建筑挡土墙毕业论文

14 届 本 科生毕业论文 存档编号

本 科 毕 业 论 文

土质边坡生态稳定技术研究

学 院 建筑工程学院 专 业 土木工程 班 级 1011 学 生 阮梦 指导教师 梁学战

2013 年 12月 17 日

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摘 要

随着科学技术的发展, 新型材料、 新技术已经运用到各个领域。人们

对生活质量上也有了很大的要求，而生态护坡，不仅能美化环境，降低噪音，减少光污染，保障行车安全，促进有机污染物的降解，净化空气，调节小气候。根据目前国内外土质边坡有关的生态护坡的发展现状，在对生态护坡概念分析的基础上，剖析了生态护坡的内涵，介绍了目前主要的生态型护坡技术，并且通过原有的土质生态护坡技术的基础上提出了“台阶式”轮胎固土护坡方法。我国生态护坡正处于发展阶段，生态护坡的前景、社会效益都不可估量，发展前景十分广阔。

关键词：土质边坡 生态护坡 稳定技术 台阶式

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ABSTRACT

With the development of science and technology, new materials, new technology has been applied to various fields. People also had the very big demand on the quality of life, and the ecological slope protection, can not only beautify the environment, reduce noise, reduce light pollution, safety, and promote the degradation of organic pollutants, purify air, adjusting microclimate. According to the development of the ecological slope protection at home and abroad, on the basis of analyzing the concept of ecological slope protection, analysis of the connotation of ecological slope protection, introduces the main ecological slope protection technology, and through the original soil ecological slope protection technology on the basis of \tires solid soil slope protection method is proposed. Ecological slope protection in our country is in a stage of development, the prospect of the ecological slope protection and social benefits are incalculable, promising prospects.

Key words: soil slopes terraced stable ecological slope protection technology

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目录

第一章 绪论 .............................................................. 4

1.1 生态护坡的内涵 ................................................... 4

1.2 生态原则 ....................................................... 4 1.2.1当地原则： .................................................. 4

1.2.2 保护与节约自然资源原则： ................................... 5 1.2.3回归自然原则： .............................................. 5 1.3 国内外发展现状分析 .............................................. 5

1.3.1 国外边坡生态防护发展 ....................................... 5

1.3.2国内边坡生态防护最新发展 .................................... 6

第二章 生态护坡方案选择 .................................................. 7 2.1生态护坡技术方案的选择 ............................................ 7

2.1.1人工种草护坡 ................................................ 7 2.1.2平铺草皮护坡 ................................................ 7 2.1.3液压喷播植草护坡 ............................................ 7 2.1.4三维植被网草皮护坡 .......................................... 7

2.1.5喷混植生植物护坡 ............................................ 7 2.1.6香根草护坡 .................................................. 8 2.1.7客土喷播植物护坡 ............................................ 8 2.1.8干根网状护坡 ................................................ 8 2.1.9植生袋护坡 .................................................. 8

2.2技术方案小结 ...................................................... 9

第三章 边坡的稳定性分析 ................................................. 10

3.1边坡稳定分析方法概述 ............................................. 10

3.1.1确定性分析方法 ............................................. 10

3.1.2不确定性分析方法 ........................................... 12 3.2利用极限平衡法计算边坡稳定性实例 ................................. 14 第四章 台阶式废旧轮胎固土护坡 ........................................... 16 4.1台阶式废旧轮胎固土护坡 ........................................... 16

4.1.1台阶式废旧轮胎固土护坡的方法及原理 .......................... 16

4.1.2台阶式废旧轮胎固土护坡的施工工艺 ........................... 17 4.2轮胎固土的力学分析 ............................................... 17 4.3应用效果分析 ..................................................... 19

第五章 结论与展望 ....................................................... 20

5.1结论 ............................................................. 20 5.2展望 ............................................................. 20 参考文献 ................................................................ 21 致 谢 ................................................................... 22

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第一章 绪论

1.1 生态护坡的内涵

边坡是指指具有倾斜坡面的土体或岩体,各种工程(如公路铁路，工业民用建筑，

矿山，水利水电工程等)及农业活动所形成的具有一定坡度的斜坡，堤坝，坡岸，坡地和自然力量(如侵蚀、滑坡、泥石流等)形成的山坡、岸坡、斜坡等都统称为边坡。边坡的特征是有一定坡度,自然植被遭到不同程度的人为或地质灾害破坏,易发生严重的水土流失；稳定性不高,易发生滑坡泥石流等灾害。生态护坡,也称为植物护坡；或者生物护坡，坡面生态工程，植被固坡，植物护坡，边坡绿化等。对于生态护坡,国内外目前尚无准确定义,一般指以环境保护和工程建设为目的的生物控制或生物建造工程,也指利用植被进行坡面保护和侵蚀控制的途径与手段。即用活的植物,单独用植物或者植物与土木工程和非生命的植物材料相结合,以减轻坡面的不稳定性和侵蚀。

因此,所谓生态护坡是指主要利用植物对边坡进行植被恢复措施,建立一个新的植物群落,已期达到恢复生态环境、治理水土流失之目的。因此,生态护坡是传统的边坡治理工程与植物种植工程相结合,确切地说是指开挖边坡形成以后通过工程技术手段在其上种植植物,利用植物对岩土体的根系锚固作用对边坡表层进行防护、加固,使之既能满足对边坡表层稳定的要求,又能达到恢复被破坏的自然生态环境目的的护坡方式。

