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1、一级公路深挖路堑高边坡设计优化及加固措施研究,研究背景,随着西部大开发的进行，交通运输业迅猛发展，形成大量深挖路堑高边坡；30m以上的边坡设计的标准较少，基本凭经验做出设计，缺乏理论指导，由于种种原因，滑坡时有发生，造成大量的经济，人员损失，如2012年3月的永靖滑坡。,2012年永靖滑坡,工程概况,兰州(新城)至永靖沿黄河快速通道作为兰州市南滨河路“黄河风情线”的延伸段，是兰州一小时都市经济圈内的交通要道，也是甘肃南部各县区与外界联系的主要通道。本项目的建设对开发兰州至永靖沿黄河经济带，整合区域特色旅游资源、打造沿黄河特色生态旅游线路具有重要意义。,本项目中有高填方边坡和深挖路堑边坡，其中深
2、挖路堑边坡里面大多数属于高边坡，甚至有达到63.0m超高边坡的存在。,根据已有的施工图及采取的支护形式，边坡断面大概归为七大类如下表，对每一种支护类型的各个边坡进行稳定性分析：,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,二、深挖路堑高边坡设计方案的优化设计研究,三、深挖路堑高边坡的安全监测,一级菱形框条护面,一级预制拱型骨架护面,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,一二级采用框格梁，以上各级自然放坡,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,一级采用框格梁，边坡中间浆砌片石孔窗式护面，其余各级自然放坡,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,一二级均采用浆砌片石孔窗式护面，以上各级自然放坡,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,一级采用框格
3、梁，以上各级自然放坡,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,一级孔窗式护面，以上各级自然放坡,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,借助稳定性分析理论，用大型的分析软件对以上分类的各个边坡进行稳定性分析，分析过程中考虑不同的工况。,自然状态 自然状态+暴雨 自然状态+地震作用 自然状态+暴雨+地震作用,稳定性分析的目的：找出稳定性不足、安全余地比较大、削坡比较多以及对环境改变比较大的特殊边坡。,一、深挖路堑高边坡稳定性分析,二、深挖路堑高边坡设计方案的优化设计研究,对特殊边坡的原有加固方案进行优化设计特殊边坡：安全余地比较大或者削坡比较多的边坡，以及对环境改变比较大（如：植被破坏比较严重、造成山体不稳定或者会
4、引起山体滑坡）的边坡。,二、深挖路堑高边坡设计方案的优化设计研究,工程优化设计思路图,二、深挖路堑高边坡设计方案的优化设计研究,承载力,安全可靠、经济合理、施工可行、 高边坡支护设计方案,三、深挖路堑边坡的安全监测,舟曲滑坡图,深挖路堑边坡在开挖、加固和运行期间，其稳定性问题是非常突出的：,三、深挖路堑边坡的安全监测,在开挖、加固过程中，通过监测点的布置和变形监测，可以得到路堑边坡土体的变形规律以及土体的蠕变规律；,由于开挖卸荷时间较长且影响范围较大，因此边坡达到完全稳定还需要较长时间，那么实时的在边坡坡体布置监测点进行安全监测，也可以起到一个预警的作用，从而可以预防灾害的发生。,三、深挖路堑
5、边坡的安全监测,舟曲边坡测点布置图,三、深挖路堑边坡的安全监测,舟曲边坡测点布置图,技术路线,边坡稳定性分析的目的：一是对路堤边坡稳定性做出定性和定量评价；二是为合理地设计人工边坡和边坡变形破坏的防治措施提供依据,路堑边坡加固技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,防护技术,路堑高边坡防护技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,路堑高边坡防护技术研究现状,边坡优化理论与方法研究现状,结构优化设计从马克斯威尔理论（Macwell，1980）和米歇尔（Michell，1905)桁架出现已有百年，从史密特（Sch
