路基规范，划分出东南区（Ⅰ区）、中部区（Ⅱ区）、西部区（Ⅲ区）、北部区（Ⅳ区）等四个工程地质区。重新统计了各区黄土的主要物理力学性质指标，是对原路基规范的补充和完善，为黄土地区的公路工程建设提供了宝贵的基础资料。

2 公路黄土高边坡地质结构模型研究

对黄土地区高速公路和一级公路，以及国道307、309、310、312、316、210、211、212、108、109等进行了现场调查。调查线路总里程近10000 km，实测公路黄土高边坡251处，编制出黄土高原地区公路高边坡分布现状及坡型图（1：2000000）。

依据黄土的成因时代、物质组成、结构构造及水文地质条件等，将黄土地区公路黄土高边坡划分为八大类，分别为新黄土单一结构（Ⅰ）、新老黄土组合型（Ⅱ）、老黄土单一结构型（Ⅲ）、老黄土与古黄土组合型（Ⅳ）、老黄土与红粘土组合型（Ⅴ）、黄土与基岩组合型（Ⅵ）、新黄土与阶地冲积层组合型（Ⅶ）和老黄土与红粘土及基岩组合型（Ⅷ）。编制出黄土地区公路高边坡地质结构类型图（1：2000000），总结了各地质结构模型的分布规律和特征，这对公路黄土高边坡稳定性分析以及防护设计都具有非常重要的实际意义。

3 黄土土性参数统计分析研究

采用传统法和规范法对各区黄土的主要物理力学指标进行了统计分析，结果表明新、老黄土的物理指标γ变异性低，其标准值与均值相差不大，但抗剪强度指标c和ϕ的变异性很大，依勘察规范所计算的标准值比均值成倍减小。因此在黄土高边坡设计中，黄土的物理指标可按标准值选取，而抗剪强度指标不宜采用标准值。

黄土层与古土壤层无论从物质组成，还是从物理力学性质均表现出明显

的差异。在古土壤底部的钙质结核层位，锥尖阻力成倍增大，有明显的峰值。因此，黄土土性的空间自相关距离从宏观上说应与其分层厚度基本一致。 由于新黄土（Q 3）和老黄土（Q 22 ）的层厚较大，古土壤层少而薄，因此在黄土高边坡稳定性分析中，可作为均匀土层对待。而对古土壤层较多的老黄土（Q 12）和古黄土（Q 1）应在详细研究其空间自相关性的基础上进行统计分析，或近似按厚度加权平均值选用。钙质结核层的存在对土体的稳定性是有利的，也应给予足够的重视。

4 非饱和黄土强度特性研究

① 通过大量室内试验，研究了非饱和黄土抗剪强度、结构强度与基质吸力（含水量）之间的关系，首次提出了用结构强度表示的抗剪强度公式：

s f q c λϕστ+'+'=tan 式中s q 为结构强度；λ是与土的结构有关的一个参数，反映出了结构强度对不稳定粘聚力的贡献。对于粉土、粉细砂、细砂、饱和土来说，粘聚力很小或者几乎没有，这时λ数值等于1.0，而对于粉质粘土和结构性黄土来说，λ数值大于1.0。该公式计算简单，参数确定简易，在实际工程中将有着广泛的应用前景。

② 在控制吸力的非饱和黄土三轴试验研究基础上，把结构强度引入非饱和土的非线性模型中，提出了一个较完整的非饱和黄土的非线性模型，

n

atm a atm a s f t p u kp u q c R E ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡'-+'+'-'--=3331sin )(2cos ][2))(sin 1(1σϕσϕλσσϕ ③ 采用先进的三轴CT 试验技术，研究了原状Q 3 和Q 2黄土剪切过程中的细观结构损伤规律，认为原状非饱和Q 3黄土的应力应变关系曲线是一种强硬化型，而Q 2黄土的应力应变曲线是弱硬化型。

5 首次开展了原状黄土边坡变形破坏机理离心模拟试验研究

在禹门口—闫良高速公路K173+079路堑边坡段，共取体积为100×70×50㎝3原状黄土样12件。其中，Q3土样6件，Q2土样6件。对不同坡型黄土边坡的稳定性、降雨对边坡稳定性的影响和黄土边坡的破坏特性与机理等进行了模拟研究。结果表明：

①黄土路堑边坡在破坏前发生急剧压缩沉降，而侧向位移不显著。若原状黄土边坡发生明显侧向位移，则边坡已发生破坏。

②对于高30～40m的直线形黄土边坡，当坡比为1：0.2~1:0.3时，其滑面形状上部为直立面，中部为一直线，下部为圆弧形。对于下陡上缓、下缓上陡型和台阶梯黄土高边坡，其滑面形状上部为直立面，中下部近似为圆弧形，形成滑塌破坏。

③边坡变形破坏是一个渐进过程，即坡高1／3处首先发生剪切破坏，

形成剪裂隙，接着边坡顶部产生张裂隙，随后边坡下部剪裂面与顶部

张裂隙不断扩展，最后滑裂面贯通，边坡发生整体失稳。

6 公路黄土高边坡稳定性研究

①对已建公路黄土高边坡的变形破坏类型、防排水措施及效果、植被发育状况等进行了调研，分析了影响边坡稳定性的主要因素。选择代表性黄土边坡，分别采用圆弧法、裂隙圆弧法和裂隙法进行了稳定性分析验算，发现圆弧条分法计算结果最大，裂隙圆弧法次之，裂隙法最小。裂隙法是针对线性坡型，坡高小于30m的情况下得出的。目前高等级公路黄土高边坡（大于30m）的坡型通常为阶梯形，在边坡开挖过程中逐级开挖，边坡侧向应力逐渐释放，边坡顶部出现深度一般较小的局部拉张裂隙。因此裂隙法夸大了边坡的实际裂隙深度，减小了滑弧长度，使得稳定性计算结果偏小，为此，本课题建议采用裂隙圆弧法对黄土高边坡进行稳定性评价。

②有限元模拟分析表明，边坡中部大平台的存在，将坡体分为两个相对独立的坡段（上、下段），剪应力在大平台附近形成向坡里移动的曲线，