生态护坡,应该是一个完整的生态系统,不仅包括植物,而且还应包括动物和微生物,是一个有机的整体。系统内部以及系统与相邻系统(如河流生态系统和陆地生态系统等)间均发生着物质、能量和信息的交换,具有很强的动态性。生态护坡包含2个层面的含义：首先是护坡,需要具备护坡的功能,在满足道路行驶要求的基础上,保证岸坡的稳定,防止水土流失,其要点是构建能透水、透气、调节水文过程，缓冲洪水，控制侵蚀，生长植物，截留降解污染物的生态防护平台；其次是生态功能,生态护坡要满足边坡生态平衡的要求,即要建立良性的护坡生态系统,形成由高大乔木、低矮灌木、地被植物、动物、微生物等组成有机的护坡生态体系[1]。

1.2 生态原则

生态护坡设计应与生态过程相协调，尽量使其对环境的破坏影响达到最小。这种协调意味着设计应以尊重物种多样性，减少对资源的剥夺，保持营养和水循环，维持植物生境和动物栖息地的质量，有助于改善人居环境及生态系统的健康为总体原则[2]。主要包含以下三个方面。

1.2.1当地原则：

设计应因地制宜，在对当地自然环境充分了解的基础上，进行与当地自然环境相和

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谐的设计。包括：

①尊重传统文化和乡土知识；

②适应场所自然过程，设计时要将这些带有场所特征的自然因素考虑进去，从而维护场所的健康；

③ 根据当地实际情况，尽量使用当地材料、植物和建材，使生态护坡与当地自然条件相和谐。

1.2.2 保护与节约自然资源原则：

对于自然生态系统的物流和能流，生态设计强调的解决之道有以下4条。 ①保护不可再生资源，不是万不得已，不得使用；

②尽可能减少能源、土地、水、生物资源的使用，提高使用效率；

③利用原有材料，包括植被、土壤、砖石等服务于新的功能，可以大大节约资源和能源的耗费；

④尽量让护坡处于良性循环中，从而使资源可以再生。[3]

1.2.3回归自然原则：

自然生态系统为维持人类生存和满足其需要提供各种条件和过程，这就是所谓的生态系统的服务。着重体现在以下几个方面。

①自然界没有废物 每一个健康生态系统，都有完善的食物链和营养级，所以生态设计应使系统处于健康状态；

②边缘效应 在两个或多个不同的生态系统边缘带，有更活跃的能流和物流，具有丰富的物种和更高的生产力，也是生物群落最丰富、生态效益最高的地段，河道岸坡作为水体生态与陆地生态之间的边缘带，在设计时应充分考虑其边缘效应；

③生物多样性 保持有效数量的动植物群，保护各种类型及多种演替阶段的生态系统，尊重各种生态过程及自然的干扰，包括自然火灾过程、旱雨季的交替规律以及洪水的季节性泛滥。[4]

1.3 国内外发展现状分析

1.3.1 国外边坡生态防护发展

目前，西方国家边坡生态防护手段，主要是利用先进的绿化工程技术恢复与重建边坡生态环境。一种是以欧美高养护型为代表的湿式喷播快速植草技术，另一种是以日本高投入为代表的客土及厚层生长基础喷播技术。早在 20世纪30年代，美国等发达国家

湖 北 文 理 学 院 建 筑 工 程 学 院 毕 业 论 文 第6页 就开始在公路边坡和机场空地进行植草恢复技术研究。到 20世纪50年代初期，美国制定了专门的法律法规，规范新建公路生态恢复技术研究和施工技术。在政府各项政策法规的扶持下，1953年Finn公司首先开发出了喷播机，实现了生态防护施工的机械化。日本的高速公路建设到20世纪60年代后期才拉开序幕。但是目前，日本的高速公路生态恢复技术处于世界领先地位，他们的策略是“环境优先、自然再生”。日本正在研究“特殊空间绿化技术”、“植被恢复技术”、“公路边坡绿化技术”、“景观仿真技术”等高新技术来恢复公路生态环境。此外，英国、意大利等国将加筋土技术与植被防护技术相结合，修建了包裹式的加筋土植草墙面的挡土墙[5][6]。

1.3.2国内边坡生态防护最新发展

我国对边坡生态防护研究较晚，但是最近几年发展较快。20世纪90年代，通过借鉴、引进、消化、吸收和创新，开始用湿式喷播、客土喷播、土工网垫植草等新型绿色防护技术。目前，国内部分地区，根据各个工程的具体情况，从生态防护的不同角度开展了公路生态保护的研究。如1996年，首次采用瑞士湿式喷播技术对云南省昆明一曲靖的高速公路边坡进行大规模植被种植；1999年海南省开始探索海南特色生态公路；2001年新疆规划“巴音布鲁克天鹅湖”时建成了旅游生态公路；2002年修建穿越秦岭的西安到汉中的高速公路时提出了秦岭山区高速公路建设生态保护技术研究的课题；2004年国家交通部在总结四川川九生态公路保护与环境建设成功经验的基础上，将云南小磨高速公路、重庆雷崇高速公路等 6条高等级公路作为生态建设典型示范公路；2005 年天宝生态高速公路修筑；2006年渝湛生态型高速公路（粤境段）建成。到目前为止，一方面特别是 2000年以后经各公路局、科研单位、大专院校以及工程施工单位多方的积极配合努力下，我国在高速公路生态防护技术和工程经验方面，还是取得了不俗的科研成果；但另一方面生态防护技术还不尽完善，需要各行各业通力合作，继续深入探讨，尤其是生态防护机理还有待进一步深入研究[7]。

