摘 要

珠三角环线高速公路K0 974～k1 140段滑坡是典型的牵引式滑坡，滑坡坡脚面临高速公路，危害性大，必须及时采取治理措施。在查明滑坡工程地质条件的基础上，分析滑坡的形成原因，研究滑坡的稳定性。阅读大量前人的研究文献，认真总结了各种支护结构的应用情况，最终选择了预应力锚索作为支护方案。预应力锚索支护结构是边坡工程中常用的整治结构。预应力锚索可以改变滑坡受力状况以达到稳定状态，并且其结构质量轻，经济合理。

本文的主要工作是查明该滑坡的工程地质条件，研究影响滑坡稳定性的各项因素，对滑坡的稳定性进行评价。根据稳定性评价结果，结合实际工程地质特征，设计预应力锚索加地梁的支护结构。利用FLAC3D数值分析软件建立符合实际工程的计算模型，对滑坡治理方案进行验证。

关键词：预应力锚索；地梁；滑坡稳定性；数值模拟

Abstract

The landslide of K0 974 ~ k1 140 section of link expressway of Zhujiang Delta is a typical traction landslide. The slope facing the highway landslide, caused great harm, must take timely measures. On the basis of finding out the engineering geological conditions of the landslide, this paper analyzes the cause of the formation of the landslide and studies the stability of the landslide. I read a large number of previous research literature, carefully summarized the application of various support structures, and select the prestressed anchor cable structure. The prestressed anchor cable structure is a common renovation structure in slope engineering. The prestressed anchor rope can change the stress condition of the landslide so as to achieve the steady state.

The main work of this paper is to find out the engineering geological conditions of the landslide, and study the factors that affect the stability of the landslide, and evaluate the stability of the landslide. According to the stability evaluation result, combining the actual engineering geological characteristics, I design the supporting structure of prestressed anchor cable and ground beam. I use the FLAC3D numerical analysis software to establish the calculation model which accords with the actual project, and validate the landslide treatment scheme.

Key words: prestressed anchor cable; lattice beam; landslide stability; numerical simulation

目录

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 滑坡稳定性研究现状 1

1.2.2 预应力锚索研究现状 2

1.3 本文研究的主要内容与工作 3

第2章 滑坡概况

2.1 滑坡的地质状况 5

2.1.1 地形地貌 5

2.1.2 地层岩性 5

2.2 水文及水文地质条件 6

2.3 滑坡的类型及破坏模式 6

2.4 滑坡的成因及影响因素 6

第3章 滑坡稳定性分析

3.1 滑坡稳定性的定性评价 8

3. 2 滑坡稳定性计算模型 9

3.2.1 滑坡荷载及影响因素 9

3. 2.2 计算模型 10

3. 3 滑坡计算参数的确定 10

3.3.1 自重 10

3.3.2 抗剪强度指标值 10

3.4 极限平衡法稳定性分析与评价 11

3.4.1 极限平衡理论计算方法 11

3.4.2 滑坡稳定性计算 12

3.4.3 滑坡推力计算 13

第4章 预应力锚索结构设计

4.1 预应力锚索设计 17

4.1.1 锚索构造 17

4.1.2 锚索承受的荷载 18

4.1.3 确定锚索钢绞线规格 18

4.1.4 锚索设置位置 18

4.1.5锚固力及锚索间距确定 18

4.1.6 锚固体设计计算 19

4.2 地梁设计 20

4.2.1 地梁受力计算 20

4.2.2 地梁结构设计计算 20

第5章 滑坡支护方案稳定性验算

5.1 有限差分法软件FLAC3D原理与分析方法简介 23

5.1.1 有限差分软件FLAC3D简介[17] 23

5.1.2 FLAC3D优缺点 24

5.2 预应力锚索支护方案的数值分析 24

5.2.1 滑坡模型建立 24

5.2.2 计算结果及分析 26

5.3 预应力锚索滑坡治理的数值模拟 27

5.3.1 模型的建立和材料参数的选取 27

5.3.2 模拟结果分析 28

第6章 结论 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

边坡是在地球表面广泛分布的一种地貌景观，在自然状态下边坡一般处于稳定，但是因为水流的侵蚀、地震、强降雨作用和基础设施工程的建设等外在因素的影响，会破坏边坡的平衡状态，造成边坡失稳，形成滑坡，滑坡是一种十分常见且影响巨大的自然灾害。它会损坏道路交通、堵塞水道、破坏工程建筑、掩埋村落，严重影响人类的生产生活，造成非常巨大的经济损失，甚至威胁到人们的生命安全。

