一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告

一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告目录一．项目的背景和必要性11.1研究背景11.2项目概况2二．项目前期科研及工作基础42.1边坡稳定性分析研究现状42.2研究工作基础38三．项目实施方案413.1主要研究内容413.2拟解决的关键技术413.3拟采取的技术路线423.4工作进度安排42四．项目承担单位及参加单位概况434.1项目承担单位概况434.2项目主要负责人情况444.3参加项目主要人员一览表48五．项目依托工程情况及支撑条件495.1依托工程495.2支撑条件49六．项目经费估算及资金筹措情况51七．项目预期目标及经济、社会效益527.1项目预期目标527.2经济、社会效益分析52八．其他需要说明的问题53九.申报单位签章53 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告一．项目的背景和必要性1.1研究背景随着国家西部大开发的实施，作为带动西部经济发展的交通运输工程（特别是高速公路）已得到优先发展，尤其西部黄土地区公路建设更是得到迅猛发展。在地质背景复杂的黄土地区进行公路建设中，形成了大量黄土路堑高边坡。这些黄土路堑高边坡由于纵断面长、横断面宽、坡高极高，工程量巨大，在经济合理的前提下采用合理的加固措施，从而保证边坡的整体稳定性，是工程中需要解决的技术难题，也是当前面临的主要问题。铁路、水利水电及公路等部门对30m以下的边坡都做过系统的研究，但对于30m以上的黄土边坡设计标准基本为空白，有关其变形破坏机理、稳定性及可靠性分析评价等方面系统研究还较少，使得设计部门缺少边坡设计依据。在黄土高边坡的工程设计中，基本上凭经验给出，缺乏理论指导。与此同时，西部大开发也带动了甘肃省高等级公路建设的快速发展，甘肃省黄土地区公路己经出现和将要出现大量的深挖路堑边坡。由于种种原因，导致边坡稳定性降低，滑坡时有发生，给道路的安全通行和当地的生产生活造成了不同程度的影响。2012年3月9日凌晨3点左右，永靖县盐锅峡镇发生一起大面积滑坡灾害，滑体长约30米、宽约80米、厚约2米，滑坡土方量约5000立方米，造成通往盐锅峡镇的主干道路盐北路完全中断，滑坡共造成62亩农田被埋，其中冬麦26亩，另有83棵枣树被毁，造成经济损失数亿元。永靖滑坡见图1所示。XX一级公路深挖路堑高边坡，由于纵断面长、横断面宽、坡高极高，工程量巨大，工程造价也就自然而然的很高，那么在这种实际情况下，实时地对XX49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告一级公路深挖路堑高边坡的设计方案开展优化和加固措施研究就很有必要。在经济合理的前提下采取合理的加固措施，从而保证边坡的整体稳定性，是工程中需要解决的技术难题，也是当前面临的主要问题。高速公路路堑边坡是一种人工开挖的永久性边坡，边坡的稳定性分析具有重要的时效意义，随着公路建设的快速发展，越来越多的深挖路堑边坡会遇到稳定性问题和采取何种加固措施的问题。图12012年永靖滑坡1.2项目概况xx(新城)至永靖沿黄河快速通道作为xx市南滨河路“黄河风情线”的延伸段，是xx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xx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。  本项目地跨xx49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告市西固区及临夏州永靖县，起点位于新城镇黄河新桥南桥头，与已建的西固至新城一级公路终点顺接；路线沿黄河两岸布线，经河口、张家台、扶河、盐锅峡、恐龙湾、朱家台、孔家寺，终点位于永靖县古城村，与临夏折桥至xx达川二级公路及永靖县城市道路顺接（终点桩号K48+628.391），路线全长48.25km。本项目采用一级公路标准建设，设计车速为60km/h，整体式路基宽度23.0m，分离式路基宽度11.25m。全线共设特大桥15431.5m/8座，整体式大桥2505m/9座，分离式大桥3090m/10座；整体式中桥134m/2座,分离式中桥241m/3座；小桥242.4m/10座；天桥69.5m/1座；渡槽180m/3座；涵洞110道；隧道3941米/3座（以单洞长度计）；互通式立交4处（旧铁路桥头、扶河、金泉、太极镇），平面交叉27处；服务区1处（青春滩、永靖）、停车区2处（三江口、金泉、大川）、管理所1处（青春滩）、养护工区1处（盐锅峡）、收费站1处（张家台）、隧道管理站处4处（青春滩、盐锅峡1、盐锅峡2、恐龙湾），观景台8处。本项目中有高填方边坡和深挖路堑边坡，其中深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，详见表1。深挖路堑边坡采用台阶形，黄土路段坡脚碎落台设1.5m高护面矮墙，挖方坡率采用1:0.75~1:1.25，每级边坡高6m，挖方平台2m，并根据挖方高度设置一级4m加宽平台；砂岩。泥岩挖方采用1:0.75，每级高6m，对于平层、顺倾砂岩边坡，增设锚固防护后采用1:0.5坡率，加固边坡高度每级8~10m。表1深挖路堑一览表序号起讫桩号长度（m）中桩最大填高（m）最大边坡高度（m）1YK5+075~YK5+1709510.036.32K6+105~K6+36526025.429.949 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告3K7+580~K7+90032024.524.74K23+450~K23+60015033.723.55K23+900~K23+9808028.036.46K24+535~ZK24+3405924.535.67K29+540~K29+70016024.228.28K30+134~K30+30016622.963.09K30+780~K30+92014027.357.210K30+920~K31+26034038.153.511K31+280~K31+40012042.043.212K31+620~K31+77015014.028.413K31+810~K31+9009023.032.614K32+770~K32+92015019.228.215K33+100~K33+22012024.428.016K33+360~K33+435756.328.317K33+440~K33+82038025.137.618K34+965~K35+14017523.343.819K35+240~K35+48024017.253.720K36+190~K36+33514522.241.421K36+375~K36+4558015.823.722K36+550~K36+600504.236.649 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告同时为确保边坡稳定，加强坡面平台排水沟、截水沟、吊沟的设置，并于岩土交界面处和卵石夹层处设置6m宽挖方平台，并根据土层情况增设必要的防护工程措施。对于深挖边坡渗水或岩隙水较多路段设置纵向渗沟排除渗水。二．项目前期科研及工作基础2.1边坡稳定性分析研究现状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。近几十年来，边坡稳定性分析方法不断得到发展，多种方法应运而生，如条分法、数值分析方法、塑性极限方法、可靠度法、模糊数学法、地质类比法等。边坡工程的研究历程看，边坡稳定性研究发展的过程，同时又是一个边坡稳定性分析方法的不断发展的过程。新的边坡稳定性方法不断出现，老的方法也在不断改进，且逐步由定性向定量地方向发展。定量分析方法的实质是一种半定量的方法，尽管评价结果表现为确定的数值，但最终判定仍依赖人为的判断。目前，所有定量地计算方法都是基于定性分析基础之上的。总体上来说，边坡稳定分析包括定性分析方法和定量分析方法。（1）定性分析方法边坡稳定性的定性分析方法是在大量收集边坡所在地区的地质资料的基础上，综合考虑影响边坡稳定性的各种因素，通过工程类比法或者图解法等估计和预测边坡的稳定状况和发展趋势。①地质分析法（历史成因分析法）：此方法通过对边坡发育的地质环境、边坡发育历史中的各种变形破坏迹象及其基本规律和稳定性影响因素等的分析，追溯边坡演变的全过程，预测边坡稳定性发展的总趋势及其破坏方式，从而对边坡的稳定性做出评价。主要用于天然斜坡的稳定性评价。②49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告工程类比法：该法是通过对比自然稳定山坡与不稳定坡体的工程地质条件差异，结合相邻区场区既有边坡的稳定性状，找出相应的设计参数。针对设计公路路堑边坡在岩性、结构及工程措施的相似性来进行稳定性分析与判断。此法简单易行，但由于岩土边坡的复杂性，没有完全相同的边坡，所以应用起来具有一定的困难性。③图解法：图解法包括赤平极射投影、实体比例投影与摩擦圆等方法。图解法用于岩质边坡的稳定性分析，可快速、直观地分辨出控制边坡的主要和次要结构面、确定出边坡结构的稳定类型、判断不稳定块体的形状、规模及滑动方向。对于用图解法评定为不稳定的边坡，需要进一步用计算机加以验证。④边坡的分析数据库和专家系统：边坡工程地质数据库就是收集已有的多个自然边坡、人工边坡实例的计算机软件。其按照一定的格式，把各个边坡工程实例的发育地点、地质特征、变形破坏影响因素、形式、过程、加固设计以及边坡的坡形、坡高、坡角等收集起来，并有机地组织在一起。可直接根据不同设计阶段的要求和相关的类比数据，方便快捷地从中查得相似程度最高的实例进行类比，以更好地指导实践、节约费用。专家系统是一种按学科及相关学科专家的水平进行推理和解决问题、并能说明其缘由的计算机程序。边坡稳定分析设计专家系统就是进行边坡稳定性分析与设计的智能化计算机程序，其把某一位或多位边坡工程专家的知识、工程经验、理论分析、数值分析、物理模拟、现场监测等行之有效的知识和方法有机地组织起来的计算机程序，用来模拟再现人脑的思维过程，吸收其合理的知识结构，寻求优化的技术路径。