CN111310356B - 一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法，属于山地灾害防治技术领域，包括：建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；建立荷载条件下边坡稳定性分析模型；建立耦合条件下边坡稳定性分析模型；对耦合条件下边坡稳定性分析模型进行改进，增加锚固参数，建立加固措施下边坡稳定性分析模型；根据加固措施下边坡稳定性分析模型建立返拱式挡墙结构；对返拱式挡墙结构进行分析，判断加固措施下边坡稳定性分析模型的合理性。该方法理论可靠，考虑外在影响条件全面，在建立模型后只需对参数进行改变就可以对边坡加固结构进行设计，操作简单，适用于工程设计。

Description

一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法

技术领域

本发明属于山地灾害防治技术领域，具体涉及一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法。

背景技术

黄土是一种典型的区域性特殊土，覆盖我国领土面积达6.31×105km²。黄土广泛分布在西北、华北与东北地区，尤其集中分布在被称为中央黄土高原的甘肃、陕西、山西、宁夏以及新疆等省区。我国很多黄土地区地形复杂，地质条件较差，存在着许多建筑边坡和道路边坡。在降雨和地震作用下边坡容易发生失稳。根据国内地质灾害统计情况，边坡失稳极易造成大量的人员伤亡和经济损失。

目前在工程上对边坡失稳分析的方法主要有计算机模拟、利用极限平衡理论对参与下滑力的计算、经验法。但是，在工程上常用的计算机模拟软件计算结果精度较差，虽然有计算结果较为准确的软件可以使用但是其参数较多，建模复杂不适用于工程使用。此外，通常使用的经验法及参与下滑力计算方法比较保守，在边坡治理中造成了大量的工程浪费。

针对现有评价及治理复杂问题，本发明基于降雨情况下入渗情况不同和极限平衡理论提出了一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法，旨在对边坡稳定性治理及工程安全评价提供一种新思路及实践指导。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法，包括以下步骤：

步骤1：对降雨条件下的边坡稳定性进行分析，建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

步骤2：对坡顶荷载条件下的边坡稳定性进行分析，建立荷载条件下边坡稳定性分析模型；

步骤3：对降雨和坡顶荷载耦合条件下的边坡稳定性进行分析，建立耦合条件下边坡稳定性分析模型；

步骤4：对所述降雨条件下边坡稳定性分析模型、荷载条件下边坡稳定性分析模型和耦合条件下边坡稳定性分析模型进行分析，根据分析结果对所述耦合条件下边坡稳定性分析模型进行改进，增加锚固参数，建立加固措施下边坡稳定性分析模型；

步骤5：根据所述加固措施下边坡稳定性分析模型建立返拱式挡墙结构；

步骤6：对所述返拱式挡墙结构进行分析，判断所述加固措施下边坡稳定性分析模型的合理性。

优选地，所述步骤1至3建立边坡稳定性分析模型的方法包括以下步骤：

(1)建立降雨条件下边坡稳定性分析模型

根据Fellenius理论得到一般情况下的边坡稳定性系数K；

式中，N_i为土条在滑动面法向压力；T_i为土条在滑动面切向力；θ_i为土条的坡度；l_i为土条所对应的滑动面长度；b_i为土条宽度；为内摩擦角；h_i为土条高度；γ为重度；G_i为土条所对应的重力；

以下根据Green-Ampt入渗模型对降雨条件下边坡稳定性分析模型构建步骤进行说明：

①确定降雨入渗率I和降雨入渗深度h_iˊ；

式中，Z_f为基质吸力；Q_s为土体饱和含水率，Q_i为土体自然含水率；H为坡体高度；α为坡度；q为降雨强度；t为降雨时长；t_p为降雨积水开始出现时间；k_s为土体饱和渗透系数；