滑坡地质灾害在地球上随处可见。纵观人类历史，由于边坡失稳引发的滑坡造成的重大事故为数不少。1903年在加拿大的弗朗克镇附近发生滑坡，这次灾难事前没有任何预兆，体积巨大土体向前移动几公里的距离，将一个工厂完全掩埋，并且摧毁了部分城镇，至少70人在这次灾难中丧生。1963年在意大利东北部的瓦依昂水库，一起灾难性的滑坡导致至少2.5亿m³的岩土体直接落入水库，体积巨大的岩土体产生的涌浪直接越过坝顶，巨量的洪水涌向下游，五个村庄被完全摧毁，约2000～3000在这次灾难中丧生。我国国土面积幅员辽阔，地质环境多种多样，山地面积居多，是滑坡灾害频发的国家。1981年宝成铁路1357km处发生滑坡，破坏铁路隧道，中断运输13天。1985年，湖北省秭归县长江北岸发生新滩滑坡，体积达3000万立方米，摧毁新滩镇，堵江达三分之一。2015年在深圳市光明新区发生一起山体滑坡事故，事故造成33栋建筑物被不同程度的损坏，69人遇难，8人失联。

自改革开放后这三十多年以来，随着我国经济建设的蓬勃发展，铁路公路工程建设大量进行，滑坡治理成为一个日益严峻的问题。本文以珠三角环线高速公路k0 974～k1 140段滑坡为工程实例，查明滑坡的工程地质条件，研究滑坡的形成原因，对滑坡稳定性进行分析，提出治理方案，并通过FLAC数值模拟软件对方案进行分析验证。本次研究对滑坡治理工程具有重要的参考价值。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 滑坡稳定性研究现状

滑坡的稳定性研究涉及到人民生活和国民经济的各个领域，随着社会经济的不断进步，交通工程、水利水电等基础设施的建设，滑坡灾害直接威胁到人类的经济建设活动。从上个世纪中叶起，人类就开展了对滑坡现象的研究，经过半个多世纪的研究发展，得到了很多滑坡稳定性评价的方法，目前国内外广泛采用的有极限平衡分析法和数值分析方法。

极限平衡分析方法将组成滑坡体的岩土体块视为刚体，以莫尔—库伦抗剪强度为基础，运用理论力学原理研究滑坡处于平衡状态下满足的条件，滑动面可以简化为圆弧形、平面或折线形。如瑞典条分法^[1]，由瑞典人费兰纽斯第一次发明出来，这个方法把滑坡滑动面假定成为圆弧面，在计算的过程中没有考虑各个条块之间的相互作用力，此方法经常应用于用于土质滑坡；毕晓普法^[2]考虑了各个条块间的水平作用力，但没有考虑条块间的竖向剪切力作用；传递系数法^[3]将滑动面简化为折线形，根据滑坡滑动条块上的平衡条件，沿着滑坡倾斜方向从上到下逐一求解上一条块对下一条快的推力，以最后一个条块的推力判别滑坡的稳定性。除此之外，还有Spencer法、楔形体法、Sama法等基于极限平衡理论的研究方法^[4]。

数值模拟是对地质原型的抽象，然后借助数值分析方法计算不同工况条件下岩土体中的应力状态，并判断边坡的稳定性等课题^[5]。数值分析方法考虑了岩土体的应力应变关系，既能算出岩土体内一点的应力，也能算出位移，解决了极限分析法不能计算滑坡变形的缺点^[6]。目前，工程中常用的数值分析法有有限差分法、有限元法、离散元法、无单元法、数值流形法等^[7]。数值分析方法考虑到滑坡岩土体的不连续和非均质的特性，可以近似的从岩土体的本构关系分析滑坡的破坏机理和变形^[8]。