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第二章 生态护坡方案选择

2.1生态护坡技术方案的选择

目前经过大量资料调研和,总结了主要的十种生态护坡类型及其特点,并归纳出了值得进一步推广应用的几项生态护坡工程技术。

2.1.1人工种草护坡

人工种草技术适用于坡度较缓的土质边坡,是一种施工简易,造价低廉的护坡方

法。草籽播种一般采用点穴法，草种应选择根系发达，绿化效果好，生命力强，耐粗放管理的植物,优先选择本地植物。[8]

2.1.2平铺草皮护坡

平铺草皮技术适用于较高较陡的土质边坡,也可铺在成岩作用差的软岩层和严重风化的岩层边坡上，具有施工简单、造价较低等特点。但其工程后期养护管理较为困难,造成草皮的成活率低,工程质量难以保证,达不到满意的边坡防护效果。

2.1.3液压喷播植草护坡

液压喷播首先把绿化草种、肥料、粘着剂、保水剂、纤维覆盖物、着色剂等与水按一定比例混合成喷浆,最后利用液压喷播机直接喷射到需要绿化的区域上，其特点是:施工简单,草种成活率较高，生态恢复效果明显，适用范围广，工程造价低廉。目前,国内的液压喷播植草技术发展迅速,得到广泛应用。[9]

2.1.4三维植被网草皮护坡

三维植被网是由多层塑料凹凸网和高强度平网复合而成的立体网结构“面层外观凹凸不平”材质疏松柔韧,留有90%以上的空间可填充土壤及沙粒,将草籽及表层土壤牢牢护在立体网中间。[10]该网固土效果极好，抗冲刷能力强。其中，三维网垫及植物根系可起到浅层加筋的作用,能够达到有效防护边坡的目的。该技术适用于设计稳定的土质和岩质边坡,特别是上质贫痔的边坡和上石混填的边坡可以起到固土防冲并改善植草质量的良好效果。

2.1.5喷混植生植物护坡

喷混植生植物护坡,首先在稳定岩质边坡上打入短锚杆，铺挂镀锌铁丝网或土工网

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后,然后采用专用喷射机,将拌和均匀的种植基材喷射到坡面上,植物能够利用基材所提供的营养物质进行生长发育,最终形成生态护坡。[11]该技术使用上不受地质条件的限制,但其施工技术相对较难,工程量较大。施工过程中如果喷播的基质材料厚度较薄,被太阳照晒后容易崩壳脱落；喷播的基质材料厚度较厚,重量过大,则挂网容易下掉.

2.1.6香根草护坡

香根草边坡绿化技术是通过种植香根草, 利用其生长旺盛、根系长且深扎, 兼有树木和草本的独特性质, 防止土壤侵蚀, 控制地面土粒的浅层移动,从而达到稳定坡面与恢复植被的方法。其适用于不稳定边坡,坡度较大，介于20～700之间, 表层土易形成冲沟和侵蚀，容易发生浅层滑坡和塌方。

2.1.7客土喷播植物护坡

客土喷播技术是将客土(植物生存的基础材料)、纤维、侵蚀防止剂、长效缓释性肥料和种子等按一定比例配合,加入专用设备中充分混合搅拌后, 通过空气压缩机压缩空气喷射到坡面上形成所需要的生育基础。喷播的厚度需要考虑植物在生育基础中生长的厚度以及边坡岩质情况，年降雨量及挖方边坡坡度,且植物的选择应尽可能采用乡上植物种类,并且模拟自然群落,采取乔，灌，草，合理配置。此技术的特点主要有:改良土壤结构,简化了公路植被养护管理；能在高大边坡岩石上为植物生长创造条件,也能满足对土壤要求严格的花草生长；边坡的绿化成林,可有效减少因水土流失而造成的灾害,且可大量吸收CO2,制造O2,净化空气,改善区域环境。

2.1.8干根网状护坡

该技术是在坡面上挖方格或菱形网,将干材埋入土中,使干材梢或其干部间断暴露,埋入土中的干材两侧生根,暴露部分萌芽成林，干根网状护坡法埋人土中部分约占干材的90%,而暴露部分约占10%,提高了苗木的成活率。土中的干材两侧生根,根系较直式发达,面积也大,且网络状本身也具有对坡面的防护作用,两相结合,起到固结土壤、防止水土流失的作用,克服了植物防护早期防护能力差的弱点,且按人的意志编织网状根系。与传统的污工防护和植物防护相比,无论施工前后期,固土护坡和生态效益两者兼备,同时兼有木材积蓄和生态保护的间接效益,该类护坡常用于北方或西北地区。[12]