综合上述公式，则

A.当降雨强度小于土体饱和渗透系数时，则

B.当降雨强度大于土体饱和渗透系数，根据公式(11)，则

②建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

综合以上求取的降雨入渗深度h_iˊ和降雨入渗率I并结合Fellenius理论，可以得到降雨条件下边坡稳定性分析模型，如下式所示：

式中，c为粘聚力；L为总锚固长度；

将滑动面看作直线，湿润锋平行于坡面，降雨入渗深度距离滑动面深度为S₁，入渗深度距离坡面部分距离为S₂，湿润锋前的土体含水率为土体天然含水率Q_i，湿润锋后的土体含水率为土体饱和含水率，通过仪器测量Q_s，则

综上所述，则：

(2)建立荷载条件下边坡稳定性分析模型

在均布于边坡坡顶上竖向条形荷载，滑动面为一条直线，O为滑动面上的某一点；

O点处产生的大小主应力σ₁、σ₃；

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f；

设O点为滑动面上一正方形土体单元，根据摩尔-库伦理论，

综上所述：

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f的简化；

当O点位于坡顶时，β₁＝0，丄式简化为：

(3)建立降雨和坡顶荷载耦合条件下边坡稳定性系数计算模型；

优选地，所述步骤4根据式(25)对锚固后的参数进行修正，针对下滑力主要为坡顶荷载、降雨入渗增加荷载和土体自身荷载；对于抗滑力而言主要增加锚固后增加的摩擦力、预加应力，如公式(26)所示，将加固措施尺寸及预应力大小代入加固后边坡稳定性评价模型，得到加固后边坡稳定性评价系数：

式中，c为粘聚力；l为整体滑动面长度；d为锚固直径；q_sik为摩阻力标准值；F为设计推力；H为支护高度；θ_j为滑动面与锚杆夹角；

(1)其中G₁、G₂如下：

①降雨强度大小土体饱和渗透系数

式中，h为滑面垂直高度；D为坡顶滑面到坡肩距离；t_s为降雨土体表面积水时间；

②降雨强度大小土体饱和渗透系数

(2)其中G_荷抗、G_荷下与G_直如下：

G_直＝P×m。 (33)

本发明提供的适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法具有以下有益效果：

(1)根据Green-Ampt(GA)入渗模型、极限平衡理论和滑坡稳定性分析理论，对降雨条件下(降雨强度分为大于土体饱和渗透系数与小于土体饱和渗透系数两种)、坡顶荷载作用下的黄土边坡稳定性进行了分析，并结合边坡防护基本理论构建了降雨条件和坡顶荷载条件下的边坡稳定性防护模型；

(2)本发明理论方法可靠，考虑外在影响条件全面，在建立模型后只需对参数进行改变就可以对边坡加固结构进行设计，操作简单，适用于工程设计；

(3)本发明可直接为边坡加固提供理论和技术支撑。

附图说明

图1为发明实施例1的适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法的流程图；

图2为本发明实施例1的反拱式挡墙平面结构示意图；

图3为本发明实施例1的反拱式挡墙正面结构示意图；

图4为结构防护示意图；

图5为配筋示意图(一)；

图6为配筋示意图(二)；

图7为边坡尺寸示意图。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案并能予以实施，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供了一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法，具体如图1所示，包括以下步骤：

S1：对降雨条件下的边坡稳定性进行分析，建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

S2：对坡顶荷载条件下的边坡稳定性进行分析，建立荷载条件下边坡稳定性分析模型；

S3：对降雨和坡顶荷载耦合条件下的边坡稳定性进行分析，建立耦合条件下边坡稳定性分析模型；

S4：根据步骤1～3可以知道，边坡稳定性的降低主要由于下滑力增大，因而边坡加固必须提高边坡抗滑力，为了提高抗滑力此处利用锚杆加固边坡原理对耦合作用下边坡稳定性分析模型进行改进，增加了锚固参数，得到了加固措施下边坡稳定性分析模型；具体为，对降雨条件下边坡稳定性分析模型、荷载条件下边坡稳定性分析模型和耦合条件下边坡稳定性分析模型进行分析，根据分析结果对耦合条件下边坡稳定性分析模型进行改进，增加锚固参数，建立加固措施下边坡稳定性分析模型；

S5：通过步骤4加固措施下边坡稳定性分析模型，可以知道边坡稳定性的增加需要提高边坡抗滑力参数，而本发明基于步骤4中的抗滑力参数构成，根据加固措施下边坡稳定性分析模型建立返拱式挡墙结构；