（2）定量分析方法49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告边坡稳定性定量分析是根据边坡每一区段的岩土技术剖面，确定其可能的破坏模式，并考虑所受的各种荷载，如重力、水作用力、地震或爆破动力等，选择适当的参数进行计算。定量分析的主要方法有：极限平衡法、数值分析法、不确定分析法等三种，其中极限平衡法属经典的方法。在边坡的稳定性分析中常用的数值方法有：有限单元法、边界元法、有限差分法、离散元法等，其中有限元法应用较为广泛。此外，尚有DDA法、运动单元法以及近年提出的基于余推力的临界滑动场（CSF）法等新兴发展起来的分析方法。①极限平衡法极限平衡法是土坡稳定性分析中发展最完善、最早出现的确定性分析方法。其基本方法是：假定边坡的岩土体破坏是由于边坡内产生了滑动面，部分坡体沿滑动面滑动而造成的。根据具体情况选择合理的满足摩尔—库伦准则的滑动面，形状可以是平面、圆弧面和其他不规则曲面。由静力平衡关系，从而达到定量评价的目的并求出一系列滑动时的破坏荷载和最危险滑动面。其中包括普通条分法、改进条分法、毕肖普的改良方法、力平衡方法、Morgen-Stern-NR及priceVE等方法，国内外土力学教程中主要介绍的各种极限平衡法，如瑞典圆弧法、sarmaSK法。其优点是模型简单、计算简捷，在不能给出应力作用下的结构图像的情况下，仍能对结构的稳定性给出较精确的结论。分析失稳边坡反算的强度参数与室内试验吻合度较好，使分析程序更加可信。但需要先知道滑动面的大致位置和形状，对于均质土坡可以通过搜索迭代确定其危险滑动面，但是对于岩质边坡，由于其结构和构造比较复杂，难以准确确定其滑动面的位置，而且确定时也带来很大随机性，这就给岩质边坡的稳定性分析带来较大困难。此外，极限平衡法没有考虑材料的应力-应变关系，所求出土体条间的内力或滑条底部的反力均不能代表边坡滑动变形时真实存在的力，所得安全系数只是假定滑裂面上的平均安全度。这给边坡稳定性分析带来了很大的不确定性，而且无法对边坡的变形破坏模式做出判定。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告②数值分析方法数值分析方法主要有有限元法、无界元法、离散单元法等。有限元法是边坡稳定性分析中用得较多的一种数值方法，它能满足静力平衡条件、应变相容条件，考虑了岩体的不连续性和非均质性，将无限自由度的结构体转化为有限自由度的等价体系，还能够模拟土体与支护的共同作用。它几乎适用于所有的计算领域，其最大优点是不但能进行线性分析还可以进行非线性分析，但是有限元这种方法在实际工程中受物理参数选取影响较大，对大变形求解、应力集中等问题的求解还有待改进。沈凤生等考虑了F238断层以及各种泥化夹层，对23个典型断面考虑3种滑动形式，每种按不小于2万个潜在滑动面进行搜索求解最小安全系数及相应潜在滑动面的位置，采用三维有限元法对小浪底水利枢纽工程进水口南端山体高边坡稳定性进行了研究，根据应力计算的结果，在计算范围内截取典型的可能滑动的垂直剖面，在该剖面内的各结点应力采用互维有限元计算结果值，再根据沿滑移合方向上总阻滑力与滑动力相等的条件，求出该滑动面上的安全系数K。由于实际工程的复杂性，在运用有限元分析高边坡稳定性的时候，应该根据山体的岩质情况，以及施工开挖和支护进程对高边坡的稳定性进行施工进度模拟分析，以确定施工和开挖完成期该高边坡的稳定性。秦卫星等基于滑裂面应力有限元分析了边坡的稳定性，在此基础上，许多研究者进一步研究在滑裂面中寻找一个临界滑裂面的可能性，这项工作采用了与极限平衡法相同的计算步骤，同时也获得了最小安全系数和临界滑裂面。DVGriffiths等使得有限元分析结果更能反映实际边坡。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告此外，有限元强度折减法近年来受到国内外岩土工程界的青睐，取得了较好的成果，通过不断地增加强度折减系数，直至达到临界破坏，其折减的系数即为稳定系数。该方法不需要事先假定滑裂面的位置和形状，由程序自动求出滑裂面，而且能够模拟支护体和坡体的共同作用，还能够考虑到开挖工程中对边坡的影响。强度参数折减，即为了达到边坡极限状态，对黏聚力和内摩擦角的正切值进行折减，分别作为新的材料参数代入进行有限元计算。这样确定的临界折减系数即为边坡的安全系数。通过这种方法还可以同时得到临界滑裂面的位置，Dawsonem等用该方法对边坡进行了分析。曹先锋等基于强度参数折减的有限元法，提出利用温度场来控制强度参数的折减和利用ABAQUS使材料参数随温度变化的功能，整个分析过程是一次完成的，大大简化了计算工作量。此外，还讨论了单元类型对计算的影响，得出采用四节点四边形单元能够保证数值解的准确性。无界元法是PBettess于1977年首次提出的方法。它可以看作是有限元方法的推广，它采用了一种特殊的形函数及位移插值函数，能够反映在无穷远处的边界条件，近年来已得到广泛的应用。其优点是：有效地解决了有限元方法的人为确定边界的缺点，在动力学问题、非线性问题中尤为突出；显著地减小了计算工作量，提高了求解精度和计算效率，目前常常与有限元法联合使用。离散单元法是由PACundall于1970年首次提出并应用于岩土体稳定性分析的一种数值分析方法。它将所研究的区域划分成一个个多边块体单元，单元之间通过接触关系，建立力和位移的相互作用关系，通过迭代，使每一块体都达到平衡状态，块与块之间没有变形协调的约束，但需满足平衡方程。离散单元法的原理比较简单，但在分析被结构面切割的岩质边坡的变形和破坏过程时却是非常有用的。它的一个显著优点是利用显示时间差求解动力平衡方程，可求解非线性大位移和非连续介质大变形问题。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告在边坡稳定性分析的数值方法中，还有连续介质快速拉格朗日法(FLAC法)、块体介质不连续变形分析法(DDA)、集中质量法、剪切梁法、流形元法等。③拟静力法拟静力方法，也称为等效荷载法，即通过反应谱理论将地震对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示，然后根据这一等效荷载用静力分析的方法对结构进行内力和位移计算，以验算结构的抗震承载力和变形。是一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，它发展较早，迄今仍然被广泛使用。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上，其核心是设计地震加速度的确定问题。该方法能在有限程度上反映荷载的动力特性，但不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。但是，拟静力法的优点也很突出，它物理概念清晰，与全面考虑结构物动力相互作用的分析方法相比，计算方法较为简单，计算工作量很小、参数易于确定，并积累了丰富的使用经验，易于设计工程师所接受。但是，应该严格限定拟静力法的使用范围：它不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合，而且只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计。④Newmark滑块分析法Newmark法首先假定滑动面并确定其屈服加速度值，然后通过动力分析判定是否产生滑移；是在Newmark提出的屈服加速度的概念基础上进行计算的一种方法。Newmark把土体假定为一刚塑性体，并用圆弧法来进行分析。其基本原理是，将超过潜在滑动区土体加速度的加速度反应，做两次积分，进一步来估算土质边坡的有限滑动位移，如图2所示。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告图2Newmark滑块分析法计算原理位于土质边坡上的滑块，在没有开始滑动之前，边坡的稳定安全系数。当有地震作用在边坡上时，滑动区土体处于临界状态，这个时候，此时的地震动加速度就是屈服加速度。在用拟静力法计算时，屈服加速度可用屈服地震系数来表示。当滑动区土体开始滑动时，，与此同时滑动区土体也将产生速度和位移。假设地震发生时伴随多个脉冲，第一个脉冲的加速度超越后，滑动区土体开始滑动，随之产生速度和位移。当这个脉冲的加速度减小到小于的时候，滑动区土体的速度就减小，直至土体停止滑动。⑤动力有限元法动力学的有限元法同静力学问题，是把物体离散为有限个单元体，考虑单元的惯性力和阻尼力等动力因素的特性。考虑各个节点上的力和荷载的平衡条件可得到结构动力的平衡方程：（1）式中：—结构整体质量矩阵；—结构整体阻尼矩阵；—结构整体刚度矩阵；—结构节点荷载矩阵；—结构节点加速度；—结构节点速度；—结构节点位移。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告在动力问题有限元法当中，较为常见的方法是振型叠加法和时程分析法。振型叠加法是以质点位移为坐标表示的多自由度运动平衡方程，通过坐标变换使联立方程组成为一组彼此独立的方程组，分别独立求解；时程分析法是把时间离散化，把时间区间分为若干相等的时间间隔，由初始状态开始逐步求解每个时间间隔的状态，综合所有的状态向量得到结构系统在动力作用下的响应解。振型叠加法需要考虑多个振型，只适合于线性问题。假定地基为刚性平面且各点的运动完全一致、结构为完全弹性体、地面运动可以观测记录等。在水平地震作用下，分别考虑各种振型作用下结构响应（位移、变形和内力），进一步分析各振型的综合作用与效应。时程分析法假定在离散的时间区间内满足平衡要求，且假定每个时间区间内的位移、速度和加速度的变化。然而，随着新型边坡加固措施和计算机技术的飞跃发展，尤其以岩土锚固技术为核心的新型支挡结构在边坡工程中的推广应用，边坡稳定分析这一课题获得了新的进展，许多新型支挡结构、新的计算理论和方法不断产生，从而使得边坡支护这一传统技术出现了新问题，这一古老问题又有了新的研究方向。传统的边坡稳定分析主要针对岩土工程问题展开，采用分析方法属岩土力学范畴，而对于新型边坡支挡结构作稳定性分析，由于岩土锚固技术的应用大大加强了支挡结构与岩土的协同工作能力，使得边坡受力体系更为复杂，此时的边坡稳定性分析就不再是单一的岩土问题，而是岩土与结构相互交叉产生的新问题，传统的边坡稳定性分析方法已不再适用于新型边坡支挡结构稳定性分析。