高速公路边坡防护技术研究.docx
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1、高速公路边坡防护技术研究The Study of Slope Protection Technology on Highway专 业 学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 年 月 日第1章 绪论1.1 土工合成材料的古今应用土工复合材料的应用,古已有之。远在新石器时代,我们的祖先就已使用稻草来改善土砖性能,用棍棒和树枝加固他们的泥房(如在陕西半坡村仰韶遗址的简单房屋)。这种土中加稻草的加筋技术。至今仍在使用。在国外,17世纪和 18世纪,法国移民沿加拿大的Fundy湾用棍棒加固泥堤;在 英国等国家采用木桩来控制侵蚀和滑坡,还用竹子或铁丝网以控制护岸工程的侵蚀。在现代,土工合成材料的应用与塑料、
2、合成纤维和合成橡胶等的生产紧密相关。自20世纪30年代或40年代初,将聚氯乙烯膜用于游泳池防渗以来,目前土工合成材料已广泛地用在各个土木工程领域。其中类和应用范围也在不断发展充实,并逐渐形成一门新的边缘性科学。它以岩土力学为基础,与石油化学工程和纺织工程有密切联系。应用在土木工程的各个领域。1.2 土工合成材料的种类土木合成材料是土木工程应用的合成材料的总称。按土木合成材料应用技术规范(GB5029098)将土木合成材料分为土工织物、土工膜、特种土工合成材料和复合型土工合成材料等类型。特种土工合成材料包括土工格栅、土工膜袋、土工网、土工垫、土工格室、土工泡沫塑料等。复合型合成材料是由上述各种材
3、料复合而成,如复合土工膜、土工复合排水材料等。见图(1-1):1.3 土工合成材料的工程特性土工合成材料的工程特性有物理特性、力学特性、合成材料与填料相互作用时的临界摩擦特性、水力学特性及耐久性。1.4 土工合成材料的工程应用土工合成材料所以能在各项工程中得以广泛的应用,主要是由土工合成材料本身的功能所决定的。根据土工合成材料的特性和分类,其主要功能有:过滤作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、保护作用。这几种作用实际工程中应用时,往往是一种功能起主导作用,而其他功能也相应地不同程度地在起作用。1.4.1 过滤作用把土工织物置于土体表面或相邻土层之间,可以有效地阻止土颗粒通过,从而防止由于土颗粒
4、的过量流失而造成土体的破坏。同时允许土中的水或气体通过织物自由排出,以免由于孔隙水压的升高而造成土体的失稳等不利后果。 有纺型 土工织物 针织型 无纺型 沥青土工膜 土工膜 聚合物土工膜 塑料类 土工格栅 土工合成材料 玻璃 土工膜袋 特种土工合成材料 土工网 土工垫 土工格室 超轻型合成材料 复合土工膜 复合型土工材料 复合排水材图1-1 土工合成材料的分类1.4.2 排水作用无纺织物是良好的透水材料,无论是织物的法向或水平向,均具有较好的排水能力,能将土体内的水积聚到织物内部,形成排水通道,排出土体。土工合成材料现已广泛应用于土坝、路基、挡土墙以及软土地基的排水固结等方面。如图1-2所示。
5、图1-2 排水与反滤工程示意图1.4.3 隔离作用将土工合成材料放在两种不同的材料之间或不同粒径的同一材料之间以及土体表面与上部建筑结构之间,使其隔离开来。当受外部荷载作用时,虽然材料受力互相挤压,而由于土工合成材料在中间隔开,不便互相混杂或流失,保持材料的整体结构和功能。隔离用的土工合成材料必须有较高的强度,以承受外部荷载作用时产生的应力,保证结构的整体性。土工合成材料作为隔离材料已广泛应用于铁路、公路路基、土石坝工程、软弱地基处理以及河道整治工程。如图1-3。1.4.4 加筋作用土工合成材料可作为软弱地基的加固补强材料。由于土工合成材料具有较高的抗拉强度,将其埋置在土体之中,可增强地基的承