近些年来，随着学科的交叉渗透，模糊理论、非线性理论、非均质理论、可靠度分析理论等在滑坡研究中的广泛应用，为滑坡稳定性的研究提供了新的途径^[9-10]。

1.2.2 预应力锚索研究现状

预应力锚索这种支护结构广泛应用于加固岩土体，它通过施加在锚索上的张拉预应力来改变岩土体内部的受力状态，使被加固岩土体达到稳定。它将钢绞线置于事先打好的钻孔内，利用水泥浆体把钢绞线固定在稳定性较好的岩层中，然后在被加固体的表面对钢绞线施加张拉预应力，从而使被加固体稳定性得到改善^[11]。

图1.1 预应力锚索

锚索技术来源于国外，大约在十九世纪三十年代，阿尔及利亚工程师A.Coyne 首次使用锚索加固水电工程的坝体，该创新性的加固方案取得巨大成功。此后三十年间，锚索加固技术广泛应用于工程实践中，与之相关的设计方法、加固理论以及相关规范也逐步出现和完善^[12]。我国从60年代开始在工程建设中应用预应力锚索支护结构。1964年，梅山水库在坝基加固中首次采用锚索支护方案，并且取得了成功。此后，这种支护技术在我国公路、铁路、水利水电等工程中开始广泛应用，发展迅猛，并且制定了相关的技术规范^[13]。

预应力锚索加固技术能够有效改善岩土体内部的受力状况，结构重量轻，用材量少，是一种经济高效的整治工程边坡的技术。预应力锚索还可以与其他结构物组合成为新型支护结构，如锚索抗滑桩、锚索板桩墙、锚索地梁、锚索格构梁等。预应力锚索工程常用于桥基加固、地下工程、深基础工程、边坡加固和滑坡整治等^[14]。

1.3 本文研究的主要内容与工作

本文以珠三角环线高速公路k0 974～k1 140段左侧滑坡为工程实例，进行理论分析和数值模拟，在查明该滑坡的工程地质条件基础上，分析滑坡形成的原因，计算滑坡稳定性，采用了预应力锚索治理方案，并通过FLAC数值模拟软件对支护方案进行分析验证。本文的主要研究内容如下：

（1）查明滑坡的工程地质条件，判断滑坡形成机理，用FLAC数值分析软件模拟滑坡形成过程。

（2）根据野外勘测以及室内土工实验结果，通过反演分析、经验类比等方法，获得滑坡稳定性分析所需的土体的物理力学参数。对滑坡进行稳定性分析，计算滑坡剩余下滑力。

（3）计算预应力锚索的设计锚固力、锚固长度、布置间距，确定预应力锚索的布置方式以及外锚地梁的结构设计。

（4）利用FLAC数值分析软件对支护方案进行模拟验证。

第2章 滑坡概况

2.1 滑坡的地质状况

2.1.1 地形地貌

该滑坡位于珠三角环线高速公路k0 974～k1 140段，处于黄冈至花山段内。边坡处于低缓的丘陵地带，地势整体呈现出左边比较高右边比较低的趋势，上面边坡陡峭下面边坡平缓的趋势，地形起伏比较大，坡顶最大标高 62.89m，滑坡顶部地形较缓。滑体平面大致呈半圆形，滑坡后缘高程 54.19～63.33m，前缘标高 25.36～44.89m，中后部相对较平缓，坡角 3～17°，前部较陡，坡角 18～49°。滑坡体拉张裂缝发育。

据勘察资料和野外地质调查，滑坡的地层特征简单，地层是单斜构造，没有发现特征明显的断裂构造，地层的主要组成是第四系坡残积层及泥盆系泥岩、泥质粉砂岩的风化层，地层产状较为陡。岩层产状145°∠54°。倾向与坡向基本一致，岩石倾角大于山坡的坡角，为顺向坡。