但是，大量的工程实践表明，单从稳定性计算理论上还不能完全解决黄土边坡稳定性问题，只有计算理论与黄土边坡的实际工程地质（主要是指土体的重度、粘聚力和内摩擦角）相结合，才能提出较合理可行的方法。针对XX49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告一级公路所形成的深挖路堑高边坡，开展对黄土地区深挖路堑边坡的稳定性和加固措施方面的研究工作是非常有必要，也是具有重大意义的。另外，边坡在开挖和运营过程中的的安全监测，也是十分必要的，通过对边坡的安全监测，可以对边坡的变形起到预警作用，从而可以防止灾害的发生，对保证公路的安全运营有非常重要的作用，边坡监测得到的土体变形规律对今后类似工程也会有重要的指导意义。2.2路堑边坡加固与防护技术研究现状2.2.1路堑边坡加固技术研究现状国外对公路挖方边坡的设计、稳定性评价及边坡防护已进行过探索，但在我国尚属起步较晚的一个领域。路堑边坡加固技术经历了从消极的、被动的加固到主动加固，单一加固到综合治理的过程。路堑边坡加固工程的技术途径可以概括为：减小下滑力或消除下滑因素；增加阻滑力或增加阻滑因素。任何边坡处治工程都是围绕上述两条途径，结合边坡地形、地质、水文、周围环境，因地制宜采取一种或多种措施，达到防止滑坡灾害产生或治理已发生的滑坡灾害的目的。在20世纪50年代，我国边坡处治主要采用地表排水、清方减载、填土反压、抗滑挡墙及浆砌片(块)石防护处治等措施。但工程实践经验证明，采用地表排水、清方减载、填上反压仅能使边坡暂时处于稳定状态，如果外界条件发生改变，边坡仍然可能失稳。20世纪60年代末期，我国在铁路建设中首次采用抗滑桩技术并获得成功。抗滑桩技术的诞生，使一些难度较大的边坡工程问题的处理成为现实，由于它具有布置灵活、施工简单、对边坡扰动小、开挖断面小、施工体积小、承载能力大、施工速度快等优点，受到工程师们和施工单位的欢迎，在全国范围内迅速得到推广应用，并从20世纪70年代开始逐步形成以抗滑桩支挡为主、结合清方减载、地表排水的边坡治理技术。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告在20世纪80年代末期，由于锚杆、锚索的出现、锚固技术理论研究和凿岩机械突破性的发展，使边坡加固技术发展到了一个新的阶段。锚喷技术的采用对高边坡提供了一种施工快速、简单、安全的处治防护手段，因此很快得到广泛采用。对于排水，人们也有了新的认识，主张以排水为主、结合抗滑桩、预应力锚索支挡综合整治。在20世纪90年代，压力注浆加固手段及框架锚固结构越来越多地用于边坡处治，尤其是用于高边坡的处治防护工程中。它是一种边坡的深层加固处治技术，能解决边坡的深层加固及稳定性问题，达到根治边坡的目的，因而是一种极具广泛应用前景的高边坡处治技术。进入21世纪，现代路堑边坡加固，以充分依靠岩土体自身稳定性或合理利用岩土体自身承载潜能的主动工程支护措施（如高压喷射注浆技术、岩土锚固技术、土钉支护技术）与植物防护措施的有机结合成为发展方向。传统的被动支护措施如挡土墙、抗滑桩等，应与主动支护措施相结合构成新的支护型式，如锚杆挡墙、锚杆抗滑桩等。不仅能使边坡支护方式多样化，而且使传统支护技术在保持其固有优点的前提下焕发出新的生机。2.2.2路堑防护技术研究现状（1）国外现状在美国、日本和欧洲一些发达国家和地区，由于建设高速公路的时间比较早，6049 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告年代开始就已经将生态保护和恢复措施纳入了高速公路建设之中，并且为此进行了长期的研究和实践，如今在边坡防护中，基本废止了浆砌片石和喷射水泥砂浆护面等破坏自然环境的工艺，取而代之的是各种柔性支护和绿化措施，基本上实现了全路域绿化。预应力锚索、土工织物、厚层基质喷播等和植物防护相结合的技术已经成为设计施工中的常规技术。岩石边坡的柔性防护、格构加固、客土喷播等技术已成为业内的常识降。美国的路堑边坡设计除保证稳定性外还要考虑为失控车辆的救险提供适当的机会，做成为失控车辆可穿越的地带，而且可进行机械养护，一般采用较缓的坡率，切坡较低。美国从20世纪30年代就开始在公路边坡和机场空地开展植被恢复技术研究，如美国于1936年在加利福尼亚州的AngelesCrest公路边坡治理中就应用了生态防护技术，并采用多种机制奖励对公路绿化做出贡献的团体。1965年，美国制定了高速公路绿化技术标准。工程建设中本着最大程度地恢复原有自然生态的宗旨，进行各种严格的调查研究从而确定生态防护的具体方案。德国公路边坡的绿化美化工作是由专业设计单位根据公路所处的地理位置与气候环境，设计出公路边坡的绿化美化方案。设计方案考虑草本结合、防护效果持久性及后期养护管理成本。德国的公路边坡防护的另一个特点是边坡的防护绿化栽植工作与公路建设的施工相互配合，边坡成型或加固后紧接着就进行植物防护施工，避免了由于外界影响而出现的损坏。日本的公路建设20世纪60年代后期拉开序幕，日本是一个地质活跃、地震多发的国家，又是雨季集中、雨量充沛的地区。在道路防灾、公路绿化和环境保护等方面采取了大量措施。如开挖土石方刚结束，即开始稳固边坡、再造绿化。高边坡每15m一阶，依次而上，每阶都有横向排水沟与纵向排水沟相连，条条排水沟隐约在绵延丛密的草坪中；49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告在设计阶段，利用计算机将各种特定的设计方案进行静态景观预测和动态模拟，根据乘员心理及安全的调查测试及时修正方案。在方案选择上，遵循营造自然气氛，人造环境融于周围环境的原则。在确定和实施边坡绿化方案时，不同土质、不同坡面、不同地段所选用的植物种类、绿化方案和施工手段都不同，在这方面，日本政府及各主管部门制定了一整套成熟的边坡生态防护设计施工规范及指南，如《坡面保护工程一设计施工指南》。日本对边坡的治理和绿化十分重视，其绿化的工艺、技术和设备都具国际先进水平，除坡面必须的工程防护外，其他全部采用植物防护方式来达到防止雨水冲刷、控制水土流失的目的。日本的绿化施工使用机械和人工实施。机械施工包括种子喷播法、客土喷播法、厚层基础材料喷播等;人工施工包括植生带(袋)法、挂网法等。在实践中逐步产生了如喷附绿化、袋筋绿化、岩盘绿化及防灾绿化等许多针对不同类型坡面的工程技术。目前日本正在研究“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。（2）国内现状由于我国的公路大规模建设也仅是近十多年的事，边坡防护工程尚缺乏足够的重视，从目前建成的高等级公路调查来看，我国高速公路设计大多沿袭过去普通公路的设计习惯。边坡防护大量采用浆砌片(块)石护坡与喷射水泥浆等灰色圬工防护方式，生态防护这种绿色防护则采用较少。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告随着人们对环境保护意识的提高，我国从90年代开始逐渐从采用单纯的圬工防护技术，如浆砌片石、千砌片石、喷射混凝上等，转变为采用植被重建技术进行边坡生态防护。国内在生态护坡技术应用方面的研究起步较晚，20世纪90年代以前一般采用撒草种、穴播或沟播、铺草皮、片石骨架植草、空心六棱砖植草等护坡方法。1989年，广东省水利水电科学研究所从香港引进1台喷播机，开始在华南地区进行液压喷播试验。1990~1991年，中国黄土高原治山技术培训中心与日本合作在黄土高原首次进行了坡面喷涂绿化技术试验研究。此后，经过十年左右的发展完善，液压喷播技术已广泛应用于我国不同地区的公路、铁路及堤坝等工程中的边坡防护。1993年我国引进土工材料植草护坡技术，随后土木工程界与塑料制品生产厂家合作，开发研制出了各式各样的土工材料产品，如三维植被网、土工格栅、土工网、土工格室等，结合植草技术在铁路、公路、水利等工程的安排中陆续获得应用。2000年我国自主开发了厚基层基材喷射植被护坡工程技术，用于公路、铁路等岩、土边坡的生态防护技术成果填补了国内空白，达到了国际先进水平。这些植草技术，在我国高速公路生态建设中有不俗的表现。但是这些植草技术针对我国的实际情况(气候变化大、地形复杂、资金不足、坡度陡峭等)均存在不同程度的缺陷，还应加以改进。近年来，随着岩质边坡绿化恢复技术提高，一些具有安全、耐久、环保、生态、经济的防护方案日益取代传统的圬工护坡，以安全、环保为特征的骨架型防护和耐久性良好的柔性防护技术越来越多见于公路边坡。2.2.3路堑边坡支护方案优选研究现状关于路堑边坡支护方案优选的问题，国内已有不少学者对其进行过研究。何忠明等人从模糊多属性决策基本理论出发，建立了边坡支护设计方案优选的评价体系，并根据工程评价特点，采用层次分析法和变异系数法相结合来确定评价指标的权重，构造出边坡支护设计方案优选的决策与评价模型，并把该模型用于某公路边坡支护设计方案优选过程中。从治理可靠性、安全性、工程造价、施工工期、施工难易程度以及对环境的影响6个方面建立了边坡支护设计方案优选的综合评价指标体系。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告王琛等人提出了基于熵权的路堑高边坡防护多目标优选方法对防护方案进行排序。并通过应用实例，得到较优方案。在指标选择上，以安全可靠、环境协调、经济合理、技术可行、施工难易、施工工期6个方面建立指标体系。杨海红等人运用层次分析法的基本原理，建立边坡治理方案评价体系的层次结构模型，并在黄土边坡治理方案的优选中进行了验证。指标体系中，分为总目标层、子目标层(经济效益、社会效益)、准则层(投资总额、工程收益、维护运行费、治理效果、风险性和对环境的影响)和方案层。并对常用的五种边坡加固方案进行了优选排序。刘怀相等人针对大型滑坡体路段边坡治理方案根据层次分析法的基本原理，建立了基于层次分析法(AHP)的评价模型并运用于宛坪高速公路建设实践。层次结构模型中分为总目标层、子目标层(经济、技术、环境)、准则层(建造成本、维修成本、技术可靠、施工效果、技术难度、施工安全、环境、资源消耗)和方案层。