6、载力,同时可改善土体的整体受力条件,提高整体强度和建筑结构的稳定性,较多地应用于软弱地基处理、陡坡、挡土墙等边坡稳定方面。如图1-4。 图1-3 高速公路软土路堤工程示意图(a)加筋土档墙 (b)加筋陡坡 (c)加筋路堤 图1-4 加筋土工程示意图1.4.5 防护作用土工合成材料可以将比较集中的应力扩散开,也可将应力由一种物体传递到另一物体,使应力分解,防止土体受外力作用破坏,起到防护作用,主要应用于河道整治、护岸、护底工程,以及海岸防潮、道路坡面防护等工程方面防护分两种情况:一是表面防护,即是将土工合成材料放置于土体表面,保护土体不受外力影响而破坏;二是内部接触面保护,即是将土工合成材料置于
7、两种材料之间,当一种材料受集中应力作用时,而不使另一种材料破坏。1.4.6 防渗作用 将土工合成材料表面涂一层树脂或橡胶等防水材料,或将土工合成材料与塑料薄膜复合在一起形成不透水的防水材料即土工膜。目前土工膜已广泛应用于水利工程的堤、坝、水库中起防渗作用,以代替粘土心墙、防渗斜墙等。同时也应用于渠道、蓄水池、污水池、游泳池、房屋建筑、地下建筑物、环境工程等方面,作为防渗、防漏、防潮材料。上述土工合成材料的六个功能并不是绝对独立的,有时一种土工合成材料应用于某一项工程中,同时具备上述的几种功能,有的是主要的,有的是次要的。因此,充分结合各种材料的不同特性,做到合理应用。第2章 边坡防护近年来我国
8、公路交通建设发展迅速,大批国家级公路主干道和各地区公路工程的开挖回填路基边坡如果不及时有效的处理,不仅容易造成破面的水土流失和岩崩碎落,严重时还会危及工程安全,而且对于自然环境造成植被生态的破坏以及汽车噪音、尾气的污染。因此,公路路基边坡防护一直是公路工程人员要解决的问题。 土工合成材料用于公路路基边坡坡面防护,是近些年发展形成的一门新技术,主要用于土质边坡防护和岩质路堑边坡防护。土质边坡防护的边坡坡度宜在1:1.01:2.0之间,岩质路堑边坡坡度宜在缓于1:0.3。2.1 土质边坡防护土工合成材料除了防护土质边坡坡面,相比于其他防护措施,更能突现出环境方面的优势。配合植物坡面防护技术,应用土
9、工合成材料防护土质边坡,形成一种所谓土工复合植被技术,可有效地进行土质边坡防护和改善环境景观。2.1.1 土工复合植被防护机理土工复合植被防护作用包括土工合成材料直接防护和植被防护双重作用。在路基边破坡面覆盖土工织物可以直接防止降雨冲刷,目前在土工复合植被防护系统中主要采用土工网或土工垫材料。他们可以将分散在坡面上的土颗粒拢拉在一起,并为土壤表面加筋,保护坡面的表层土,从而防止土壤的侵蚀和移动。植被护坡防护作用,植被形成后在防止坡面遭受水冲刷时能够有效地利用植被的枝叶消除雨滴的冲击能量;植被根系使土的透水性能增加,一旦遇有雨水能迅速渗透;植被的覆盖能对雨水沿地表流动造成更多的障碍,降低径流的速
10、度;植被根系使土体在根系的延伸范围内形成整体,而对坡面起到浅层加筋的作用等。2.1.2 土工复合植被防护形式土质边坡防护可采用拉伸网草皮、固定草种布、网格固定播种三种护坡形式。拉伸网草皮护坡是在草皮生产基地,将平整的水泥地坪上铺35CM的种植土层,将土工网或土工垫布置在种植土层中间,然后播种、养护,待草苗旺盛,土体、土工网或土工垫与草系固定后,成捆送到施工地点进行铺设。草皮宽度宜为1.52.5M,每捆长度宜为46M。固定草种布护坡方法是在土工织物纺织时,将草种固定于土工织物中,然后到现场铺筑,使草皮生长,形成防护坡层。网格固定播种护坡方法是先将土工网固定于需要防护的边坡上,然后散播草种形成草皮
