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冻融循环作用下白云岩边坡失稳机理及防护措施研究

李家欣  
【摘要】:我国寒区面积分布广阔,约占国土面积的四分之三,近年来随着公路铁路等基础工程设施的建设与发展,寒区岩质边坡的冻害问题逐渐凸显并引起重视,因此,开展冻融循环条件下岩质边坡失稳机理和防护措施研究对保障寒区基础工程设施的运营建设具有重要意义。本文以河北省承德市北部山区某高速公路路堑白云岩高边坡为依托,首先开展了50次的白云岩室内快速冻融循环试验以及不同循环次数下的声波测试试验和单轴压缩试验,然后采用理论研究和FLAC3D数值模拟相结合的方法,系统地研究了白云岩岩块在冻融循环作用下各物理力学性质指标的损伤劣化规律,探讨了边坡裂隙岩体的强度参数在冻融作用下的劣化效应,揭示了季冻区白云岩边坡的失稳机理,最后,针对边坡的冻融破坏特征,提出了相应的防治对策并对主体防护方案的安全性进行了数值模拟验证。本文的主要结论如下:(1)冻融循环作用对低孔隙率的白云岩试样造成的宏观损伤有限,较多岩样在冻融循环过程中表观完整性良好,极少数试样的端面出现了闭合型微裂隙;冻融过程中岩样质量的损失和增加主要是由岩样内部孔隙中水分的补充或缺失所引起,质量的变化幅值很小并且无明显规律性,不适合用作表征岩石冻融损伤的指标;0~50次的循环冻融中,岩石的单轴压缩强度与弹性模量均表现出前期下降速度快而中后期下降平缓的劣化趋势;冻融作用明显导致岩石内部微裂隙数量增加,单轴应力应变曲线中的压密阶段随循环次数增加而明显增长,岩石脆性减弱延性增加。(2)冻融作用对岩石整体损伤明显,冻融过程中岩样的纵波波速下降明显并且与循环次数有较好的相关性,波速作为经济便捷的无损检测指标,能够很好地表征岩石整体结构损伤。水的存在会对声速表征损伤起干扰作用,因此建议利用冻融后岩石干燥状态下的波速表征结构损伤可能更加准确合理。(3)基于广义Hoek-Brown岩体强度准则,以声波波速为基准量表征和量化了冻融循环条件下岩体地质强度指标GSI_n与冻融扰动因子D_n,推导了冻融循环条件下裂隙岩体各项强度指标的估值公式并初步验证了估值公式的准确有效性,实现了岩块冻融参数向岩体冻融参数的转化,为数值模拟提供了参数定量选择依据;裂隙岩体的各强度指标的冻融劣化效应由大到依次排序为:岩体破碎度s、岩体单轴压缩强度σ_(cm)、岩体弹性模量E_m、岩体软硬程度m_b。(4)冻融环境中,塑性区主要在边坡的冻融层中出现和扩展,边坡临坡脚位置处塑性破坏最为严重,临坡肩位置处可能出现岩体局部崩落和坍塌的破坏行为,随着冻融的持续进行最终会在冻融层中形成贯通的塑性区进而导致边坡整体失稳滑塌;边坡坡脚处的位移量和每数次循环后的位移增量最大,其次为坡中和坡肩,相同循环次数下同一高程位置处边坡冻融层内外侧具有明显位移差,其中坡脚处位移差最大,其次为坡中和坡肩;冻融作用显著降低了边坡稳定性,50次循环后安全系数由2.34降低至1.08,不满足高速公路路堑边坡正常工况下安全系数要求,边坡的临界滑动面基本与冻融层重合。(5)针对本文中冻融循环50次后边坡的破坏特征,提出了采用喷锚注浆+保温防冻+辅助构造排水的综合防护方案,注浆锚固后边坡的数值模拟结果表明全长黏结钢锚管与注浆技术可以有效地提升季冻区此类易发生浅层滑移的岩质边坡的稳定性,对于季节性冻融区岩质边坡的防护设计宜着重从提升岩体完整性的角度入手,选择工程扰动较小的轻型支挡结构。


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