叶万军等人根据影响边坡治理决策的定量指标(安全稳定系数、期望造价)和定性指标(施工难易程度、边坡治理效果和环境扰动大小)，建立了基于工程模糊集理论的边坡治理方案优化模型，该模型较好的组合主、客观权重，并在商漫公路中得到应用。刘海松等人在黄土地区公路高边坡的防护技术研究工作基础上，将模糊综合评判方法应用于方案优化中。确定边坡综合坡比、地质结构模型、边坡高度、边坡坡型、降雨量以及施工条件6项指标为影响边坡防护方案的主要因素。赵发章、冯光乐等人从稳定的角度，结合经济性原则，并以经验的方案设计为基础，利用工程类比法，通过坡高H和安全度A这两个变量来确定推荐方案。并且初步探讨了工程与环境条件的相互作用关系。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告谢全敏等人针对岩体边坡治理方案评价的多目标、多层次的评价及其评价指标的模糊性问题，提出了基于熵权的岩体边坡治理决策的模糊层次分析方法，并建立了包括经济指标(投资总额、工程收益和维护运行费)、社会指标(治理效果、风险性和对环境的影响)的指标体系。刘莉等人将层次分析求得的权值向量引入模糊综合评判，通过层次分析法和模糊综合评判有机结合，建立了滑坡危险性评价的层次分析一模糊综合评判模型。工程应用结果表明该方法合理可靠。2.2.4路堑高边坡加固技术通过对路堑边坡工程的稳定性分析和计算，稳定性较差或不稳定的边坡，需要设置科学合理的措施来加固，保持边坡长期稳定。（1）消方减载作用机理：按一定的坡率和设分级平台的方法将边坡刷方到稳定边坡。在滑坡后部减重，在前部反压。包括稳固边坡坡脚、减低分级平台高度、加宽平台宽度，放缓边坡坡率。优缺点：施工粗放。一方面大量消坡破坏了原始的地形、地貌，另一方面需要解决弃方问题，造成严重的水土流失，破坏了原有自然边坡植被和环境。适用条件：低矮平坦的边坡，或少量刷方不会引起大的边坡变形的地带，或具有减重和反压的条件。应用状况：是进行工程建设最原始的一种方法。作为一种辅助措施，应尽量少用。（2）支挡①挡土墙49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告作用机理：靠墙底摩阻力和墙前被动土压力平衡边坡破坏力，利用自身重量或部分土体保持墙体不会倾倒，当坡体厚度和推力不大时，可采用挡土墙。当坡体推力较大时，按抗滑挡墙设计。当坡体较长时，亦可考虑采用分级挡墙。按照其结构特点，可以分为重力式，半重力式，悬臂式，扶臂式，锚杆式，锚定板式，加筋挡土墙。优缺点：施工简便，取材容易，大多为石料和少量水泥，个别用混凝土代替。需跳槽开挖，施工不当会造成坍塌，抗滑能力有限。适用条件：边坡病害破坏较浅，破坏力不大的较矮边坡。应用状况：是我国20世纪50年代常用的抗滑支挡结构，为适应地形地质条件演绎出了多种断面形式，今后会逐渐减少应用和降低其使用高度。②抗滑桩作用机理：为侧向受荷的柱形支撑构件，是将边坡上部破坏力通过桩身传递到下部锚固段，由锚固段的侧向阻力来平衡，类似于一种悬臂受力结构。抗滑桩从早期的木桩，到近代的钢桩和目前在边坡工程中常用的钢筋混凝土桩，断面形式有圆形和矩形，施工方法有打入、机械成孔和人工成孔等方法，结构形式有单桩、排桩、群桩和预应力锚索桩等。桩的锚固深度是抗滑桩发挥作用的关键因素，锚固深度不足，抗滑桩不足以抵抗滑体推力，容易引起失效，锚固过深则造成工程浪费，并增加施工难度。桩的锚固深度原则上由桩的锚固段传递到滑面以下地层的侧向容许抗压强度、桩基底的容许承载力来确定。根据经验，对于土层或软质岩层，锚固深度取l/3~l/2桩长比较合适，对于完整、较坚硬的岩层可取l/4桩长。优缺点：桩位可灵活设置，可集中设置在滑体的某一部位，可单独使用或与其他结构联合使用，施工安全，施工过程中可验证地质资料。外露式影响环境美观，由于受力状态不理想，为克服较大弯矩一般断面较大，配筋率较高，造价也较高。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告适用条件：适用于松散、软弱、地下水丰富而不易产生锚固力或对预应力锚索有腐蚀作用的地层。应用状况：20世纪60年代开始，长期为治理大型滑坡的主措施，应用较广泛。80年代应用以后，大多情况下被预应力锚索抗滑桩替代。外露式的抗滑桩在路堑高边坡防治中不宜采用。③预应力锚索抗滑桩作用机理：上端类似铰支，下端类似弹性固结的梁式结构，由锚索拉力和桩身抗力抵抗边坡破坏力。能承受比抗滑桩更大的土体压力或滑坡推力。优缺点：与抗滑桩相比施工较复杂，机械化程度高，工期短，节约材料，成本低。适用条件：适用于变形位置在路基面以下较深的路堑边坡或桥隧地段深层滑动，在路基面以上时要与其他措施比较。应用状况：20世纪80年代应用以来，应用相当广泛，外露式的不宜采用，不易形成锚固力和对预应力锚索有腐蚀作用的地层不宜采用。④预应力抗滑桩作用机理：与普通抗滑桩的作用机理相同，桩身采用预应力钢筋混凝土。优缺点：与普通抗滑桩相比，桩截面更小，节约材料，施工方便，桩身变形小、桩体变位小。适用条件：适用于桩身弯矩较大的情况，对桩长和截面尺寸控制设计的桩没有优势。应用状况：目前正在开发中，有一定的应用前景。⑤抗滑明洞49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告作用机理：像挡墙和抗滑桩一样，具有抗滑的作用，又能防治小型崩塌、落石对道路的破坏。优缺点：其作用效果较好，但施工复杂，结构笨重。适用条件：适用于即有高处的危岩威胁，又需要抗滑的地段。应用状况：在修建宝成铁路时开始应用，目前铁路应用较广泛、公路应用较少。（3）加固①锚杆（锚索）加固作用机理：锚杆(锚索)锚于稳定岩体中，靠锚固力提供抗滑力，分为非预应力锚杆(锚索)和预应力锚杆(锚索)。优缺点：结构轻巧，机械化程度高，框架(地梁)内可绿化，但钢筋锚杆的锚固力有限，可采用自上而下的分层施工法，对边坡的扰动小。适用条件：非预应力锚杆(锚索)适用于边坡坡体破碎、边坡地层软弱、易发生浅层边坡失稳的边坡防护；预应力锚杆(锚索)适用于坡体较高、潜在破裂面位置较深、岩层边坡施工期稳定性差或土层锚固性能较差等的边坡防护。应用状况：可以代替土钉墙、挂网喷浆及抗滑挡墙。在能产生锚固力和不腐蚀钢筋的浅层路堑边坡、城市建筑边坡的加固具有优势，可广泛应用。②格构加固49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告格构加固技术是利用浆砌块石、现浇混凝土或预制预应力混凝土进行边坡坡面防护，并利用锚杆或锚索加以固定的一种边坡加固技术。其作用原理与锚索作用原理基本相同，但格构加固技术是格构梁与锚索的综合应用，是一种兼顾深层加固与浅层护坡的滑坡治理措施。根据格构采用的材料不同，格构可分为浆砌块石结构、现浇混凝土格构和预制预应力混凝土格构，目前我国在边坡工程中主要使用浆砌块石和现浇钢筋混凝土格构，格构常用的形式有方形、菱形、人字形和弧形四种。对于格构加固，锚索加在格构梁的交点处，锚索锚于滑动面以下稳定地层中，锚索利用锚固力主动抗滑，格构梁一方面表层护坡，同时又作为反力装置给滑体施加应力来稳定滑坡，因其与坡面接触面大，特别适合坡面岩土承载力较差时使用，因此该结构适用于整体稳定性差、前沿坡面须防护的中、小型疏松介质边坡的整治，尤其是适用于削坡条件受到限制的边坡整治工程。a、预应力锚索框架地梁植被护坡作用机理：框架起框架作用，预应力锚索锚于稳定地层中，变被动受力为主动抗滑，预应力改善了边坡岩体的受力状态。优缺点：框架地梁可贴刷方边坡施工，框架内覆土植草，较缓的土质边坡可镶嵌在边坡内，可直接植草，可分层施工，减少扰动。施工机械化程度高。比抗滑桩工程减少投资50%。施工时不必开挖而扰动边坡，施工安全快速，与植被恢复结合还可美化环境，特别是钢筋混凝土格构、预应力混凝土格构与预应力锚索的联合应用，变被动抗滑为主动抗滑，充分发挥滑体的自承能力，是一种非常经济、合理的加固措施。适用条件：适用于加固变形位置在路基面以上或较浅的路堑边坡或自然边坡的深层变形，可加固具有较大变形破坏力的边坡。应用状况：适用于能产生锚固力和没有钢筋腐蚀的地层，变形位置在路基面以下较浅或在路基面以上的深层变形破坏，可代替外漏的抗滑桩、预应力锚索抗滑桩，应用广泛。b、预应力锚索地梁植被护坡49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告如果是浅层稳定性好，但深层易失稳的高陡岩上边坡，不必用框架固定浅层，而只用地梁即可。这样可去掉框架的横梁，从而节省较多的材料。起低碳环保的效果。地梁用预应力锚索固定于坡体，对于稳定性较好的坡体还可采用锚杆固定。地梁之间可采用液压喷播或厚层基材喷射材料护坡等方法进行植被恢复。如果坡体浅层稳定性较差，可在地梁之间采用浆砌片石形成框架，然后再在框架内植被护坡。③注浆加固注浆加固技术是一项实用性很强、应用范围很广的工程技术，它是用液压、气压或电化学的方法，将能与岩土体固结的浆液注入到岩土体的孔隙、裂隙中使破碎、松散的岩土体固结成强度高、抗渗性好、稳定性高的新结构体，从而达到改善岩土体物理力学性质的目的。注浆的材料主要有化学类浆材(如水玻璃类浆材和有机高分子类浆材)和粒状浆材(指水泥、粘土、砂土、粉煤灰等颗粒状材料)。采用的注浆方法有钻杆法、花管法、双层管双栓塞法、同步注浆法、压实注浆法、高压喷射搅拌法等。注浆加固是通过把浆液注入岩石的裂隙或土体的孔隙，等浆液凝固后，使岩层和土体的强度大大提高，并改变岩土的力学性状，从而增强岩土的稳定性，因此被广泛地应用于铁道、公路、矿山及工民建筑中。虽然注浆加固在土木工程中被广泛的应用，但由于是一种新兴的加固技术，在各方面还有待于进一步的深入研究，比如岩体结构理论的完善、注浆加固体强度理论的研究。目前国内外对注浆加固技术还处在半经验半理论的阶段，理论上还有很多问题尚待解决。介绍几种常用的注浆加固技术:49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告a、压浆锚柱作用机理：往地层注入水泥浆以改变岩土体物理力学性质从而稳定边坡的一种方法。注浆提高岩体强度，压浆柱中插入钢筋笼，起抗滑销键作用。优缺点：结构轻盈，机械化程度高，柱顶用框架连接，框架内可绿化，对原有边坡扰动小。难以检测注入范围和判断固结状态。适用条件：适用于滑动较浅的风化破碎岩石、残积土等滑坡。