11、。2.1.3 草种及播种期选择目前我国一些地区选择小冠花和香草根作为坡面防护的主要植物,辅以其他植物品种。选草应注意草的适应性、成长期、根系、绿期长短和价格等因素。试验工程和有关资表明,对于植草播种时间须避开寒冷低温与多雨高温季节。2.1.4 三维土工网垫护坡2.1.4.1 三维土工网垫简介三维土工网垫是由单层或多层塑料凹凸网和高强度平面网经热熔后粘结而形成的一种稳定的立体网结构,采用高分子材料聚乙烯及抗紫外线助剂加工而成,无毒且化学稳定性可靠,使用寿命长,物理性能见表3-1。在多层网交接点处,经热熔粘接,形成稳定的三维空间网垫。其面层外观凹凸不平,材料疏松柔韧有合适的高度和空间,可充填并储存
12、泥土、沙粒和草籽。植物的报系可以穿过网孔,舒适、整齐、均衡的生长,长成后的草皮使网垫、草皮、泥土表层牢固地结合在一起。具有极强的固土作用。表2-1 三维土工网垫的物理性能耐酸碱性极高吸水性无单位面积质量260g/m2纵向最大拉力1.4KN/m厚度12mm横向最大拉力1.4KN/m 2.1.4.2 三维土工网垫的护坡原理三维土工网垫利用表面自身凹凸不平的独特结构缓冲水流保护坡面免受冲蚀。由于网垫表面粗糙不平,使风、水流在网垫表面产生无数小涡流,起到消能作用,促进其携带物沉积在网垫中。网垫一般与植被结合,在草皮未形成前,可保护草籽或幼草因被风吹雨冲而散失。经测试,当坡面斜角为45时,三维土工网垫的
13、固土阻滞率高达97.5%。当斜面为60时,其阻滞率也高达84%。即使坡面铅直时,阻滞率仍可达60%。三维土工网垫具有的固土作用,远远胜于平面网。而当植被形成后,三维网的表层、中间及网下土可被植被的根系盘错、连接,坡土回上下穿接,左右相连,集点成面,整坡一体,形成坚固的绿色复合保护层,其强大的固土效果更为显著。工程试验表明,这种防护结构在经受持续两天流速为3m/s4m/s的水流冲刷后,或者经受45小时流速为5m/s6m/s的水流冲刷后,均不会产生变形、损坏(实际上,上述的环境、条件是较少出现的)。同时,这种复合体系具有较好的柔性,当边坡出现沉降时可随之沉降,不会出现松动、塌陷或架空等缺陷,是各种
14、砌石护坡方法所无法比拟的2.2 岩质路堑边坡防护在高等级公路建设施工中,岩质路堑边坡由于原有岩石层走向、页理、缝隙及岩层水等不利因素,经常发生侵蚀、岩崩,甚至失稳坍塌等病害。土工合成材料用于岩质路堑边坡防护,主要针对易碎岩面的侵蚀和少量的岩崩病害,可采用土工网或土工格栅材料进行防护,现在应用较多的是柔性防护。2.2.1 防护方式防护的方式可采用裸露式和埋藏式两种。裸露式是指将土工格栅直接固定并裸露于岩面;埋藏式是指将土工网或土工格栅固定于岩面后再用水泥砂浆喷护。裸露式防护方法适用于临时性工程边坡的防护或永久性工程边坡的临时防护。对永久性工程的边坡,在更换土工网或土工格栅较方便的场合,也可采用这
15、种方式。裸露式防护应采用强度较高的土工格栅,埋藏式防护可采用土工网或土工格栅。2.2.2 土工格栅护坡 2.2.2.1 土工格栅的特性及工作原理 土工格栅是经一次挤压成型的非编织整体网格结构,它不存在焊接或编织点薄弱环节。具有高抗拉强度、低应变、小徐变量的力学特性,以及抗生物、化学、紫外线腐蚀等的生化特性。土工格栅与它周围土体之间存在着可靠的相互作用、土颗粒央挤在格栅孔隙内形成机械咬合,从而产生丁土与格栅相互之间极有效的应力传递,网格性的肋条可为荷载提供一个系统性的支撑点、因而,应力传递不单单是通过颗粒间的表面磨擦。颗料材料嵌实在网格中,产生定相对稳定的状态,能起到应力传输作用,使大大地提高了
