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《西南交通大学》 2007年 博士论文
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开挖边坡的渐进性破坏分析及桩锚预加固措施研究

邵江  
【摘要】: 开挖边坡因其应力场分布的不均匀性以及材料力学性质的差异,通常会在局部先出现破坏,破坏部分承载力下降,并在坡体内部产生应力调整,造成局部破坏的扩展、停止以及整个边坡稳定性的改变。本文从开挖边坡的应力分布特征及坡体材料力学特性入手,对局部破坏范围确定,降雨入渗深度计算,坡体稳定性分析以及渐进性破坏边坡的预加固措施等多方面进行了深入的系统研究与分析,取得了以下主要研究结论和成果: 1.采用数值计算对开挖边坡的应力场进行了分析,总结了开挖边坡的应力场特征以及随开挖坡脚的变化规律,说明坡脚愈陡,应力愈集中,应力场分布愈不均匀,愈易产生渐进性破坏;揭示了开挖边坡材料的渐进性破坏特性,通过渐进破坏率的概念说明,材料的渐进破坏率愈大,坡体愈易渐进破坏,故而在稳定性分析中不能采用传统的用于一次性破坏分析的极限平衡分析法,而需要对其改进;同时,提出了开挖边坡的渐进性破坏机理,并图示了渐进性破坏过程。 2.结合开挖边坡应力的分布规律,提出了开挖边坡的应力分布假定,根据假定确定了开挖边坡的初始局部破坏范围,然后基于极限平衡法对开挖后的坡体稳定性进行了分析,说明在已产生局部破坏范围的边坡,进行稳定性分析时,局部破坏范围采用残余抗剪强度指标,而未出现局部破坏的范围采用峰值抗剪强度指标,这更符合边坡破坏的实际情况。并分析了边坡的纯粹牵引型、牵引型和推移型的失稳机理,以及相应的稳定性计算方法。提出了边坡拟滑面确定的分区对比法,通过对单条块的支撑力的变化特征提出了长期稳定坡角和临界自稳高度的概念,并通过边坡的长期稳定坡角和自稳临界高度对边坡进行了分区,将边坡分成为抗滑区和推移区,通过抗滑区和推移区的对比确定边坡拟滑面搜索的基准搜索面,在基准搜索面的基础上完成对通过某一点的拟滑面的确定。并通过条块的位移变化来说明控制开挖过程中坡体位移的变化对控制坡体渐进性破坏的重要性。 3.降雨入渗是造成坡体材料物理力学性质出现差异,开挖坡体出现渐进性破坏的主要原因。而通常认为,开挖边坡进行降雨工况下的稳定性分析时,边坡材料均采用饱和状态。现有的降雨入渗分析多基于非饱和土力学进行,分析繁琐而难于运用。本文通过确定降雨入渗深度,并假定降雨入渗深度范围内的土体处于饱和状态,而降雨入渗深度以下的坡体处于天然状态,在进行稳定性分析时,对坡体材料分别选用,这显然更符合实际。因此减少边坡的降雨入渗深度是改善边坡在降雨工况下稳定程度的有利手段,并通过试验进行了说明。 4.防止边坡渐进性破坏的关键是在施工中控制边坡的变形,而对于近水平红层边坡则是防止其中的控制性裂缝的起裂和扩展。根据断裂力学的基本原理,确定竖向张拉裂缝的强度因子,并计算裂缝尖端的应力场;根据格里菲斯(Griffith)能量准则来推导裂缝的起裂扩展应力;根据能量守恒原理来计算块体断裂后的剧动距离;采用拟静力法来模拟爆破荷载对坡体内部一点的荷载影响,通过反算来确定防止其中的控制性裂缝的起裂和扩展的炸药量和爆破距离。 5.采用渐进性破坏的分析方法,对先预加固再开挖以及先开挖后加固的开挖边坡的下滑推力进行了分析,说明先加固后开挖边坡的下滑推力小于先开挖后加固的情况,而通常采用的基于极限平衡的一次性破坏分析方法所确定的下滑推力是与先加固后开挖相当的。并结合施工工序分别对防止开挖边坡渐进性破坏的坡面措施(压力分散型锚索)和坡脚措施(预埋桩)进行了分析。对于工程中常用的预埋桩,监测实例表明桩体所受的最大下滑推力出现在坡体开挖结束后,且实测最大下滑推力与计算值相当,而在开挖结束的一段时间后,下滑推力相应减少。预埋桩的间距可通过大、小土拱理论进行计算,所能确定的间距是不一样的,采用大土拱所确定的桩间距小于小土拱所确定的桩间距。因此,为了增加桩间土体的稳定性,可采用桩间大土拱来确定桩间距。 6.在开挖边坡坡面控制措施中,为了减少锚固体所受的下滑推力,根据情况调整每级的开挖高度会对有利于控制锚固体所受的下滑力。对于每级开挖的边坡进行预加固时,考虑的下滑推力应兼顾下一级开挖后边坡产生的下滑推力。压力(分散)型锚索因其锚固力大,分布合理,能灵活的应用于各种施工场地以及施工阶段,成为边坡预加固的常用措施。文中通过试验总结了压力型锚索的受力特性,说明压力型锚索锚固段的侧壁剪应力分布特点;采用弹性和理想弹塑性模型确定锚固段长度,并讨论了规范中给出的锚固段长度计算方法和弹性方法之间的差异,当按规范中确定的锚固段长度小于按弹性理论确定的锚固段长度时,则未达到锚固要求的安全效果,当大于按弹性理论确定的锚固段长度时,则会造成无效锚固段。 7.采用地质模型试验对开挖边坡的位移特征进行监测,通过在不加支挡开挖下的位移和边开挖边支挡下的位移对比,以及逐级开挖下位移的变化,说明开挖边坡中渐进性破坏存在,以及为了防止在开挖边坡中出现渐进性破坏,采用预加固措施的必要性。


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