6、mit）用数学规划来解决结构优化设计算起亦有 40年历史，在过去30年，在理论，算法和应用方面都取得了长足的发展，优化领域涉及航空航天、土木、桥梁、铁路、能源工业以及军事工作等诸多方面。实际结构问题,往往十分复杂，涉及各种因素（环境、荷载、几何特征、材料、施工、费用等）受多方面的制约，因此必须抓住问题的主要方面和主要矛盾，形成数学模型，才能实施优化。因此优化设计的价值与有效性取决于所用的数学模型和相应的优化算法，特别与所选用的设计变量，所考虑的约束条件和规定的目标函数有密切关系。工程设计者关心的是安全、可靠与经济，往往寻求满意解而不一定是最优的；数学工作者与研究人员兴趣在于寻求问题的精确最优解
7、。这在广义上反映了科学界与工程界观念上的差异和价值的不同。,边坡优化理论与方法研究现状,结构优化的几个主要问题：,（1）离散变量问题在结构设计中，经常遇到的设计变量不是连续的，而是离散的，因此考虑设计变量从预定的离散序列中取值，更符合实际。 （2）多目标优化无论是在自然学科领域还是在社会学科领域，以最小的成本获取最大的效益，始终是人类追求的目标。最小化成本的同时最大化效益，将一对矛盾的两个方面同时考虑，构成了一个典型的多目标优化问题。 （3）优化建模建立优化数学模型是开展优化工作的关键一步,对实际应用的工程技术人员而言，如何从复杂的现实问题中抓住主要矛盾和本质内容，抽象出合理和性态良好的模型，
8、是优化成功应用的关键。,边坡优化理论与方法研究现状,最优化问题的数学模型一般形式为：,（2-1）,边坡优化理论与方法研究现状,优化设计的三大变量：,（1）设计变量：优化设计中，参与结构优化设计的变量称为设计变量。 （2）目标函数：目标函数是设计变量的函数，是判别结构设计优劣的标准。它是设计变量的函数，它代表所设计结构的某个最重要的特征和指标。目标函数的不同取法，会导致不同的优化结构，所以合理地确定目标函数至为重要。 （3）约束函数：结构优化设计中必须满足的条件称为约束条件，它反映了有关设计规范，计算规程，运输，安装，施工，构造等各方面的要求，有时还反映了优化设计工作者的设计意图。,研究工作基础
9、,积累了一定的研究经验本项目组成员近年来主要的研究工作包括支挡结构的选型、支挡结构上的土压力分布、支挡结构的内力分析及设计、支挡结构的可靠性分析、边坡和深基坑支挡结构的稳定分析及设计、边坡建筑的抗滑移设计、柔性支挡结构在地震作用下的动力响应、黄土与湿陷性黄土地区房屋纠偏和工程事故分析与处理等领域。,良好的工作条件申请人所在单位拥有大型分析软件ANSYS、ADINA、MIDAS 和FLAC，特别是ADINA、MIDAS 和FLAC适合岩土和结构相互作用的动力分析。有大量先进的实验设备，包括多功能动力加载系统、模拟地震试验振动台、反力墙和反力地板、加载架、伺服加载系统、各种静力加载系统、土工三轴义
10、、大型动三轴、和大型结构实验设备和测试设备，多台数据采集系统，设备总价值3500多万元。,项目承担单位概况：,甘肃省交通厅长达路业有限责任公司：自成立之日起，在甘肃省交通运输厅的领导下主要履行外资公路项目建设管理任务，公司目前共有各类人员156名，其中项目管理人员89人，大专以上学历116人，专业技术人员92人，具有高级职称36人，初级职称23人。公司先后被甘肃省国外贷款管理委员会评为“利用国外贷款工作先进集体”，被省交通运输厅评为“甘肃省高速公路建设先进单位”、“全省交通系统重点公路建设项目先进单位”和“全省交通系统先进单位”，被兰州市委、市政府评为“文明单位”。,兰州理工大学土木工程学院：
11、土木工程学院是兰州理工大学创办最早的院系之一。其办学历史可追溯到1939年甘肃省立兰州职业工业学校的土木科，1958年随甘肃工业大学的建立更名为土木系，到目前为止共培养中专生930名，本科毕业生6000余名，毕业硕士研究生360余名，毕业博士研究生19名。发展至今，学院已积蓄了厚实的办学底蕴，形成了鲜明的学科特色，构建起了学士、硕士、博士完整的人才培养体系。近5年来，承担了100多项国家、部、省级重点科研攻关项目，取得科技成果40余项，获得省部级科技进步一等奖1项，获得省部级科技进步二等奖7项、三等奖7项，厅局级科研奖励30余项；获国家批准发明专利12项；在国内外学术刊物和学术会议上发表论文7