应用状况：目前已有成功的事例，在浅层变形和范围较大的边坡的加固具有应用前景。b、竖向钢花管注浆作用机理：注浆加固了岩体的强度，钢花管和灌浆体构成微型桩，其抗滑作用。优缺点：施工机械化程度高，安全永久性强，可控制注浆的深度和注浆量，可在破裂面位置多注浆，注浆工艺先进，可恢复植被。适用条件：适用于变形范围较大的残积、坡洪积及岩石滑坡、浅层坍塌体的加固。应用状况：对软弱结构带比较清楚地变形体的加固具有明显优势。目前已有许多成功事例，可推广应用。c、钢花管锚杆框架作用机理：集锚固机理和注浆机理与一体，既提高了岩土体的强度，又提供了抗滑力。优缺点：技术先进，安全可靠，机械化程度高，结构轻巧，美观，可恢复植被。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告适用条件：对于软弱结构带位置难于摸清和会发生变形的松弛变形体加固效果明显。应用状况：在多条高速公路己推广应用，具有较大的应用前景，特别适用于软弱破碎岩体的一级边坡的加固。d、高压喷射注浆法高压喷射注浆法是近年来大力发展的新型边坡加固方法，包括旋喷法和定喷法，特别是定喷法有的放矢、针对性强、质量好、可靠性高，而且节约浆液，在不对周围环境产生危害的同时，降低工程造价。该法既可单独应用，也可与主动或被动支挡结构配合，起到减少支挡结构侧压力、止水防渗、防止砂土液化等功效。适用于破碎块石、岩锥碎屑等石质土边坡和土质边坡，可大大提高边坡岩土体的抗剪强度（最大可提高200%~300%）。④土钉支护技术土钉支护技术:土钉支护技术是从新奥法（NATM）发展演变过来的。实践证明，该技术在其适用范围内，具有最优的经济指标，而且施工随挖随支，基本不占用工期。目前，该技术在我国深基坑工程中得到了广泛的应用，但在公路边坡支护工程中公开发表的工程应用实例尚较少。土钉支护技术可分为土钉墙法和喷锚网支护法。土钉墙法支护原理是在土体内设置一定长度和分布密集的锚钉，通过锚钉加固体表面与土的摩阻力，约束土体变形;通过锚钉与土体的共同作用，使土体自身的承载潜力得到充分发挥，并形成一个复合墙体，如同重力式挡土墙。但土钉对土体的约束需要以土体变形作为补偿。土钉墙法在工程应用中的新近改进及发展有注浆式土钉、止水型土钉墙、复合式土钉墙等。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告喷锚网支护通过混凝土、钢筋网和锚杆共同作用形成复合体，可提高边坡岩土的结构强度和抗变形刚度，增强边坡的整体稳定性和承载能力。主要适用于岩性较差、强度较低、易于风化的岩石边坡;或虽为坚硬岩层，但风化严重、节理发育、易受自然应力影响导致大面积碎落，以及局部小型崩塌、落石的岩质边坡。缺点是破坏周围环境、景观效果差。（4）排水水对边坡稳定影响是很大的，尤其是突发性的降雨。从事边坡治理工程的人都知道了“治坡先治水”的原则。排水体系分为地面排水和地下排水体系两部分。①地面排水体系a、边沟：设置在挖方路基的路肩外则，用以汇集和排除路基范围内和流向路基的小量地面水。b、截水沟：设置在挖方路基边坡坡顶以外，或山坡路堤上方的适当位置，用以截引路基上方流向路基的地面径流，防止冲刷和侵蚀挖方边坡与路堤坡脚，并减轻边沟的泄水负担。岩石裸露和坡面不怕冲刷的路段，可不设置截水沟。c、排水沟：用来引出路基附近低洼处积水的人工沟渠。形式可以加以改进，把水沟改成蝶形并绿化，增加边坡的美学效应。d、急流槽：设置于需要排水的高差较大而距离较短或坡度陡峻的地段。急流槽是具有很陡坡度的水槽，但水流不离开槽底。它的作用主要是在很短的距离内、水面落差很大的情况下进行排水，多用于涵洞的进出水口，或在特殊情况下，截水沟流向边沟的地段。②地下排水体系49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告a、渗沟：渗沟是常见的一种地下排水沟渠。在湿润或渗水的山坡上开挖路堑，或修筑路堤，为防止路基以外的地下水渗入，修筑渗水沟截水，并将水引出路基范围以外。渗沟按其作用的不同，可分为支撑渗沟、边坡渗沟和截水渗沟三种。b、盲沟（即渗水隧洞）：主要用于截排或引排埋藏较深的地下水。c、平孔：主要用于排除深层地下水。土层和基岩均可采用。根据水文地质条件，水平钻孔可以上倾或下倾50~100。③排水体系的综合设计在边坡防排水工程措施的选择上，一定要注意将边坡所在地区的降雨情况、水文地质条件以及生态环境建设等相结合的原则进行选择，并将各种防排水措施相结合，不能单一使用某一种或某两种。还应注意各种设施的衔接，使之构成统一完整的排水系统。2.2.5路堑高边坡防护技术路堑边坡防护的主要措施有工程防护和植物防护。工程防护主要有护面墙、砌石、水泥砂浆抹面或锚喷护坡等，其通过水泥、砂(砾)或石料在坡体表面形成坚硬的铺砌层或封闭层，防止边坡受到自然因素作用造成冲刷、剥落、坍塌或滑溜。植被防护则是靠植物根茎与土壤间附着力及根茎的相互缠绕来达到提高边坡表面抗冲刷能力、加固边坡，目前的植被防护方法主要有：人工植被、植生带、液压喷播、网袋工程、预制格构工程、厚层喷播、有机质喷播等，这些方法各有优缺点，有其自身的适用条件。（1）工程防护技术①片(块)石护坡和护面墙：片(块)49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告石分为浆砌和干砌两种。护面墙比护坡厚，有一定的抗推力作用。其优点是能就地取材，工艺简单，但自重大，不宜在高边坡上使用。②浆砌石骨架植被护坡：该方法是采用浆砌石在坡面筑成框架，通过苗木栽植和播种进行绿化的一种植被护坡技术。主要有拱形骨架、菱形骨架、人字形骨架、六边形(圆形、鱼鳞形)等，为减轻坡面冲刷，设计和施工过程中采用截水型浆砌石骨架。浆砌石一般应用于各类土质坡面、路堑边坡和强风化岩质边坡，坡率一般为1:1.0~l:1.5，每级高度一般不超过10m。③混凝土框架植草护坡：该方法是在坡面上现浇钢筋混凝土框架，在框架内回填客土，通过苗木栽植或播种进行绿化的一种植被护坡方式。钢筋混凝土加固边坡的作用比浆砌石骨架植被护坡更强，适应的范围更广，绿化效果更好。④喷射混凝土护坡：对一些较高的风化岩石边坡，采用喷射混凝土做护坡，分为普通喷射、挂网喷射、钢纤维喷射和造膜喷射四种，可阻止风化，对景观有一定影响，应尽量少采用。（2）传统的植物防护技术随着环境保护意识的提高，路堑边坡已经从单纯的工程防护转入了生态植物防护与工程防护并用，不但起到了稳定边坡的作用，而且还降低了造价，缩短了工期，美化了路容、路貌。①铺草皮护坡：该方法是将生长优良的草坪，铲起运至裸露的坡面，按照一定规格重新铺植，快速成坪的护坡绿化技术。一般选择交通方便、上壤肥沃、灌溉条件好的苗圃地作为普通草皮的生产基地，铺草皮护坡常应用在平缓的土质坡面。②植生(袋)带护坡：植生带是根据特定的生产工艺，将草种、肥料、保水剂等按一定的比例定植在可自然降解的无纺布或其它材料上，经过机器滚压和针刺49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告复合定位工序形成的。植生带已广泛应用于城市园林绿化、水土保持和边坡绿化中。植生带质地柔软、轻便、厚薄均匀，具有较好的抗拉强度，铺设施工后能较快地自然降解。植被种子应颗粒饱满、有较高发芽率和发芽势。植生带护坡优点是可以适宜于凹凸不平的复杂边坡及坡度较陡的边坡。③生态袋绿化护坡：生态袋是由高分子聚乙烯及相关材料制成，耐腐蚀性强，透水不透土。该材料容许水从其表面渗出，减小边坡的静水压力;不容许袋中的土壤外流，为植被的生长创造了良好的条件。生态袋绿化系统由连接扣、固定扣、锚杆和加筋土工格栅组成，通过连接扣和固定扣将生态袋相互之间连接起来，通过锚杆和加筋土工格栅将生态袋和原始坡面锚固在一起。生态袋绿化护坡一般适用于各类土质边坡;同时也适用于泥岩、灰岩、砂岩等岩质路堑边坡。④等高植物篱护坡：该方法是在坡面上沿等高线每隔一定距离密集种植生长速度快，萌生能力强的灌木或小乔木。等高植物篱能有效控制水土流失，增强土壤肥力，促进养分循环，抑制杂草生长。等高篱植物应具有适应性广、易繁殖、根系发达、耐痔薄等特性，常用的植物有香根草、黄荆、马桑、紫穗槐等。该方法己成为坡耕地治理和植被恢复的重要措施。⑤藤蔓植物护坡：该方法是利用植物本身的攀缘或垂吊生长习性，通过缠绕、攀缘等方式生长在岩土坡面上，达到美化环境和护坡的效果。藤本植物具有生长迅速、易与环境协调等特点，尤其能在乔灌木和地被植物所不能生存的环境中迅速形成景观，改善生态环境。常用的藤蔓植物有爬山虎、络石、常春藤、葛藤、紫藤、扶芳藤、云南黄馨等。⑥土工格室防护技术49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告土工格室是由高分子聚合物片材经高强力焊接而成的一种三维网状结构。具有较高的承载力，并且有很强的拉冲击能力。它可以固定土方，夯实后铺草皮，可以减少对表土的冲蚀作用和地表水渗水的侵蚀，增强整体作用和抵抗变形能力。土工格室的锚固方式应根据各边坡的坡度及土质情况确定，土工格室质量和回填土质量是边坡植被绿化质量的关键控制因素。一般用于坡比缓于1:0.5的土质和石质边坡。该护坡方法施工方便，可调节性较好。（3）新型防护技术我国在20世纪90年代，开始应用新型植物防护技术，发展十分迅速。①三维植被网护坡：三维植被网是由多层塑料凹凸网和高强度双向拉伸平面网复合而成的三维立体结构网垫。三维网在结构上分为基础层和网包层(均双层)，双层基础层和网包层网格间的经纬线交错排布，并在交接点处经热熔后黏结，形成立体拱形隆起的三维结构。该方法具有固土性能优良、减蚀作用明显、网络加筋突出、操作方便、造价低等优点，缺点是耐低温性能落差。一般应用在各种土质边坡、路堤路堑边坡和强风化岩石边坡，常用坡率一般在1:l.5左右。②液压喷播护坡：该方法将植被种子、有机纤维、保水材料、粘合材料、肥料、染色剂等与水的混合物通过专用液压喷播机喷射到预定区域的高效绿化技术。液压喷播植草护坡具有机械化程度高、技术含量高、施工速度快、成本相对较低、草坪均匀度大等优点。适合区域为：湿润区和半湿润区，可用于面状植被恢复的各类绿化工程。液压喷播护坡一般用于土质路堑边坡，常用坡率一般为1:1.5~1:2.0，坡高一般不超过10m。