2.1.2 地层岩性

滑坡区原始分布的地层主要为第三系的泥岩、泥质粉砂岩、第四系坡残积成因粉质粘土。边坡滑动以后，滑体范围内包括滑坡堆积区在内的岩土体的特征已经发生改变，这一部分的岩土层，均属于滑坡堆积体，现按边坡滑动后的现状，由新到老的顺序分述如下：

1、第四系全新统

（1）滑坡体：褐黄、紫红等色，松散～稍密状，由原始堆积的坡残积粉质粘土以及全风化的泥岩、强风化的泥岩、泥质粉砂岩组成，由于滑移、搬运等作用，原岩土的结构被不同程度破坏、扰动。

（2）粉质粘土：颜色为黄褐色，可塑状，土质比较均匀，粘性一般，揭露层厚 1.00～7.60m。该层主要分布于线路路基段，该层部分在滑坡滑移体之内。

2、泥盆系

该组为陆相沉积，主要由泥岩和泥质粉砂岩组成，岩层产状：145°∠54°，倾向与坡向小角度相交。

（1）全风化泥岩：仅钻孔 ZK9、ZK12 有揭露，黄褐色，岩体结构风化破坏严重，但依然能够辨别判断，岩芯呈现土状,在水的作用下容易软化、破碎。揭露厚度 10.00-11.90m。

（2）全风化泥质粉砂岩：所有钻孔均有揭露。黄褐色、浅紫红色，岩体结构风化破坏严重，但依然能够辨别判断，岩芯呈现土状,在水的作用下容易软化、破碎。揭露厚度 0.70-28.20m。其中浅紫红色含粘粒较多，为滑坡体的主要成分。

（3）强风化泥质粉砂岩：所有钻孔均有揭露。褐黄色，岩体结构大部分风化破坏，岩芯呈现半岩半土状,在水的作用下容易软化、破碎。揭露厚度 1.20-10.30m。

（4）中风化泥岩：仅钻孔 ZK8 有揭露。揭露厚度 3.60m。

（5）中风化泥质粉砂岩：大部分钻孔有揭露。揭露层厚3.60-24.80m。

2.2 水文及水文地质条件

滑坡地区属亚热带季风气候，因靠近海洋，气候暖和、潮湿多雨，气温的四季变化幅度和白天夜晚的差别很小，几乎没有霜冻及酷热天气存在。降雨量十分充足，历年来年降雨量一般在 1500mm 以上。

边坡所处路段为山前坡地，山坡坡体较平缓，坡体汇水面积很大，大气降水主要以地表坡面流向山间冲沟汇聚，而后由冲沟向坡下排泄；山坡地表植被茂盛，起到了一定的地面防水作用，少数地表水渗入边坡坡体，成为孔隙潜水和基岩裂隙水，孔隙潜水与基岩裂隙水又向山间冲沟排泄。当地居民在 K0 957.4 附近沟内埋设接水管，将水引至坡脚村落，作为生产和生活用水，溪水常年基本不断，雨季水流量较大。

2.3 滑坡的类型及破坏模式

经勘查分析得到结论，该滑坡属于滑坡表面坡残积土沿着土岩交界面软弱结构层进行滑动的滑坡。本滑坡体长度约60m，宽度平均 28m，面积大约为1568m²，滑体的平均厚度约20m，总体积大约是3.2×10⁴m³。该滑坡体积较小，是小型滑坡，滑坡体的厚度适中，是中层土质滑坡，滑坡变形模式为前缘部分滑塌下落，导致后缘牵引变形，产生裂缝，滑坡整体属于牵引式滑坡。

2.4 滑坡的成因及影响因素

大量的勘测经验和分析结果发现，滑坡产生的主导因素是滑坡自身的工程地质条件、地质构造、地形因素。岩土体的结构松软、抗风化能力弱、抗剪强度低，在持续强降雨或地下水位活动的影响下自身性质容易发生改变，这类岩土体构成的斜坡常常会发生滑动。同时人类工程活动，如修建高速公路或铁路在斜坡前缘开挖形成高边坡，此类活动成为滑坡进一步发展的诱导因素。本文从地层岩性、地质构造、地形地貌、气候及径流以及人类工程活动这几个方面来分析滑坡形成的原因。

（1）地层岩性条件