2.1.9植生袋护坡

该技术可根据不同的场地而生产不同物种、不同规格的植生袋,从而营造出抗病虫害,抗逆性更好的乔灌草共生的生态植物群落。在具体施工中,应注意下列几个要点:边

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坡清理，彻底清除松动岩石，调整坡面，坡顶棱角，顺坡势在低凹处覆土；基质装袋,植生袋装填的绿化基质可按5份绿化基质、2份河砂、3份泥炭土以及少量复合肥；保水剂拌合,在边坡现场装袋；植生袋回填及锚固,已做好方格网或拱形混凝土工程防护的边坡,或坡度在1:0.75以下的低缓。边坡回填植生袋时通常可不用再加锚固,但注重不同规格植生袋的合理配置。对于较陡的边坡用铁丝网固定点播灌木种子，移栽小灌木,植生袋码放完成后,按物种要求点播种子并移栽小灌木,在施工操作时注意对植生袋的保护；养护,养护工作主要包含两个内容,一是对滑落的植生袋的及时补填；二是保证边坡植物的水一旦分供应(施工后两个月及入冬前各施一次肥)在草和灌木生长成坪，根系将边坡土层固定之后,进行日常的人工养护。由于其边坡草皮发芽快，出苗齐,形成草皮速度快,具有广泛适用性即基本不需要养护即可维持植物的正常生长的特点,被多个国家作为边坡绿化的常规方法大量应用。

2.2技术方案小结

(l)生态技术方案的选择在实际工程应用中至关重要,技术方案选择恰当则能使生态护坡的护坡效果达到最佳,因此在高速公路实际工程应用中的应用专业性较强。同时,由于各种技术方案的选材不同，施工工艺不同,其产生的生态功能效益有着本质上的区别。其中,人工种草护坡，平铺草皮护坡，液压喷播植草护坡，喷混植生植物护坡，客土植生植物护坡，是普通的绿化景观护坡,仅具有美观的价值,而喷混植生植物护坡由于受地质条件的制约,使得其施工工艺相对较难,因而其施工成本远大于其他四种护坡。三维植被网草皮护坡除绿化景观作用外，固土效果极好,能有效防止水土流失，骨架植物防护技术护坡，香根草护坡，干根网状护坡则是抗滑护坡和水土保持方案,其不仅具备恢复植被和绿色景观的内容,更重要的是具有固土保水和防止浅层滑坡与塌方的功能。[12] (2)生态护坡技术是随着我国各方面建设不断发展的,它是一门涵盖多门学科的交叉科学,目前为止生态护坡技术基本都是在工程实践的基础上进行不断总结的,对它的理论研究滞后于其技术的的发展,尤其是对生态防护部分的理论研究尤为不足,因此在工程实践过程中也就无统一的理论指导,由此导致生态护坡一直无法形成相关的工程质量检验标准。这为今后的设计、施工、监理等多方面带来诸多实际操作上的困难。[13]

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第三章 边坡的稳定性分析

3.1边坡稳定分析方法概述

边坡稳定是一个非常复杂的问题,其稳定性研究从最初阶段发展到今天,经历了一个从不完善到逐渐完善、从不成熟到逐渐成熟的过程。但总的说来,边坡稳定分析方法可以分为两大类:确定性分析方法和不确定性分析方法[15]。

3.1.1确定性分析方法

确定性分析方法是将影响边坡稳定的各种因素都作为确定的量来考虑。通常以计算安全系数为基础的,当边坡所能承受的荷载与所受外力之比大于某个值为安全。确定性分析方法是边坡稳定性分析的最基本方法,同时也是判断边坡是否稳定的重要依据。主要包括以下几种方法:极限平衡法(LEM)、有限单元法(FEM)、边界单元法(BEM)、界面元法(工SEM)、离散单元法(DEM)、不连续变形分析方法(DDA)、快速拉格朗日法等[14]。 l.极限平衡法

极限平衡理论是经典的确定性分析方法,在工程界应用非常广泛。具体作法是:将滑动趋势范围内的边坡岩土体按某种规则划分为一个个小块体,通过块体的平衡条件来建立整个边坡平衡方程,以此为基础进行边坡分析。极限平衡法的发展经历了一个漫长的阶段。上世纪20年代以前,对土质边坡稳定计算,一律只计土体的内摩擦角,并假定滑动面是平面,1773年法国工程师库仑和1857年英国学者朗肯分别提出的土压力理论就是这类方法的代表。1916年,彼德森和胡尔顿根据大量观测论证了某些土体(特别是有粘结力的土体)在发生滑动失稳破坏时,其滑动面是与圆柱面接近的曲面,在此基础上彼德森提出了圆弧滑面分析法,仍只计土的内摩擦力,并且不考虑土体内部土条间的相互作用力,这就是最初的瑞典圆弧法。30～40年代是瑞典圆弧法逐渐完善的时期,瑞典学者费兰纽斯将最初的圆弧法推广到兼有摩擦力和粘结力的土坡稳定计算中去,并初步探索了最危险滑弧位置的变化规律。40年代以后,不少学者致力于改进瑞典圆弧法,主要研究两个方向:一方面,不少学者致力于探索最危险滑弧的位置,制作数表、曲线,以减少计算工作,如泰勒、毕肖普、拉姆里和包洛斯等；另一方面,有不少人研究滑裂面的形状,如太沙基等。50～60年代,人们研究的主攻方向,一是如何在计算中考虑滑动土体内部土条间的相互作用力,二是研究如何将此法推广应用到任意形状的滑动面,这一阶段的研究成果表现在1954年简布提出普遍条分法的基本原理,1955年毕肖普明确了土坡稳定安全系数的定义。60年代以后,我国在土坡稳定分析方法的改进方面发展较快,如70年代潘家铮提出了滑坡极限分析的两条基本原理即极大值原理和极小值原理；1978年张天宝通过按