③49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告客土喷播技术：该技术是使用专用机械设备，将植物种子和客土和各种添加物均匀地混合在一起，以压缩空气或高压水流为输送载体，把混合物料喷附在岩土坡面上的绿化方法。首先是通过搅拌机将当地适生土壤、有机质、长效缓释肥、保水材料、粘结材料、酸碱调节剂搅拌均匀，形成生长基质材料，然后输送到喷射机的料斗，在压缩空气的作用下，生长基质材料由输送管道到达喷射口与来自水泵的水流汇合使生长基质材料团粒化，并通过喷枪喷射到坡面，在坡面形成植物的生长基础层，最后将优选的植物种子和少量的生长基质材料按一定比例搅拌混合，按照同样的施工顺序将植物种子混合物喷射到坡面上。客土喷播工程设计对于稳定边坡首先进行设计调查，根据地区环境观察、周边植物调查、地形地质调查、气候资料调查确定坡面目标植物群落选型及混合植物种子设计。然后根据边坡类型确定锚杆及挂网设计，再根据气候区划确定客土混合物配合比设计，同时根据边坡类型、年平均降水量、边坡坡度确定客土混合物喷射厚度及材料用量设计，客土喷播厚度一般为3~5cm。对于不稳定边坡则在设计调查之前，首先对边坡采取工程加固措施，保证边坡深层稳定之后再按稳定边坡的步骤进行客土喷射植被护坡结构设计。施工顺序为:清理坡面、钻孔打锚杆、挂网、锚固、物料混合、喷射客土，养护。该项技术具有技术含量高、速度快、绿化效果好、抗侵蚀能力强、适用范围广、成本相对较低等优点。该技术主要是针对岩石边坡等硬质边坡研究开发的一种先进绿化技术，适用于湿润区和半湿润区的各种岩土坡面。不挂网的客土喷播可用于坡度在45°以下的边坡，挂网客土喷播可用于坡度在60°以下的边坡。目前这种护坡方法己广泛应用于水利、公路、铁路等工程的坡面绿化中。④喷混植草：喷混凝土植草也是类似于客上喷播的一项生态防护技术。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告对于边坡稳定性不足者，首先在坡面上打设锚杆并挂镀锌编织铁丝网起到稳定坡面的作用，然后将由勃土、谷壳、锯末、水泥、复合肥以及草木种籽等通过一定配方拌和的混合物喷射在边坡上，喷射厚度一般为0.06~0.lm，视坡率和坡面的破碎程度而定。对于边坡比较稳定者则可以直接在原始坡面上喷射混合物。一周之后，岩石坡面上就会逐渐形成草木结合的植被绿化。在该技术中，混合物配方是成功实施的关键。良好的配方能够达到在陡于1:0.75的边坡上既具备一定的强度保护坡面和抵抗雨水冲刷，又具有足够的空隙率和肥力以保证植物生长。⑤生态路堑墙护坡土工合成材料生态路堑墙主要是指利用能够高强度、低变形的土工合成材料如土工格栅、土工格室和纺织物构筑成加筋土护面墙。加筋土墙面板由土工合成材料反包或筋材与其他形式的土工合成材料组合使用而构成，并在靠坡面的浅层土中混有草种和肥料，这样随着草种的生长繁殖，植物根系在土中错综盘结，是加筋土体成为土与草根的复合体。土工合成材料在生态路堑墙中可以起到多方面的作用，一是发挥材料的加筋作用，形成水平排水通道，组织变平坦的移动；二是土工合成材料面板(格室)或反包部分有利于植物的生长。这种新型结构既增强了边坡的稳定性，又解决了边坡绿化问题。⑥厚层基材喷射植被护坡（TBS）：将人工配制的植物生长基质与植物种子、防侵蚀材料等混合在一起，采用混凝土喷射机，通过高压空气将其喷射到需防护的工程坡面的绿色护坡技术。厚层基材喷射植被护坡技术主要针对岩石边坡的植被防护而开发的。同其他几类技术相比厚层基材喷射护坡技术具有施工工艺简单、成本较低及后期管理粗放的优点，且其应用范围更加广阔。⑦SNS柔性防护网49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告SNS（SafetyNettingSystem）是瑞士布鲁克公司开发研制的一种边坡防护系统，它是利用钢丝(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。该系统包括主动系统和被动系统两大类型。主动系统是通过锚杆和支撑绳固定方式将钢丝(绳)网覆盖在有潜在崩塌落石灾害的坡面上，阻止落石发生和限制崩岩活动范围，防止落石危害;被动系统是一种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丝(绳)网为主题，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。SNS主动系统的适用性分析：与圬工结构为代表的传统方法相比，主动SNS具有柔性和高强度，更适用于抗击集中荷载或高冲击荷载(限于被动系统)。具有施工快速方便、良好的地形适应性及经济性、可靠性等优点，尤其适合于破碎岩质整体稳定边坡的防护。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，美化环境其在环保方面的社会效益是其他方法所无法比拟的。SNS作为一种开放式的系统，可以配合多种植被绿化方法对边坡进行综合防护，既可保证高大边坡的稳定，确保道路安全畅通，又能恢复山体因开挖而破坏的植被，达到绿化、美化环境的效果。可以与主动SNS结合对坡面进行植被恢复的绿化方法主要有:客土喷播绿化、挂三维网植草绿化、垂直绿化。2.3边坡优化理论与方法研究现状由于电子计算机的普及和计算机技术的飞速发展，目前几乎所有结构的计算问题都能够借助于电子计算机来完成。在这个基础上，运用数学手段，使结构产生了新的设计方法——49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告结构优化设计方法。许多工作者得以从繁琐的计算机工作中解脱出来，把精力转向结构的优化设计。优化设计的出现，使设计者从被动地设计方案进行校核进入主动的方案设计，因而这是结构设计上的一次飞跃。与传统的结构设计相比较，优化设计不论在复杂性和困难程度方面都要大很多。从已有经验看，与传统结构设计相比，用优化设计可以使工程造价降低5％~30％，优化设计能最合理的利用材料特性，使结构内部各单元得到最好的协调，并具有有规范规定的安全度。同时，它还可以为整体性方案设计进行合理的决策，优化设计是实现设计的最终目标——安全，适用，经济的有效途径。2.3.1结构优化设计的发展历史1854年，Mexwell建立了最佳结构设计的布局理论，其后于1904年由Michell完成了该理论的概念扩充和首次应用。20世纪40年代提出的同时破坏方式理论假定，认为整个结构破坏时每个元件都达到强度极限就是最佳结构，但这里的同时是指单工况的情况，这些工作可见Shanley、Gerard和Cox等人的著作。其后由同时破坏方式理论推广产生的满应力设计法并开始在结构优化中得到一些应用。Schmit于1960年提出将结构分析的有限元素法与数学规划法结合，从而把数学规划引进结构设计领域以处理含不等式约束条件的结构优化问题，首次构造了多工况作用下弹性结构优化设计的数学模型并提出了应用数学规划求解的方法，从此结构优化设计才较快的发展为一门独立的学科。随后，针对应力、位移、频率等不同约束的结构优化问题，研究者相继采用线性规划法、梯度投影法、可行方向法以及罚函数法等各种不同的方法来求解。但这种直接采用数学规划方法而不考虑力学特性的算法效率不高，如计算量大、收敛较慢。为此，优化准则法才开始得到大量研究和广泛应用。准则法是通过力学概念或工程经验来建立相应的最优设计准则，具有物理意义明确、方法相对简便、优化中结构重分析次数少、收敛速度较快等优点。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告1968年，Prager等针对简单连续体问题提出了解析形式的优化准则，后来发展为连续型优化准则。1969年，Venkayya和Gellatly等开始发展离散型优化准则。1976年，Schmit等提出了结构优化的近似概念。1979年，Fleury等首先把对偶理论引入到结构优化问题上来利用可分离问题的对偶规划进行求解，也取得了与DOC法相近的计算结果。1980年，Schmit和Fleury提出了近似概念和对偶方法结合的算法。1991年，Rozvany和Zhou将COC理论的思想扩展到离散结构体系，和有限元结合起来提出一种迭代的COC算法。近20年来，在结构优化领域又涌现出许多新的方法，如遗传算法，进化算法，模拟退火算法，这些方法虽然旨在寻找全局最优解，不建立优化模型。1995年，Houten等人对响应面法在结构优化方面的应用进行了系统的研究。国内专家学者在结构优化设计方面也取得了丰硕的成果。1973年，钱令希院士在中国科学院力学规划座谈会上作了题为“结构力学中最优化理论与方法的近代发展”的报告，引起了全国力学界和工程界对结构优化的关注和响应。1980年，钱令希等人引入倒数设计变量，将目标函数二阶展开，约束函数线性展开，利用K.T条件导出了含Lagrange乘子的设计变量迭代模式，还将非线性规划和准则法两种方法结合起来，把应力约束和位移约束分开来处理，使结构重分析次数进一步的缩减。1983年王光远、霍达等提出了结构两相优化方法；1983年隋允康、钟万勰、钱令希推出了杆、膜、梁组合结构优化的DDDU.2程序系统。1986年周志隆、隋允康等人又推出杆、膜、梁、壳组合结构优化的DDDU.3程序系统，并提出了规划法和准则法一类问题的统一解法。钱令希、钟万勰、程耿东、隋允康等人将序列二次规划（SQP49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告）运用到工程结构优化设计中，为解决多工况、多约束问题提出了有效途径。夏人伟等人研究了以函数的二阶近似为基础的对偶算法，并提出了一种杆系结构几何优化的广义中间变量近似方法。1994年隋允康、邢誉峰等人利用两点积累信息和两点有理逼近对对偶优化方法进行了改进，提出了原、倒变量展开的对偶优化方法，克服了Fleury将对偶规划引入可分离变量问题中的缺陷；隋允康，林龙富提出了序列有理规划SRP方法，将非线性规划问题分别化为等效的LP问题和等效的QP问题进行求解。1995至1996年，隋允康、于新等人对曲线寻优的理论进行了大量的研究，找到了有效的近似解析方法及其逼近方法。1996年隋允康依据Duffin缩并公式将空间框架的尺寸优化模型转化为广义几何规划问题（GGP），基于有限元法概念提出了以梁截面特性（截面积和抗弯模量）为设计变量的解析解。