12、00余篇，200余篇论文被SCI、EI收录。学院积极开展科研科技开发工作，在产学研结合方面取得了可喜成绩。学院充分发挥科技与人才优势，紧密围绕国家经济建设主战场，为国民经济和我国假设交通事业做出了突出贡献。科学研究成果极大地推动了交通事业的发展，产生了巨大的社会经济效益。,项目承担单位概况：,甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司,甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司是省交通运输厅下属的省内最大的公路工程勘察设计单位。公司下设第一、第二、第三、第四、第五公路市政设计分院和建筑设计分院、综合交通运输规划研究分院、轨道交通设计分院、岩土工程分院共9个分院，设有桥梁技术研究所、隧道技术研究所、地质灾害
13、技术研究所、路面技术研究所、智能交通技术研究所等8个研究所。共有工程设计专业技术人员和管理人员358人，其中教授级高工12人，博士研究生16人，高级职称114人，硕士研究生120人，中级职称89人。下属的甘肃兴陇监理公司、兰州朗青交通科技公司、甘肃海威工程勘察设计咨询有限公司等7个子公司共有职工500余人。,项目主要负责人情况：,赵延安 高级工程师 甘肃长达路业有限责任公司副总经理兼总工程师，曾在西安交通大学土木工程本科专业学习。参与建设管理了巉柳、尹中、兰临、宝天和成武高速公路，打庆、酒航、连叶、定陇、江武和岷礼公路，参与了“国道212线陇南段修筑技术”课题研究工作，发表了碳纤维加固技术在麻
14、花沟大桥中的应用、麦积山公路隧道施工灾害的预测技术和桥墩结构形式对小花沟刚结构高墩稳定性影响分析等多篇论文。,朱彦鹏 教授 博士生导师，兰州理工大学土木工程学院院长，甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室主任，国家一级注册结构工程师，学科责任教授，土木工程学科学术带头人。中国土木工程学会地基处理学术委员会委员，中国土木工程学会深基坑支护学术委员会委员，中国土木工程学会非饱和土委员会常务理事，甘肃省土木建筑学会常务理事，甘肃省岩石力学学会常务理事，甘肃省力学学会岩土工程学会常务理事，甘肃省建设科技专家委员会委员，甘肃省工程咨询专家委员会委员。甘肃省跨世纪学科带头人、甘肃省“333科技人才工程”首批入选
15、第一、二层次人员，甘肃省领军人才第一层次人选。,兰州（新城）至永靖沿黄河快速通道是临夏州各县区与外界联系的重要通道，也是兰州市一小时都市经济圈内的交通要道。它的开工建设，是交通运输部门贯彻落实省委“中心带动、两翼齐飞、组团发展、整体推进”区域发展战略的又一重要举措。项目建成后，将解决库区移民群众行路难的问题，并将刘家峡、盐锅峡、八盘峡三大库区连为一体，有效整合各种资源优势，形成区域连片开发的格局。项目起点位于兰州市西固区新城镇新城黄河桥南，与已建的西固区至新城一级公路终点顺接，终点位于永靖县古城村。路线全长48.246公里，采用双向四车道一级公路标准建设。,依托工程,支撑条件,项目预期目标,（
16、1）给出兰永一级公路深挖路堑高边坡稳定性分析与评价方法；（2）对兰永一级公路深挖路堑高边坡的设计方案进行优化分析，并给出优化方案；（3）对稳定性不足的深挖路堑边坡，给出安全、合理、经济的加固方案；（4）形成项目研究报告，通过科技成果鉴定，力争申报相关工法和专利；（5）培养研究生23名。,经济、社会效益,本课题成果的应用，一方面在兰永一级公路深挖路堑边坡工程及今后类似边坡工程的治理及加固方面具有巨大的经济效益，对西部大开发的顺利和快速发展及带动地方经济建设的发展具有间接的巨大的经济效益。另一方面将保护兰永一级公路沿线人民群众及过往车辆的财产安全，对保护道路的安全运营，具有巨大的防灾减灾效益。本课题成果的应用和实施对保证兰永一级公路公路沿线人民群众及过往车辆的安全和推动西部大开发建设的快速发展具有深远的社会效益，同时对防止和减少兰永一级公路沿线地质灾害的发生具有重大的环境效益。,谢谢各位专家！,