16、植被覆盖率,当植草生长茂盛时,草根均匀地穿过格栅,深入地下达半米以上,与格栅、泥土三者形成一个牢固的复合整体。植被根系可增加土壤的运水性能,旦遇到雨水可迅速渗透植被的覆盖可使地表土壤免受雨水的直接冲击,并缓冲雨水流速阻止水流的形成,即使形成水流也几乎是清澈而不合任何泥土的,同时格栅及植物根系还可起到浅层加筋的作用。因此这种复合体系具极强的抗冲刷能力,能够达到长期有效防护边坡的目的。这一点与三维土工垫护坡很相似。2.2.3 SNS柔性防护系统在边坡防护中的应用 公路对边坡问题无论从设计还是施工都给予了高度的重视,尤其在高边坡开挖地段。边坡的防护形式多种多样,目前在我国公路边坡防护系统中大致有两种
17、防护系统。一种是刚性圬工建筑为主的工程防治措施,且尤以浆砌片石或喷混凝土护坡、锚固和浆砌片石拦石埔等最为常见。其中特别是锚固技术在70年代给边坡治理带来了一次革命,它一改过去单一的圬工防护措施,为治理边坡问题提供了一种非常有效的技术措施。然后在设计施工上己日趋科学化,防护技术措施亦愈来愈多样化的滑坡治理问题而言。其防治技术还十分落后,且刚性防护效果常难满足安全要求,为此,引入另一种新的防护方法柔性防护系统。它不仅节省防护投资,达到防护的目的;更重要的是保护生态、净化空气、绿化环境。故柔性防护方法正在公路、铁路、水利等工程领域中逐步替代传统的砌石护坡、骨架护坡、砂浆封面等防护形式而得到越来越广泛
18、的应用。下面就对SNS系统的特点、原理及施工方法作如下介绍。2.2.3.1 SNS系统简介 SNS(Safety noting system)系统是瑞士布鲁克公司开发研制的一种边坡防护系统,它是利用钢绳作为主要构成部分来防护崩塌落石危害的柔性安全防护系统。与圬工结构为代表的传统方法相比,SNS系统具有柔性和高强度,更适用于抗击集中荷载或高冲击荷载。该系统安全可靠,施工作业具有快速和标准化的特点。此外,该系统设置后视觉干扰较小,可最大限度地维持原地貌和植被,甚至可进行人工植被绿化、美化环境,其在环保方面的社会效益是其它方法所无法比拟的。2.2.3.2 SNS柔性防护系统的应用范围 SNS柔性防护
19、系统一般用于山区公路路堑边坡的防护,尤其适用于山岭重丘区沟堑纵横、相对高差几百米、坡度大于500的路堑。这样的路堑边坡为岩石,(可能是同类,也可能是不同类岩石),且坡面的整体性差,甚至岩体有松动、滑坍的可能,还可能造成崩岩,除个别稳定性稍好的地方可采用护面墙防护外,其余均需要用SNS柔性网防护系统大面积防护,用以拦截落石与落物,以消除公路安全运营中的隐患。2.2.3.3 SNS防护系统原理 SNS系统包括主动系统和被动系统两大类型(1)SNS主动防护系统原理SNS主动系统通过固定在锚杆或支撑绳(张拉绳)上并施与一定预张拉的钢绳网对整个边坡形成连续支撑,其预张拉作业形成了阻止局部岩块或土体移动的
20、预应力,从而阻止落石现象的发生:系统的传力过程为:钢绳网张拉绳钢绳锚杆稳定地层。系统在作用原理上类似于喷锚支护和锚钉墙、但其柔性特征能使系统承受较大的下滑力,并将局部集中下滑力向四周均匀传递,以充分发挥整个系统的防护能力。 (2) SNS被动防护系统原理 SNS被动防护系统是一道被动式拦截系统,是能够拦截和堆存崩岩的金属柔性栅栏式拦石网,以具有足够高强度和柔性的钢绳网为主体,以最少量的锚杆和最少量的开挖来实现最快速的施工安装,整个系统由钢绳网、减压环、支撑绳、钢柱和拉锚5部分组成,系统的柔性来自于钢绳网、支撑绳和减压环等结构。当坡面上落石冲击到钢绳网时,其冲击能量很快通过钢绳网的各个节点传递到
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