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，natm 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，即剪应力发生偏转，难以形成圆弧状的剪应力轨迹，意味着发生破坏的可能性减小。
因此对于多级黄土高边坡，边坡中部大平台是保持黄土高边坡稳定的关键。
③通过实体工程降雨入渗试验和有限元数值模拟分析均表明，在百年一遇降雨条件下，坡顶和平台部位入渗深度为 1.5~2.0m，饱和带深度小于1m，坡比为1：0.4~1：0.5的坡面，入渗深度小于1m，饱和带深度小于50cm。
降雨入渗虽对边坡的坡面稳定性有一定影响，但对边坡的整体稳定性影响不大。
这与物理模拟实验结果基本一致。
7 公路黄土高边坡推荐设计坡型研究以“宽台陡坡”的设计理念，经过大量分析验算，并考虑到边坡地质结构模型和防护工程的实际需要，提出了黄土地区各工程地质区公路高边坡的坡型设计推荐方案（表1）。
该方案已在陕西省在建和拟建公路黄土边坡设计中推广使用，填补了现行公路路基设计规范中有关黄土高边坡设计的空白，对黄土地区的公路建设将产生深远的影响。
8 公路黄土高边坡防护技术研究①通过对土钉墙在绛法公路K1+616跨线桥黄土高边坡加固工程的应用研究，分析了土钉墙的作用机理，总结了土钉墙的施工工艺与质量控制。
认为在较详细掌握黄土的物理力学性质和高边坡可能出现的破坏机理的前提下，土钉墙加固公路黄土高边坡的高度可达30m。
这是对原有土钉墙应用范围的发展。
②选择阎良—禹门口高速公路芝川河桥头K30+125路堑边坡段、K173+079路堑边坡段、西安绕城高速公路南段K65+655分别采用平台植树、三维网厚层基材植草和三维植草防护方案，实验对比了各种方案的防护效果、造价和施工工艺，并采用先进的人工降雨系统对三种防护方案进行了现场冲刷试验，证明了平台植树是一种较理想的防护措施（照片1）。
制定了边坡坡面防护设计的基本原则和工作程序，提出了黄土地区公路高边坡防护的推荐技术（表2），对提高黄土地区公路边坡防护技术水平、保护生态环境、修订和完善有关规范都具有重要的理论指导和实际意义。
③提出了三种复合型生态防护技术设计、施工工艺流程、质量监测标准。
对比三种复合生态防护技术的施工工艺和工程造价，表明绿化防护板生态护坡技术优势更加明显（照片2）。
④总结了数十条黄土地区公路边坡排水设计经验与教训，对传统的平台截水沟进行了改进，提出了三角形、半圆形和蝶形三种平台截水沟的设计方案。
照片1 西禹高速公路K36+850处高边坡平台植树防护效果（种植一年后）照片2 黄陵-延安高速公路道南隧道出口绿化防护板生态护坡效果图9 公路黄土高边坡防护决策支持系统研建以GIS 为开发平台，建立了黄土高边坡基础信息数据库和专业评价模型库，通过系统集成，实现了信息的可视化提取、分析评价和基于“模糊综合评判”的边坡防护决策分析功能（照片3）。
系统主界面查询对话框边坡稳定性分析照片3 公路黄土边坡防护决策支持系统功能界面防护决策对话框②具有黄土、古土壤、钙质结核互层结构的坡体，单级坡比可取下限值。
③高等级公路坡比应取上限值。
④基岩出露部分，单级坡高可适当增大，不宜设大平台。
精品文档表2黄土地区路堑高边坡防护方案推荐表四、研究成果应用项目研究过程中，课题组始终贯彻“科学研究与工程实践紧密结合，为公路建设服务”的指导思想，通过对现场调查、室内试验、现场试验和分析计算结果的总结，及时将研究结果反馈给有关公路建设部门，为设计优化，方案变更提供了理论依据。
（1）本课题提出的“宽台陡坡”设计理念，在黄陵—延安高速公路43处黄土高边坡设计中得到全面应用，并在施工过程中对个别边坡根据现场调查和分析计算结果，及时调整了设计方案，保证了工程建设的顺利进行。
