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《中南大学》 2010年
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红层路堑边坡稳定性与防治研究

柳群义  
【摘要】:近年来,中、西部省区高等级公路建设得到了快速发展,不同程度的穿越红层分布地区。由于红层强度低、抗风化能力差、红层边坡的自稳能力差,从而造成施工期间和施工后路堑边坡不断出现滑坡等地质灾害,红层路堑边坡的稳定性及防治已成为工程界研究的一个热点。研究合理有效地分析红层边坡岩体性质、评价边坡的稳定性及提出合适的治理方案具有重要的理论意义与应用价值。 在国家“863计划”项目“山区公路路基边坡地质灾害监测与预警系统研究”的资助下,本文从现场调查、室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测五个方面展开工作。主要取得了如下研究成果: (1)通过室内试验,研究不同含水量条件下泥化夹层强度特征,表明:含水量对红砂岩泥化夹层抗剪强度的影响很大,当大于临界含水量后,内摩擦角和粘结力随含水量的增大而减小。水岩相互作用导致泥化夹层强度降低。 (2)利用FLAC3D数值分析软件建立三维结构面试样模型,研究不同表面形态、不同边界条件下的结构面强度和变形特征,建立了结构面起伏角与抗剪强度参数之间的关系。结果表明:结构面起伏角较小时,剪切强度与正应力之间符合线性关系,起伏角对内摩擦角的影响程度大于对粘结力的影响程度;随着起伏角的增大,两者之间逐渐呈现非线性抛物线关系特征,结构面的破坏模式从滑移破坏转变为沿结构面滑移和锯齿剪碎的复合破坏。 (3)结构面与桩单元之间的耦合作用研究表明:结构面加入桩单元后,剪切强度得到提高,并且等效粘结力的提高幅度较大;无桩和有桩状态对应的剪应力和剪位移关系曲线在峰值前,均表现为显著的弹性特征;而曲线达到峰值后,无桩状态表现为应变软化特征,有桩状态表现为应变强化特征。 (4)利用数值模拟方法,分析红层岩体在单轴、常规三轴、以及真三轴压缩情况下的强度和变形特征,研究了红层岩体的单轴压缩条件下的变形特征、应力-位移关系以及倾角对强度的影响规律;研究了红层岩体的常规三轴压缩条件下围压对强度的影响、围压对应力变形特征的影响、围压对抗剪强度参数的影响以及不同结构面倾角下的岩体破坏等规律;研究了真三轴压缩条件下,不同最小主应力方向时,压缩强度与中问主应力之间的关系。 (5)利用曲线拟合技术对岩体强度特征进行了拟合,研究结果表明:岩体的压缩强度可以用特定的模型来描述。随着加载速率的增大,岩体的压缩强度逐渐增大,二者之间的关系基本符合线性关系;在试验模拟过程中,须根据实际情况,来选择相应加载速率。 (6)采用遍布节理模型(Ubiquitous-Joint特征,建立了基于Ubiquitous-Joint准则的边坡稳定系强度折减分析方法,采用所建立的方法计算安全系数,确立了红层边坡结构面倾角、倾向与边坡稳定性之间的关系;对于顺层边坡,根据岩层倾向与坡面倾向的夹角α的大小将顺层边坡划归为两类:当α≤45°时,为严格顺层边坡;当45°α90°时,划归斜向层状边坡。 以某公路边坡为工程背景,针对不同边坡体渗透性和水位升降速率,研究水位变化条件下边坡体内孔隙水压力的动态响应,得到:水位升降时,在相同的入渗条件下,饱和渗透系数对初始地下水位有明显的影响;增大饱和渗透系数能降低地下水位,使地下水位线变得平缓,边坡体的动、静水压力减小,有利于稳定;增加水位升降速率,地下水位响应滞后变得显著,地下水位线形态整体变陡,边坡体的动水压力增大,不利于边坡稳定性。 (7)利用FLAC3D数值分析软件,研究抗滑桩在红层岩体边坡中的加固效果,分析了抗滑桩设置位置和桩长对于边坡变形、应力的影响,结果表明:抗滑桩设置的位置对于边坡的水平位移影响较大,当抗滑桩设置于边坡坡面的中下部时(但需保证抗滑桩穿过了最危险滑动面),对于岩土体变形的效果最佳;抗滑桩加固后,边坡的剪应变增量得到限制;随着桩长的增大,边坡水平位移突变情况逐渐减少;最大位移值也逐渐减小。但存在一临界桩长Lcr,当桩长超过Lcr后,继续增大桩长对位移的控制效果明显减低。 利用FLAC3D建立层状边坡的计算模型,分析注浆加固前后岩土体应力、变形响应,结果表明:当坡体结构面注浆后,边坡中的位移和应力云图变得较为均匀,在边坡中无明显的位移或者应力的突变现象,有利于边坡的稳定性,但是,出于注浆加固区域的有限性,导致了边坡的整体位移仍较大。通过注浆加固后,边坡的拉剪塑性区明显减少,可见注浆能够较好改善岩土体自身性能,提高其承担拉伸和剪切应力的能力。 (8)通过对某公路红层坡的现场调查,表明:滑坡体已经历多次滑动破坏,即已发生超过峰值强度的剪切破坏,目前复活变形是在克服残余强度过程中产生的滑动变形。通过滑坡及潜在不稳定边坡的稳定性评价,设计采用抗滑桩支护红层边坡。通过现场监测分析表明:抗滑桩加固后,各个测量点都是稳定的,地表没有发生大的位移,边坡处于稳定状态。 同时,将文中所研究得到的规律与前人已有的室内试验结果相对照,验证了数值分析结果的可靠性与正确性;数值模拟技术可部分取代室内试验,可快速指导边坡稳定性评价及防治实际;将抗滑桩加固边坡的研究成果用于常吉高速公路红层滑坡治理的实际中,对原方案进行了大规模的优化设计,减少了工作量、缩短了工期,节约了建设成本,取得了良好的经济和社会效益。
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