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《吉林大学》 2011年
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层状岩体边坡失稳机制与治理方法的研究

林森  
【摘要】:近年来,随着国家经济的快速发展,能源领域、公路和铁路交通、水利水电、核电等工程项目无论是数量还是规模上都大幅度增加,在这些项目的建设和使用过程中,边坡失稳破坏的情况时有发生,给人民群众生命和财产带来巨大威胁,甚至影响到项目的正常建设和使用,给国家经济造成巨大损失,因此边坡稳定性评价和治理研究一直是岩土工程界所关注的重要问题之一。 本文主要针对层状岩体边坡展开研究,层状岩体是指分布有一组优势原生结构面的沉积岩、喷出岩以及副变质岩。在我国的陆地面积中,具有层状构造的沉积岩占到了77.3%。在边坡工程界中,具有层状岩体结构的边坡是常见的边坡结构类型,如露天矿边坡顶帮、水利水电边坡以及公路、铁路边坡等。因此,在各种工程的线路修建中必然会遇到很多层状岩体边坡的稳定性问题。1995年,蒋爵光等对国内12条主干铁道线路的岩体边坡进行调查,铁路滑坡灾害主要为岩层倾角小于边坡坡角的层状岩体结构的顺层滑坡。在岩层倾角大于15度的情况下,基本上都发生了顺层滑动的破坏现象。因此,在层状岩体边坡的失稳方式中,顺层滑动破坏又是重中之重。 本人在总结了前人对于边坡失稳分析的基础上,针对层状岩体边坡的失稳机制及治理方式的问题进行了较为系统的分析和研究。重点进行了对层状岩体边坡锚索治理方法的研究,其中包括锚索支护层状岩体边坡的理论分析及锚索支护各因素对于支护效果的影响,结合集丹公路K6+059段的工程实例,对同向缓倾层状岩体边坡锚索支护稳定性进行有限元分析以及锚索支护治理前后的稳定性比较,最后,提出层状岩体边坡失稳因素影响的规律分析以及各种内因、外因的汇总分析,为日后各种类型的层状边坡相关治理提供理论依据及工程设计意见。 论文的主要工作和结论如下: (1)通过对层状岩体边坡的分类、从地质学及力学角度按岩层倾角变化对各种破坏类型进行机理分析,从而提出三种常见破坏模式以及五种地质力学破坏模式,以及各种破坏模式及其在不同岩层倾角下的失稳机制。并针对同向缓倾层状岩体边坡的失稳特性建立力学模型,分析其力学破坏机制,得出层状岩体边坡发生顺层滑动破坏的极限状态方程。 (2)分析了层状岩体边坡锚索支护效果同锚索长度、倾角和密度之间的关系。利用MATLAB编程计算软件进行曲线拟合计算,得出了边坡安全系数与各因素之间的单因素影响函数关系,绘制了单因素影响的函数曲线图形。然后讨论了锚索倾角在90°的条件下,安全系数与锚索长度和锚索密度的二维函数关系,得到了关系式并且计算了最大误差值。 (3)建立了集丹公路K6+059段的层状岩体边坡的有限元弹塑性分析模型,采用强度折减弹塑性有限元法,借助于有限元软件,对边坡失稳状态进行了分析。强度折减弹塑性有限元法分析边坡失稳的基本原理,是将边坡岩体的实际强度参数除以一个折减系数,将折减后的强度参数值代入有限元计算,当由于强度参数的减小而造成有限元计算不收敛时,说明岩体达到临界极限状态,边坡发生剪切破坏。该方法分析边坡失稳的最大优点是可以直接求解安全系数而无需假定滑动面。 (4)通过对边坡的下滑力的计算,依据之前对锚索支护的规律性分析,对集丹公路K6+059段的层状岩体边坡提出了合理的锚索支护方案。建立了层状岩体边坡锚索支护的二维有限元弹塑性分析模型,采用强度折减弹塑性有限元法,借助于有限元软件,对于锚索支护后的边坡进行了失稳分析。并针对锚索支护前后的边坡的最大水平位移、最大形变量、最大水平应力、最大竖直应力、塑性应变和边安全系数等方面作了全面的比较分析。 (5)根据对层状岩体边坡失稳影响因素的规律分析,得出以下结论: a.层状岩体边坡的失稳在很大程度上是受软弱结构面的强度参数控制的,软弱结构面的强度越高,则边坡越稳定。 b.岩层倾角对层状岩体边坡的失稳有明显的影响作用。当岩层倾角为25°-40°时,容易出现顺层滑坡,其中,当岩层倾角为35°左右时,边坡的稳定性最差;当岩层倾角大于45°或小于15°时,边坡的稳定性良好,通常不会发生顺层滑动。 c.在常规设计坡率条件下,岩层厚度对层状岩体边坡的稳定性安全系数影响不大,但在实际工程中可能会导致边坡在破坏模式上的差别。 d.层状岩体边坡的失稳是一个非常复杂的问题。其稳定性的好坏还与开挖深度和开挖面积、地表水和地下水作用、岩体重度以及山体自然坡角等诸多因素有关。只有对这些内因外因进行综合统一的分析,才能将边坡失稳特性研究的更透彻。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TU457

【参考文献】
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