S6：对返拱式挡墙结构进行分析，判断加固措施下边坡稳定性分析模型的合理性。分析过程见后文，以工程实际为例，首先对无加固措施下的边坡稳定性系数进行求解，然后对加固措施下边坡稳定性系数进行求解。对两种结果进行比较，说明了返拱式挡墙结构的优势。

具体的，步骤1至3建立边坡稳定性分析模型的方法包括以下步骤：

(1)建立降雨条件下边坡稳定性分析模型

根据Fellenius理论得到一般情况下的边坡稳定性系数K；

式中，N_i为土条在滑动面法向压力；T_i为土条在滑动面切向力；θ_i为土条的坡度；l_i为土条所对应的滑动面长度；b_i为土条宽度；为内摩擦角；h_i为土条高度；γ为重度；G_i为土条所对应的重力；

以下根据Green-Ampt入渗模型对降雨条件下边坡稳定性分析模型构建步骤进行说明：

①确定降雨入渗率I和降雨入渗深度h_iˊ；

式中，Z_f为基质吸力；Q_s为土体饱和含水率，Q_i为土体自然含水率；H为坡体高度；α为坡度；q为降雨强度；t为降雨时长；t_p为降雨积水开始出现时间；k_s为土体饱和渗透系数；

综合上述公式，则

A.当降雨强度小于土体饱和渗透系数时，则

B.当降雨强度大于土体饱和渗透系数，根据公式(11)，则

②建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

综合以上求取的降雨入渗深度h_iˊ和降雨入渗率I并结合Fellenius理论，可以得到降雨条件下边坡稳定性分析模型，如下式所示：

式中，c为粘聚力；L为总锚固长度；

将滑动面看作直线，湿润锋平行于坡面，降雨入渗深度距离滑动面深度为S₁，入渗深度距离坡面部分距离为S₂，湿润锋前的土体含水率为土体天然含水率Q_i，湿润锋后的土体含水率为土体饱和含水率，通过仪器测量Q_s，则

综上，则：

(2)建立荷载条件下边坡稳定性分析模型

在均布于边坡坡顶上竖向条形荷载，滑动面为一条直线，O为滑动面上的某一点；

O点处产生的大小主应力σ₁、σ₃；

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f；

设O点为滑动面上一正方形土体单元，根据摩尔-库伦理论，

综上：

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f的简化；

当O点位于坡顶时，β₁＝0，丄式简化为：

(3)建立降雨和坡顶荷载耦合条件下边坡稳定性系数计算模型；

在上述基础上，由公式(1)可知，边坡稳定性系数大小为抗滑力与下滑力比值，当边坡进行加固后其原有抗滑力增大，增大部分为抗滑措施锚固力与抗滑措施对边坡滑动方向的一个预应力，而下滑力大小为除原有土体重力外的降雨入渗后的土体饱和重度与坡顶荷载在下滑力方向上的力，得到黄土边坡在加固后的边坡稳定性评价模型，模型适用于降雨条件下、荷载条件下和降雨与荷载耦合条件下加入防护措施后的边坡稳定性评价，步骤4根据式(25)对锚固后的参数进行修正，针对下滑力主要为坡顶荷载、降雨入渗增加荷载和土体自身荷载；对于抗滑力而言主要增加锚固后增加的摩擦力、预加应力，如公式(26)所示，将加固措施尺寸及预应力大小代入加固后边坡稳定性评价模型，得到加固后边坡稳定性评价系数：

式中，c为粘聚力；l为整体滑动面长度；d为锚固直径；q_sik为摩阻力标准值；F为设计推力；H为支护高度；θ_j为滑动面与锚杆夹角；

(1)其中G₁、G₂如下：

①降雨强度大小土体饱和渗透系数

式中，h为滑面垂直高度；D为坡顶滑面到坡肩距离；t_s为降雨土体表面积水时间；

②降雨强度大小土体饱和渗透系数

(2)其中G_荷抗、G_荷下与G_直如下：

G_直＝P×m。 (33)