2.3.2结构优化设计的概念以及优点结构优化设计是相对于传统的结构设计而言的传统。传统结构设计是指设计者根据设计要求,如结构尺寸、荷载等级,确定结构方案,然后进行强度、刚度、稳定等各方面的计算。结构设计的主要目的也是简单满足安全使用，由于没有正确的方法指导，常常造成不必要的材料浪费。结构优化设计是指设计者根据设计的要求，在满足各种规范或某些特定要求的条件下，利用数学手段使某些广义性能指标（如重量，造价，刚度或频率）为最佳。结构优化设计与传统的设计方法相比较,有一下有点：（1）优化设计可以加速设计速度、节省工程造价。（2）优化设计有较大的伸缩性.优化设计的工程对象，可以是单构件,也可以是整个建筑构,设计变量可以是一个，也可以是多个。（3）设计者能够利用优化方法进一步贯彻设计意图。（4）结构优化设计方法为结构研究工作者提供了一条新的科研途径。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告2.3.3国内外结构优化设计的发展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（Schmit）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，主要处理那些具有复杂结构系统的涉及，如飞机、卫星、机器人、射电望远镜等，或者大规模的工程建设，如大坝，桥梁，核电站，或者产量大的汽车，机械和轻工业以及创新型的产品涉设计。优化的应用研究还扩大都国土开发资源利用，环境监控与生态保护，以及海洋工程等领域，并且作为一种技术手段用于解决诸如系统辨识，工程反分析等问题。目前优化应用与实际成效远落后于优化理论的发展,应用与理论差距较大的原因是诸多方面的,诸如优化本身的性质,理论研究不足,实际应用中的问题等。由于理论上的局限,很多算法仅当模型正确良好时,才能获得稳定的收敛解,因此大量的文章都限于讨论连续型设计变量,单一目标和确定性问题的优化，而客观世界中的现实问题常包含离散变量，评价设计优劣的标准不是一个而是多个，模型和有关参数亦不是完全确定的而是随机的、模糊的。可见模型与现实之间存在较大差距,有些甚至是根本性的,而忽略这些,过分简化,即使得到了最优解亦很难回归到真实世界中去。另外作为工程设计往往积累有很多经验与知识,形成规范与常识来指导设计过程,其中有些是难于进行数学描述的。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告实际结构问题,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。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。如何从实际问题中提取出合适的模型，这是工程设计者的任务。由于实际问题的多样性，且各具特色，还缺乏具体的系统的方法与规则，以及简化的尺度。因此只有加深对优化原理与方法的理解，通过实践逐步积累经验，才能掌握有关辨识问题、模型抽象、选择合适算法与求解的技能，当然这需要发展的时间。还应指出，优化设计是一种“综合”,它要综合各方面的因素、要求和约束,以产生一个尽可能理想和满意的设计方案,显然其复杂和困难程度要比单纯的分析大得多,计算工作量有量级上的差别,需要有高速、大容量的计算机和完善的软件支持，才能取得成效。以上这些问题目前正在得到改进与克服，人们更加注意离散变量、多目标问题与非确定性优化的研究与应用，模型塑造亦更加切合实际要求，形成若干程式。随着计算机硬软件的飞速进展，出现了更为灵活、适应性更广的算法。优化技术提高与完善了计算机辅助设计制造(CAD/CAM)的水平与性能，而CAD/CAM的发展与普及反过来又促使优化设计的深化与实用。在工程设计中人们对优化方法的应用正逐渐深入普及。2.3.4结构优化几个主要问题的现状与发展（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，例如结构单元参数取值是一些非连续点，钢筋与型钢都有一定的规格和型号。因此考虑设计变量从预定的离散序列中取值，更符合实际。离散变量优化的基本特点是变量取值的离散性，可行解集在设计空间中呈散点状分布，即可行域变为可行离散解。从而数学模型中目标函数和约束函数不再具有连续性与可微性，49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告原有连续变量优化中许多有效的解析算法就无法应用，如各种梯度型算法；原有库恩一塔克条件亦失去其意义与作用；而且离散变量优化的数学模型必然属于非凸规划，使各种对偶算法在很大程度上失去其有效性（对偶间隙无法估计）。虽然人们对离散结构优化设计的研究较早，但是由于无法克服离散变量优化本身的困难特征，关于这个领域的研究发展比较缓慢。工程界处理离散变量优化问题的规模都较大，但他们并不追求较严格的最优解，只希望能有较好的近似解，并能估计出近似解与全局最优解的误差。近年来，随着优化方法越来越多应用到实际工程结构优化设计中，许多研究人员开始把关注点放到该领域，提出和发展许多相关的求解方法（分枝定界法、离散拉格朗日法、罚函数法、圆整法、相对差商法以及遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、协调搜索算法等启发式方法）。在各种求解方法中，数学规划方法及其延拓、仿生优化方法通用性较强，能够较好考虑离散变量的结构优化问题，但这些方法求解效率一般不高，优化过程需要较多结构重分析，因此若想在实际结构优化设计中得到广泛应用，还需进一步提高其优化效率。圆整法和相对差商法计算效率较高，但这两种方法均需要基于某些假设（圆整法假定离散优化解位于连续优化解附近；相对差商法则基于目标函数以及约束函数与设计变量之间的单调性关系假设），而这些假设却往往不一定成立，为了应用到实际结构优化设计中，还需对这些方法作进一步修正和拓展。（2）多目标优化49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告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。工程实践中的方案设计，社会发展与国民经济中的规划与决策，大都可以视为多目标优化问题。多目标优化问题，由于有二个以上的目标函数，且各个目标往往具有矛盾性，目标在未经处理之前常具有不可公度性，因此通常不存在或者不能求得问题的“绝对最优解”，只能求得“满意解”。多目标优化问题的求解方式可以由分析人，员提供满意解集，然后由决策者从中选择一个或几个解方案；亦可由决策者与分析者事先商定好“偏爱”或挑选准则，在分析计算过程中依据这些准则，直接给出选择好的解求解多目标优化问题的方法很多，较为常用的有约束法，评价函数法，功效系数法，目的规划法，多属性效用函数法等。（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，是优化成功应用的关键。建模通常包括：建立评价方案优劣的准则函数或目标函数；抓住影响问题的主要因素,提取相应的设计变量；以及根据对问题的各种规定限制与要求，确定有关的约束条件。在“建模、变换、优化一结构综合方法新进展”，中隋允康详细介绍他在模型化上的工作与成果，他根据关系映射反演原则（RMI）分析线性规划与几何规划中的对偶算法和二次规划中的Lemke算法，提出用序列映射方法求解广义二次规划的算法，将离散变量问题映射为连续变量问题，以及拓扑优化中若干新的概念与方法。要简化复杂的实际问题,往往要采用近似化手段。书中介绍了一阶泰勒展式之外的若干更好的近似函数，包括从线性展开到保守展开，单点展开到多点累积展开，由局部到中等范围甚至大范围的逼近等。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告由于结构物本身的材性和所处的环境是受许多不确定性因素影响的，因此它的性态响应亦不是完全确定的。结构优化设计方案不仅是某特定条件下的最优解，还必须能适应结构自身缺陷和外部条件的变异的可靠方案，而满足常规确定性约束的结构优化方案可能对这种变异比较敏感，是不稳定甚至脆弱的，为此开展了基于可靠度的结构优化设计，但可靠度分析需要大量的基本变量与参数的概率特征资料，目前往往缺乏。刘国华等建议采用健壮性约束的概念，即对关系到结构安全的若干性态约束，要计及内部和外部不确定性引起的变异，这种约束所需的指标参数较易确定，所增加的工作量亦主要依赖于敏度分析的计算量。优化模型建立，并不是一劳永逸，而应是一个不断完善的过程。首先应进行模型正确性检验,诸如输入格式检查，变量和参数个数的说明与实际输入的一致性，变量上下限和约束函数情况是否合理（可行域是否为空）。其次是模型全局特征的识别，主要是优化问题的规模、类型属性等，特征的获取可以通过交互询问方式,亦可直接由模型软件提供。再次是在迭代搜索过程中获取局部特征，主要是可行域的形态，目标函数的相对变化趋势，作用约束与冗余约束，以及通过灵敏度分析揭示设计变量，目标与约束函数之间及同类内部的相互影响及其影响程度，以指导优化搜索和分析方案的稳定性与健壮性。除了在迭代过程中积累这些局部特征信息，亦可分阶段地通过正交采样法和随机抽样法来获得局部特征。在对模型进行正确性检验和特征识别后，就可及时开展模型调整，诸如压缩模型维数、删除冗余约束、冻结非作用约束、设计变量和设计函数的尺度变换等，以简化模型和改善性态,提高优化效率和成功率。根据实际问题，利用结构分析理论，选择设计变量，确定目标函数，列出约束条件，即建立优化设计的数学模型。如何选择数学模型与所选的优化算法有关，采用不同的优化算法，要建立的数学模型不同。数学模型还与问题的提出，要求的精度以及所采用的结构分析方法有关。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告①最优化问题的数学模型一般形式为：（2）其中是优化变量，是目标函数；约束函数，是等式约束，是不等式约束，等式约束和不等式约束统称为约束条件。是subjectto的缩写，表示优化变量受约束条件的限制。式（2.2）又可写为：（3）为约束集合，或约束区域，或可行域。若，称为可行点或可行解,最优化问题可分为有约束问题和无约束问题。