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瑞典法建立的简单土坡稳定系数函数的数值分析,全面归纳了最危险滑弧的变化规律；1981年孙君实在前人工作基础上,在土坡稳定分析的理论和方法方面进行了全面的研究,较好的解决了长期以来人们在计算中尚无法合理处理的滑动土体内土条间相互作用力的大小、方向和作用点位置的问题,在滑面形态的构成和寻求最危险滑面方法方面提出了行之有效的数值计算方法,深刻地揭示了土坡稳定问题的力学原理,推动了土坡理论的深入发展。 2.有限单元法

有限单元法(通常简称为“有限元法”)是目前使用最广泛的一种数值方法,在边坡稳定评价中也是应用得最早的方法之一,其优点是能充分考虑了岩土体的非均质以及边界条件的复杂性,因而能较好地模拟边坡的真实情况。通过有限元分析可以给出边坡内的应力场和位移场分布,如果进行逐步非线性分析,还可了解土坡的逐步破坏机理,跟踪土坡内塑性区的开展情况,避免了极限平衡分析中将滑体视为刚体而过于简化的缺点,同时还可以根据坡体内的应力、应变分布规律去分析边坡的边坡变形破坏机制。 3.界面元方法

卓家寿教授和章青教授提出了基于累积单元变形于界面上的界面应力元模型,建立了适用于分析不连续、非均质、各向异性和各类非线性问题、场问题,以及能够完全模拟各类锚件复杂空间布局和开挖扰动的界面元理论,为复杂岩土体的仿真计算提供了一种新的有效方法。因此,在边坡稳定分析中,该方法在模拟坡体内滑裂面开展情况有很大的优势。

4.灰色预测系统法

在边坡工程稳定性分析中,灰色预测系统法是将边坡视为一个灰色系统,根据影响边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异程序,来衡量各个因素间的关联程序,确定它们对边坡稳定性影响的主次关系,从而对边坡的稳定进行分析。目前在边坡工程中应用灰色系统预测模型进行滑坡发生时间的预测较多。对边坡进行稳定性分析时,以上各种方法均有自身的不足之处,因此,在进行边坡稳定性分析是,应综合应用各种分析方法,利用已有的工程经验进行定量和定性分析,只有将科学方法与工程经验相结合,才能更好地改进、完善上述方法,使之更好地应用于工程实践中。 5.不连续变形分析法

由石根华与古德曼提出的块体系统不连续变形分析法DDA是基于岩体介质、非连续性发展起来的一种崭新的数值分析方法。节理面切割岩体形成不同的块体单元,单个块体内部满足连续介质的变形协调方程和本构关系,但块体间不满足变形协调关系,块体间的本构关系是通过假定刚度来实现,DDA中的本构关系为块体所受的合外力与块体位移之间的关系。此法的计算网格与岩体物理网格一致,可以反映岩体连续和不连续的具体部位。它考虑了变形的不连续性和时间因素,既可以计算静力问题,又可以计算动力

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问题。它还可以计算破坏前的小位移,也可以计算破坏后的大位移,如滑动、崩塌、爆破及贯入等,特别适合于边坡极限状态的设计计算。DDA法是兼具有有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方法,其一个时间步内的求解过程更象有限元法,而在块体运动学求解方面更类似离散元法。但是岩体种类繁多,性质极为复杂,计算时间步长大小对计算结果影响很大,且需耗用大量的计算机内存及时间,计算方法的优化和改良还有待进一步研究。DEM和DDA的主要缺点在于引用了一些过于简单的假定和接触面上的弹性刚度,其在岩体工程中的应用受到了一定影响。 6.快速拉格朗日分析法

有限变形问题是针对塑性变化历程及延性破坏机制等问题提出来的。在处理有变形问题时,对材料的非线性给予考虑,使由变形造成的对内外力平衡的影响在计算中得以实现,所以需要一种兼顾材料非线性和几何非线性的一般解析方法。为了克服有限元等方法在求解大变形问题时的缺陷,人们根据有限差分法的原理,提出了FLCA数值分析方法,该方法较有限元能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特性,求解速度较快。其缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。它已有不少的商业程序,如FLAC-3D就是一显式时间差分解析法,它无需建立刚度矩阵,所需内存少,时间少,但也存在不足之处。 7.干扰能量法

干扰能量法是基于系统稳定性分析的能量准则。对于一个处于平衡状态的的物体,如果给予任意微小的扰动使其位移和形状发生变化,在干扰除去后,视能否恢复原来的形态来定义平衡状态是稳定或是不稳定的。由于能量值是标量,因此,用干扰能量值来反映稳定状态在边坡稳定分析中有一定的优势[16]。

3.1.2不确定性分析方法

不确定性分析方法在边坡稳定分析中应用最早大约出现在20世纪70年代初。一方面是由于一些新理论和方法如可靠度、人工智能等的出现;另一方面是由于在边坡工程设计和分析中涉及有大量不确定因素越来越被人们认识到,如岩体性质、荷载等物理方面的不确定性、取样、试验的统计不确定性,计算模型的不确定性和人为过失造成的不确定性等,这些不确定性造成的影响尽管通过提高岩石测试和计算技术的精度能在一定程序上减少,但局部试验的精确性、确定性并不能消除岩石性状宏观判断上的随意性和模糊性,而且不可能无限度提高单项试验的精度、规模和完善确定性计算方法,因此用较简单的测试手段来提高对岩石工程质量状态判断的精度,就显得十分必要,目前主要的不确定性方法包括可靠度方法、模糊数学法,人工智能法和灰色预测系统法等几种。 1.可靠度方法