为了对本实施例理论进行解释，此处对本实施例所涉及的参数符号进行说明，如表1所示。

表1发明参数说明

根据上述稳定性分析方法模型，本实施例提供了一种基于上述方法的黄土边坡加固的反拱式挡墙结构：

(1)根据上述构建的边坡稳定性分析模型，设计了一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙结构，如图2至图7所示：

(2)施工说明：

结构基础采用片石C25混凝土，反拱结构材料为C30混凝土。具体设计说明如下：

①本图尺寸标注单位为cm。

②结构材料为C30片石混凝土。

③开挖与浇筑混凝土同步进行，流水作业，第一级反拱坝体强度达到设计强度时，再行施工第二级反拱坝体。视坡体土质稳定情况，选定施工段落，危险地质段，可采用跳跃法施工。

④两级坝体平面间距为300cm,上级坝体位于下级坝体顶部下100cm。

⑤分段施工时，接茬部位预留50*50cm接茬石，在混凝土初凝前，进行拉毛作业。

⑥分级反拱坝体，全部施作完成后，在坝体分级位置，进行种植土回填，回填高过坝顶50cm，并预留1％漫水横坡。

⑦反拱作业完成，对山顶向下的断差位置，进行土体回填，回填线与原地面线保持一致，平顺衔接，稳固铁塔基础土体，从而保证原址的稳定。

⑧反拱坝体全部施工完毕后，对坝体进行绿化，以根系发达，固土效果较好的乔木为主，低矮灌木为辅，高低搭配，错落有致。

⑨工程数量表如表2和表3下：

表2每组反拱混凝土数量表

项目	规格	数量(m3)	每延米(m3)	备注
					开挖	土	41.76	4.5
基础	片石混凝土	33	3.6	C25
					反拱坝体	C30	12.2	1.7	C30
反拱堆砌	碎石	0.5
					排水管	碎石	8		PVC(m)

表3每组反拱坝钢筋明细表

(3)各部件说明

a基础为片石条形基础(抵抗基础虚土滑动，重力扩大型基础抵抗背侧土推力)；

b背土向垂直抗力，反作用于图纸结构；

c外露端为反拱型坝体，弧线型钢筋砼结构(分散土体应力，集中点位受力，化为线性荷载)；

d预留张拉土体孔径，在反拱中心部位。

工程实例

山西某黄土边坡，边坡高度为30m，为两级边坡。边坡土体主要为Q3黄土和Q2黄土两部分组成，由于地下水较深所以不考虑地下水对边坡的影响。边坡尺寸为：第一级边坡宽度为16.56m，高度为14m；二级边坡宽度为20m，高度为14m，中间平台宽度为2m。为了分析加固后边坡的稳定性状态，此处首先对边坡在降雨和荷载条件下的稳定性系数进行求解，然后对加固后的边坡稳定性系数进行求解。其中，土体的物理参数如表4所示；为了分析边坡稳定性，设置了三种外在影响条件下的边坡模型，其边坡外在荷载及降雨条件如表5所示。

表4土体物理参数

表5不同工况条件

项目	降雨强度	降雨时间	坡顶荷载	荷载面大小	距离坡顶
						工况一	6.9×10-7m/s	24h	200kPa	20m	20m
工况二	1.74×10-5m/s	36h	400kPa	15m	18m
						工况三	3.74×10-5m/s	48h	600kPa	10m	16m

加固结构参数如图2-6所示，将所有参数代入公式(25)、(26)可以得到自然状态下边坡稳定性系数与加固措施下的边坡稳定性系数，如表6所示。

表6不同工况下边坡稳定性系数

项目	稳定性系数	稳定性系数(加固)
			工况一	1.321	1.454
工况二	1.102	1.382
			工况三	0.842	1.324

加固措施工作机理：

本发明主要加固原理如下：

(1)本发明呈反拱型，结构本身增加了设计推力，增加了边坡的抗滑力；

(2)本发明反拱尺寸要大于其他锚固措施尺寸，增加了其锚固面积，同时也增大了防渗面积，减小了土体重度及下滑力。

以上所述实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种适用于黄土边坡加固的反拱式挡墙稳定性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对降雨条件下的边坡稳定性进行分析，建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