其中，若（3）中不含约束条件，即，称（3）为无约束最优化问题，记为：若模型（3）含有约束条件称之为有约束最优化问题。有约束问题依据约束的性质不同又分为等式约束问题、不等式约束问题和混合约束问题；只含等式约束称之为等式约束问题，只含不等式约束称之为不等式约束问题，等式、不等式约束均含者称之为混合约束问题。若模型（2）中的目标函数和约束函数都是线性函数称之为线性规划。若，至少有一个是非线性的称之为非线性规划。为二次函数，都是线性函数称之为二次规划（特殊的非线性规划）。一般只讨论的极小问题。若求极大问题，可取便可转化为求的极小问题。49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告②优化设计的三大变量a、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。设计变量可以是结构构件的截面参数，如截面的高或宽，截面惯性矩，也可以是和结构整体有关的几何参数，如节点坐标，梁的间距，拱的失高，还可以使有关结构材料的参数，如混凝土标号，材料的弹性模量。设计变量有点是连续的，有点是离散的。处理连续设计变量，问题比较简单。当牵涉离散的设计变量，通常先按连续变量处理，最后决定方案时，选取最为接近的离散值。b、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。优化设计就是从许多的可行设计中，以目标函数为标准，找出这个函数的极值（极小或极大），从而选出最优设计方案。目前通常以结构的重量作为目标函数，也有以结构造价、体积、刚度、承载力作为结构优化设计的目标。在需要时，目标函数也可以用所需要特征的加权和表示。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。c、约束函数49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告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。对某个或某组量的直接限制的约束条件称为显约束；对某些与设计变量的关系无法直接说明的量加以限制的约束条件称为隐约束。土建结构优化设计的约束条件可以分为两大类，一类时由设计规范等有关规定和要求的数值，如钢筋混凝土的最大或最小配筋率，板的最小厚度，这类约束一般都是显式约束，一类约束条件是对结构的强度，稳定，频率等的限制，这类约束都是隐约束。约束条件还可以分为等式和不等式约束。2.3.5优化算法优化算法按优化方法的特征分，大致可以分为三类，准则方法，数学规划法，随即规划。数学规划法这是将优化问题抽象成数学规划形式来求解，即把问题归结为在设计空间中，由等式约束超曲面和不等式约束半空间所构成的可行域内，寻求位于最小目标等值面上的可行点，它便是问题的最优解点。数学规划法有严格的理论基础，在一定条件下能收敛到最优解，但它要求问题能显式表示，大多数还要求设计变量是连续变量、目标与约束函数连续且性态良好（当然动态规划法能适用于离散变量问题）。对于大型的结构优化问题,收敛性并不好且迭代次数过多，使结构重分析的工作量过大，从而效率不高。对于线性问题（目标与约束均为设计变量的线性函数），单纯形法已非常成熟(黑箱方算法与卡玛卡（N.Karmarkar）算法,它们比单纯形法有更高的效率，但这是当变量数目十分巨大时才比较明显。对于非线性问题，虽然方法很多，但还没有一种通用的成熟方法，这也许由于非线性的形式多样、程度不一的缘故。目前的方法大致有如下几种：一种是序列无约束极小化技术（SUMT），如罚函数法、乘子法等；另一种是线性近似技术，如序列线性规划法、序列二次规划法、割平面法等；第三种是探讨在约束边界处搜索的可行方向法，如可行方向法、梯度投影法、广义简约梯度法等，最后一种是只利用函数值不使用导数信息的直接法,如复形法、可变容差法、随机试验法等。2.3.6结构优化软件开发和应用现状49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告计算机化的设计方法日益成熟，已为广大设计师改变陈旧的工作方法和提高设计效率开辟了广阔的前景。三十多年来，计算机突飞猛进地的发展，它渗透到了各个领域，使人们在认识客观事物、接近客观事物方面增加了有效的工具。建筑结构设计软件的开发大大提高了设计人员的工作效率，同时具有优化功能的软件越来越受到研发人员的重视。结构优化在其实际应用方面，多年来结构优化设计的发展偏重于理论和方法的研究，在应用方面虽有相应的电子计算机程序系统的开发，如Schmit的Access，IsaksonG等人的ASOP.3系统，Bartholomew等人的STARS系统和国内钱令希等人的DDDU系统等，但是总体来讲，实际应用都远远落后于理论。目前国际国内应用优化设计的主要是飞机结构，其次是输电塔、拱坝、船舶、海洋平台等结构，至于其它结构如车辆、土建结构则应用不多。中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部已有较为完善的高层建筑结构分析计算软件，并在前、后处理方面研发了具有自主版权的CAD系统(CFG)，该部于1999年9月提出了《高层建筑结构自动优化设计软件的研究与开发》这一研究课题，并给予了高度重视。目前PKPM的钢结构CAD软件STS对轻型门式刚架、桁架和其他（框排架、支架等）结构类型均提供二维截面优化设计，它以结构重量最轻为目标函数。优化原理是按照强度，稳定，长细比，挠度及位移限值，进行多次迭代计算，最后得到用钢量最小的截面。结构优化是以结构分析为基础，利用某一准则或优化方法，对结构形状、几何尺寸和材料布局进行修改，以满足结构的各种性能和降低成本等为目的的一种过程。结构优化是结构设计的重要环节之一。传统的设计过程包括一个预先的概念设计，然后就是重复进行的结构49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告分析、设计演化及构件尺寸重调整的过程。由于结构的复杂性，如何调整以便得到更好的设计往往是一个很难解决的问题，这一工作一般是由结构工程师根据以往的经验，并且通过不断的试验来完成的，传统方法得到的设计一方面大都偏于安全的设计，容易造成材料上一定的浪费。也有人通过有限元软件对结构进行分析，结合由经验制定的标准对结构进行尝试修改，虽然修改后，结构能得到一定程度的改善，但这种设计具有一定的盲目性和不确定性，其结果是因人而异的。而结构优化设计即是以计算机来替代这一费时费力工作的有效方法，其研究内容是把数学规划理论与力学分析方法结合起来，以计算机为工具，建立一套科学的、系统的、可靠而又高效的方法和软件，自动地改进和优化受各种条件限制的承载结构设计。结构分析主要目的是预测所设计的结构对外部荷载的响应。这种反应通常是以确定整个结构的内力、变形、振动特性及结构稳定性等因素来衡量。随着结构有限元技术的发展，结构分析这一工作可通过有限元软件由计算机来完成。在结构分析的基础上,就可以进行优化设计了。所谓优化设计就是在规定的各种设计限制条件下,将实际设计问题首先转为最优化问题,然后运用最优化理论和方法,在电子计算机上进行自动选优计算,选定出最优设计方案。降低结构造价，提高结构性能，是优化设计者追求的终极目标。而将结构优化设计理论应用到各领域后，就会使这一目的体现得更加完整和充分。作为设计概念的一种革命,优化设计是用系统的、目的定向和良好标准的设计过程来取代传统的试验纠错方式。优化设计通过对问题的识别、定义、模型化、寻优求解和对解的评价等形成一种概念框架和程式，使其在航空航天、汽车、水利土木、机械等领域得到广泛应用。优化设计与技术亦是一种运作手段和决策工具可应用于各种不同领域上，满足人们安全可靠、效益显著和降低能源，材料等的消耗并保护环境的要求；优化设计与技术成为人们改进工作、49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告提高效率的必不可少的手段,必将会得到更多关注,与广泛的应用。因此进一步研究优化设计方法，既有理论价值又有实际意义。2.3.7优化理论在边坡工程中的运用现状不少的工程师在大量的试验分析总结实践之后提出了不少的边坡优化分析方法。叶万军等用表示滑动曲线，用表示坡面曲线，按照边坡平均坡比最大为目标函数，建立优化模型，采用遗传算法对几处高边坡的稳定坡比进行了计算。崔政权提出了一个既考虑边坡安全系数又兼顾经济效益的优化设计方法，在优化模型中考虑了不可预见的费用。高大钊建立了能考虑工程造价、基本造价、正比例于平均能力的造价和失效损失造价的优化模型。钱家欢等提出了一种类似的方法，在设计中可以帮助实际工程设计做出更合理的选择，但这些方法并没有全面考虑风险造价，因此在工程实践没有被广泛接受。崔政权提出了系统工程优化设计法，系统工程优化设计法是通过地质调查、地表勘探、钻孔、洞探工程、物探与测井、岩土水力学与岩土力学等手段获得各种参数当做样条处理，用概率推断这些参数的代表性和可靠性，并以应变理论为主要依据，对岩土的稳定性做出了评价，同时也为建立数值解析和地质力学模型提出直接依据，最后提出了符合实际工程地质条件和岩土力学基本原理的最优设计。叶万军等将Fiessler49 一级公路深挖路堑高边坡设计优化加固措施可行性研究报告可靠度计算法用于黄土高边坡可靠度计算，与标准变量一起使用，将滑移面用抛物线来拟合，提出了黄土高边坡的优化模型。张绍波等对边坡的加固方案用灰色理论方法进行优化选择，先由地质条件给出设计方案，并给出个方案的技术和经济指标，在按经济最合理技术最可靠这两个指标，运用灰色决策理论，给出方案的合理组合，最后运用灰色线性规划原理，在给出的约束条件下求出方案的最优结构。李林等建立了边坡锚固优化设计的数学模型，对锚杆的间距、长度、锚固角进行了优化设计。唐辉明等针对京珠高速湖北大悟境内边坡的实际情况，给出了综合考虑边坡稳定性和经济效益实现最优开挖坡角的实例。韩西安等研究了丹霞工程高边坡的开挖方案及山体稳定性问题，提出了使开挖加固总费用达到最小的最优斜面开挖角的优化模型；基于斜面边坡的最优开挖角建立了圆滑边坡的优化开挖模型；在总费用一定的条件下，比较分析了前后两种边坡的安全系数及其分布情况，得出圆弧边坡更为稳定。49