可靠度方法是边坡稳定分析中应用最广的不确定性方法。边坡稳定分析中有许多的

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不确定因素:岩土层面及边界条件的不确定性、岩土性质的变异性、荷载及分布的不确定性和计算模型的不确定性等,而现行定值设计方法未深入考虑这种不确定性,使得土坡安全系数的可靠性往往受制于人为经验,这是安全系数法最大的缺点。近几十年来国内外已开始用概率和可靠度的方法研究土坡稳定问题。现在可靠性设计的方法也达到了实际应用的阶段。可靠度法随机变量的取值除了重度、粘聚力和内摩擦角外,还要考虑弹性模量、泊松比、剪胀角和侧压力系数对边坡安全系数的影响。可靠度研究,是一个系统的整体设计,必须研究其基础的每个部分(称为子系统部分)和积累资料。然而,在边坡稳定分析中,可靠法目前还没有像极限平衡分析那样得到广泛的认同和普及,其主要困难是设计公式本身往往具有相当大的误差,而且可能也有不按设计进行的施工。另外,从本质上讲,可靠度法本身并不深入研究边坡失稳的内在机理。 2.模糊数学法

模糊数学法是将模糊理论应用于边坡稳定性分析中,用隶属函数代替确定性分析法中非此即彼的量,对那些边界不清的过渡问题进行描述,应用模糊模式识别和模糊聚类分析方法对影响边坡稳定的因素进行分析,最后用综合评价理论对边坡稳定性进行总的评价。不足之处是备择集一般取稳定、基本稳定、不稳定三种状态,因而对边坡的评判较笼统,同时,由于隶属函数是依据一些基本原则确定,权重的分配多由经验确定,因而主观性较大。模糊数学方法一般适用于外延不明确,内涵明确的对象。 3.人工智能法

人工智能方法包括遗传算法、专家系统和神经网络控制等。遗传算法最早由Michigan大学的Holland等教授创立,它是一种自适应启发式群体型概率性迭代式全局收敛算法,是基于自然选择和基因遗传学原理的随机搜索算法,其显著特点是:不需要梯度信息,不要求函数连续,全局搜索能力强,适合于并行处理和大型复杂优化问题的求解,而且程序通用性强。人工智能中的专家系统的应用在于应用专家系统中的知识处理、知识应用和不确定性推理的技术来分析边坡的稳定性。人工神经网络是一种高度非线性映射处理系统,网络由许多计算单元(神经元)相互连接构成,而这些连接的强度(权值)可通过训练自动调整。人工神经网络的应用在于利用神经网络的学习和联想记忆功能,运用网络存储的领域知识对边坡进行稳定性分析。专家系统与神不连续性和时间因素,既可以计算静力问题,又可以计算动力问题。它还可以计算破坏前的小位移,也可以计算破坏后的大位移,如滑动、崩塌、爆破及贯入等,特别适合于边坡极限状态的设计计算。DDA法是兼具有有限元与离散元法二者之部分优点的一种数值方法,其一个时间步内的求解过程更象有限元法,而在块体运动学求解方面更类似离散元法。但是岩体种类繁多,性质极为复杂,计算时间步长大小对计算结果影响很大,且需耗用大量的计算机内存及时间,计算方法的优化和改良还有待进一步研究。DEM和DDA的主要缺点在于引用了一些过于简单的假定和接触面上的弹性刚度,其在岩体工程中的应用受到了一定影响。

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4.灰色预测系统法

在边坡工程稳定性分析中,灰色预测系统法是将边坡视为一个灰色系统,根据影响边坡稳定性的不确定性因素之间发展状态的相似或相异程序,来衡量各个因素间的关联程序,确定它们对边坡稳定性影响的主次关系,从而对边坡的稳定进行分析。目前在边坡工程中应用灰色系统预测模型进行滑坡发生时间的预测较多。对边坡进行稳定性分析时,以上各种方法均有自身的不足之处,因此,在进行边坡稳定性分析是,应综合应用各种分析方法,利用已有的工程经验进行定量和定性分析,只有将科学方法与工程经验相结合,才能更好地改进、完善上述方法,使之更好地应用于工程实践中[17]。

3.2利用极限平衡法计算边坡稳定性实例

如图所示,一均质粘性土坡,坡高20米,边坡为 1:3,土的内摩擦角??20?,粘着力C=1吨/米2,容重r=1.8吨/米3,试按极限平衡理论计算土坡的稳定安全系数。 计算步骤:

1、按比例绘出上坡的剖面图,

2、按极限平衡条件确定最危险的滑动面,其坡体滑块共分为三个区的非圆弧曲线滑动面 如图3-1所示：

图3-1三个区的非圆弧曲线滑动面

①非圆弧曲线滑动面的确定:

确定I区的轮廓,过 A、B两点分别作∠ABC =∠ACB=45 - 得 C 点。ABC为I 区滑块。

② 按对数螺旋线公式

?2r??t??eg 确定特征 区ACD 为I区滑块得D点。 r0

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③确定I区的轮廓、过D点作 ∠ADE= 90?? 得 E 点,即ADE为I 区的滑体。 3、计算 I、Ⅱ、Ⅲ区的重量,首先 求 出I、Ⅱ、Ⅲ 区的面积〔Ⅱ区对数螺旋线的面积