步骤2：对坡顶荷载条件下的边坡稳定性进行分析，建立荷载条件下边坡稳定性分析模型；

步骤3：对降雨和坡顶荷载耦合条件下的边坡稳定性进行分析，建立耦合条件下边坡稳定性分析模型；

步骤4：对所述降雨条件下边坡稳定性分析模型、荷载条件下边坡稳定性分析模型和耦合条件下边坡稳定性分析模型进行分析，根据分析结果对所述耦合条件下边坡稳定性分析模型进行改进，增加锚固参数，建立加固措施下边坡稳定性分析模型；

步骤5：根据所述加固措施下边坡稳定性分析模型建立返拱式挡墙结构；

步骤6：对所述返拱式挡墙结构进行分析，判断所述加固措施下边坡稳定性分析模型的合理性；

所述步骤1至3建立边坡稳定性分析模型的方法包括以下步骤：

(1)建立降雨条件下边坡稳定性分析模型

根据Fellenius理论得到一般情况下的边坡稳定性系数K；

式中，N_i为土条在滑动面法向压力；T_i为土条在滑动面切向力；θ_i为土条的坡度；l_i为土条所对应的滑动面长度；b_i为土条宽度；为内摩擦角；hi为土条高度；γ为重度；G_i为土条所对应的重力；

以下根据Green-Ampt入渗模型对降雨条件下边坡稳定性分析模型构建步骤进行说明：

①确定降雨入渗率I和降雨入渗深度h_iˊ；

式中，Z_f为基质吸力；Q_s为土体饱和含水率，Q_i为土体自然含水率；H为坡体高度；α为坡度；q为降雨强度；t为降雨时长；t_p为降雨积水开始出现时间；k_s为土体饱和渗透系数；

综合上述公式，则

A.当降雨强度小于土体饱和渗透系数时，则

B.当降雨强度大于土体饱和渗透系数，根据公式(11)，则

②建立降雨条件下边坡稳定性分析模型；

综合以上求取的降雨入渗深度h_iˊ和降雨入渗率I并结合Fellenius理论，得到降雨条件下边坡稳定性分析模型，如下式所示：

式中，c为粘聚力；L为总锚固长度；

将滑动面看作直线，湿润锋平行于坡面，降雨入渗深度距离滑动面深度为S1，入渗深度距离坡面部分距离为S₂，湿润锋前的土体含水率为土体天然含水率Q_i，湿润锋后的土体含水率为土体饱和含水率，通过仪器测量Q_s，则

综上所述，则：

(2)建立荷载条件下边坡稳定性分析模型

在均布于边坡坡顶上竖向条形荷载，滑动面为一条直线，O为滑动面上的某一点；

O点处产生的大小主应力σ₁、σ₃；

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f；

设O点为滑动面上一正方形土体单元，根据摩尔-库伦理论，

综上所述：

O点处所受的剪应力τ和抗剪强度τ_f的简化；

当O点位于坡顶时，β₁＝0，丄式简化为：

(3)建立降雨和坡顶荷载耦合条件下边坡稳定性系数计算模型；

所述步骤4根据式(25)对锚固后的参数进行修正，针对下滑力为坡顶荷载、降雨入渗增加荷载和土体自身荷载；对于抗滑力增加锚固后增加的摩擦力、预加应力，如公式(26)所示，将加固措施尺寸及预应力大小代入耦合条件下边坡稳定性系数计算模型，得到加固措施下边坡稳定性分析模型：

式中，c为粘聚力；l为整体滑动面长度；d为锚固直径；q_sik为摩阻力标准值；F为设计推力；H为支护高度；θ_j为滑动面与锚杆夹角；

(1)其中G₁、G₂如下：

①降雨强度大小土体饱和渗透系数

式中，h为滑面垂直高度；D为坡顶滑面到坡肩距离；t_s为降雨土体表面积水时间；

②降雨强度大小土体饱和渗透系数

(2)其中G_荷抗、G_荷下与G_直如下：

G_直＝P×m(33)。