1AC2?AD2〕乘以土的容重,即得 各区 的 自重W?、W?、WIII 为?4tg?i???4、计算I、Ⅱ、Ⅲ区的CiLi〔I区对数旋线的LII?由图3-1量得〕。

1tg?i?AC?AD?〕及Nitg?i〔 Ni5、用图解法作力的多边形,从图上按比例量得R值。 6、将求得的R,CiLi,Nitg?i如 代 人式 Ks?11?R 得稳定安全

nii?CL??Ntg?iii?1i?1n系数Ks=

1?1.83

?4601?102?910

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第四章 台阶式废旧轮胎固土护坡

4.1台阶式废旧轮胎固土护坡

随着生态护坡的越来越多样性，我们从原有的传统型护坡，一直不断探索到现在的生态护坡。护坡，不仅仅只是只是简单的保护边坡，更多的是从生态方面考虑。随着科技的日新月异，资源也消耗的越来越快，现如今，人们更加注重资源的再利用以及生态的环保。而随着车辆的暴增的今天，大量的废弃轮胎处理成本越来越高，通过废旧轮胎的再利用，采用废旧轮胎故土护坡来有效解决资源的再利用。由于废旧轮胎故土护坡对轮胎的使用量很大，通过对前者的改进，衍生出台阶式废旧轮胎固土护坡。不仅将资源再利用，而且更加完美的诠释了生态。

图4-1台阶式废旧轮胎固土护坡

4.1.1台阶式废旧轮胎固土护坡的方法和原理

台阶式废旧轮胎固土护坡是利用台阶的原理将边坡分成若干个小边坡和中间的平缓地带，也就是将一个整体划分为若干个小整体，再加以防护，从而达到将复杂转化为若干个简单易行。

如图4-1台阶式废旧轮胎固土护坡所示，在每段小边坡(坡面)处采用轮胎固土护坡的方式，在采取标准填土法（见图4-2）后，在其表面的客土上点上草籽；在每处平缓地带种植树木用于防止水土流失。其中，每段平缓地段（马面）宽度为2m～3m，便于树木的种植。

台阶式废旧轮胎固土护坡的优点：

①防冲刷、防风化，通过废旧轮胎连接成整体,起到较好的固土效果，加之再间植树木；充分防止原暴露而受降雨冲刷的土质边坡得以有效的支护,尽可能地做到了防止水土流

湖 北 文 理 学 院 建 筑 工 程 学 院 毕 业 论 文 第17页 失,同时也使边坡处于稳定状态。

② 大量减少了轮胎的使用量（平缓地带不需要轮胎的固土护坡）。

③节约工程投资,既达到了固土，防止水土流失，又能很好的和土壤契合（抗滑力强）。

台阶式废旧轮胎固土护坡相对于废旧轮胎固土护坡的不同：

①前者采用台阶式，大大减少了轮胎的适用数量，而后者轮胎使用数量较大 ②前者不仅种植草皮护坡，更加种植树木，使生态系统更加完善，而后者植物比较单一，边坡景色比较单调

4.1.2台阶式废旧轮胎固土护坡的施工工艺

①边坡清理：边坡清理是将容易滑落、影响边坡稳定的杂土、松散层等清理掉,使坡面尽可能平整,以利于铺设废旧轮胎施工,同时增加坡面绿化效果。在施工之前坡面处理成如图4-1所示，并且凹凸度控制在?10cm左右。

② 铺设废旧轮胎：施工根据边坡土质及坡率的具体情况,将废旧轮胎从坡脚至每段台阶处（台阶上不用铺设轮胎）逐一铺设,且将各个单体的废旧轮胎用防腐性好材料连接起来,形成覆盖于坡面的整体柔性结构,然后在废旧轮胎空隙处置入经拌和具有一定稠度的客土（标准填土如图4-2所示）,直至全部覆盖废旧轮胎约10cm厚，再撒布草种,进行定期养护和观测。

③在每处的台阶上面种植一些适合于当地生长的一些树木，并用砖块圈围砌筑（做成公路人行道上绿化）[18]

图4-2标准填土法

4.2轮胎固土的力学分析

在固土量上,按标准填土法(见图4-2),每条轮胎可固土50kg左右,平均贮土厚度为15 cm左右,不但可以满足普通播种植物的萌发生长要求,还可进行播茎和栽植小灌木等

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图4-3轮胎与坡面的受力示图

施工操作,而喷播客土和土工格室固土的固土厚度一般在10cm左右,且只能进行种子播种,不能进行播茎和栽植小灌木。在保水性上,轮胎具有得天独厚的优势条件,在适量降水的情况下,除滋润表土外,多余的水分集存在轮胎下部,缓慢被植物根系吸收,不会出现水分流失和渗漏。据测,坡面上每条轮胎的最大保水量可达5～8kg。暴雨期间,当轮胎中的水分饱和后,多余的水分通过下渗或从轮胎边缘与缝隙间排走,而不会造成轮胎内的土壤径流,从而保证植物良好生长。[19]

坡面上,设轮胎填满土后饱和湿度状态下的重量为G,在坡度为lx的边坡上沿坡面的下滑力为F1,对坡面产生的压力为F2,轮胎Fm与坡面间的摩擦力为(图4-3所示)。则产生的实际下滑力为F1?Fm。据测,标准轮胎(直径55cm,宽20cm)[20]填土后,在饱和湿度状态下的总重量为58kg,设橡胶轮胎与粗糙岩石坡面间的摩擦系数为0.7,在不同坡度 面上的受力情况分解列于表2。可以看出,随着坡度的增加,下滑力增大,摩擦减小。在坡度小于11.5的缓坡上,由于最大静摩擦力Fm大于下滑力F1,加之轮胎本身的承重力和坡顶主锚杆的拉力,坡面可以不用或少用锚杆进行固定;在坡度小于1/1的情况下，下滑力减去最大静摩擦力后产生的实际下滑力?F1?Fm?在10kg以内,为防止下滑,除轮胎之间用铅丝相互串联外,平均每3条轮胎用1根直径为14mm,长为45～50 cm的钢筋锚杆固定;在坡度不大于10.8的情况下,实际下滑力在20kg以内,平均每2条轮胎用1根锚杆固定即可;在坡度大于10.7的情况下,实际下滑力超过了20kg,每条轮胎均需1根锚杆固定。

表1：标准填土与满填土的特点 方法 标准填土法 满填土 1、填土适中,减缓表面坡度,土壤不会自1、填土量大,不能改变表面坡度,土壤容动下滑 易自动下滑 特点 2、不易造成冲刷 2、容易造成冲刷 3、轮胎上部空间对植物生长能起一定的3、表层植物无遮挡保护 保护作用

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表2：轮胎最大饱和固土量（G?58Kg）在不同坡比下的受力分配

正压力 摩擦力 实际下滑力 坡比 xl 下滑力 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

F1?G1?x232.17 33.71 35.36 37.13 39.02 41.01 43.11 45.29 47.52 49.73 51.88 53.85 55.55 56.87 57.71 58 ???12 F?xF F?0.7F F?F m21m2148.26 47.2 45.97 44.56 42.92 41.01 38.8 36.23 33.26 29.84 25.94 21.54 16.67 11.37 5.77 0 33.78 33.04 32.18 31.19 30.04 28.71 27.16 25.36 23.28 20.89 18.16 15.08 11.67 7.96 4.04 0 (-1.61) 0.67 3.18 5.94 8.97 12.3 15.95 19.93 24.23 28.85 33.72 38.77 43.89 48.91 53.67 58

4.3应用效果分析

近年来随着国家的不断发展和建设的需要，环境保护愈加重要，通过废旧轮胎连接成整体,起到较好的固土效果。解决了将大量废旧轮胎变废为宝，废旧轮胎固土植草施工工艺简单,容易掌握,从而可以大大降低工程投资。在施工方面，不仅减少了土方的开挖，而且，在原来的轮胎固土护坡方法上，大量减少了轮胎的适用数量；造价上有了明显的降低；环境方面，更加完善了了生态系统，使风景更加优美！

经济分析：同过减少轮胎的使用数量来节约回收废旧轮胎的成本，另外，在原有较陡的边坡开挖土方上，可以大大的减少土方的开挖量，尽量不破坏当地的生态环境，一次来节约经济成本。

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第五章 结论与展望

5.1结论

本文通过综合国内外边坡生态防护实践和研究经验，各种方法各有利弊并分别适用不同的边坡.在特定的自然条件和经济技术条件下，应该因地制宜地选用这些方法.并且介绍了边坡稳定分析方法，通过实例进行分析了边坡的稳定性。通过文献检索、资料搜集、系统整理、对比研究等一系列方法，在轮胎固土护坡的基础上提出了“台阶式”轮胎固土护坡的思想，并通过一系列的力学分析，明确的阐述了“台阶式”轮胎固土护坡的效果。

5.2展望

总之，我国边坡生态防护工作还处于不断探索的阶段，其相关理论研究和工程技术还不够完善。本文通过边坡生态防护研究，初步得出了一些边坡生态建设的方案与措施，存在一定的局限性，边坡生态防护的最终效果优劣性和实用性需要通过不断的实践和检验，只有这样才能更加科学和透彻地理解各种防护形式的优劣，探寻出适合不同地区的边坡生态防护形式。当然，开发新材料运用到生态防护中也迫在眉睫，在科技迅速发展的时代，充分利用科学技术来进行生态防护也是非常重要的。

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致 谢

在本论文即将完成之际，谨此向我的导师梁学战博士致以衷心的感谢和崇

高的敬意!本论文的工作是在梁博士的悉心指导下完成的。梁博士以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风给我留下了刻骨铭心的印象，这些使我受益匪浅，并将成为我学习的榜样。

在写论文的这段时间里，导师不仅悉心指导我一些专业知识，而且还教会了我一些书本上没有的东西，同时在思想上、人生态度和意志品质方面给予了谆谆教诲，这些教益必将激励着我在今后的人生道路上奋勇向前。

真诚感谢梁博士，他们不仅在学术上给我指引，而且在生活上予以帮助，从他们身上我学到很多知识。

由衷感谢我的室友同学，他们开创性的思维拓展了我的学术视野，无数次的争论和探讨对我的论文帮助巨大。

衷心的感谢我的父母和其他亲朋好友对我的关心、支持和理解，没有他们对我的关心、鼓励和支持，我无法完成现在的毕业论文。

最后，感谢曾经教育和帮助过我的所有老师。衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的老师和博士们!

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