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库水作用下滑坡—抗滑桩体系变形时效规律与长期稳定性研究

孙淼军  
【摘要】:库水位波动条件下,滑坡渗流场的周期性变化使其应力状态不断发生改变,同时,由于岩土体的流变特性和强度劣化性质,滑坡的变形破坏过程和防治工程结构的应力应变响应体现出明显的时间效应。抗滑桩结构是滑坡灾害中应用最为广泛的治理手段之一,研究滑坡-抗滑桩体系在库水位波动条件下的时效变形规律,对抗滑桩结构体系的防治效果评价和优化设计具有重要的现实意义。大量的工程实践和试验研究表明,滑坡在内外地质营力的作用下呈现出明显的时效特征,而其演化过程主要受到外部动力条件和内部岩土体力学性质的影响。一方面,滑坡应力场在地震动、降雨、库水位波动等环境外力作用下不断地发生变化,进而影响滑坡的变形时效特征和长期稳定性;另一方面,岩土体本身的变形和强度性质也具有显著的时间效应,其应力应变关系表现出流变特性,且岩土体强度参数在环境外力的作用下逐步发生劣化,因此滑坡岩土体的力学特性同样影响着滑坡的演化进程。滑坡自身应力场和变形场的不断变化,势必造成滑坡防治结构体系的内力和变形响应具有动态特征。抗滑桩是滑坡治理工程中运用最为广泛的防治措施之一,在库水波动条件下抗滑桩的荷载和抗力均会表现出时效特性,从而使其内力和变形也随时间不断变化,而抗滑桩的动态响应又同时影响治理后滑坡的变形演化和整体稳定性。本文开展库水波动条件下滑坡-抗滑桩体系变形时效规律与长期稳定性研究,以三峡库区典型蠕动滑坡马家沟滑坡为研究对象,基于现场监测数据分析该类滑坡的变形演化特征,通过大型室内试验研究获取滑坡岩土体的流变模型,并通过监测数据反演岩土体流变参数,最终通过数值模拟方法研究滑坡-抗滑桩体系的变形演化和稳定性时变规律。本文研究内容同时考虑滑坡外动力作用和内部岩土体力学特性的时间效应,围绕水库滑坡的演化规律,研究滑坡在抗滑桩加固条件下的变形特征和稳定性变化,研究结论对于抗滑桩治理工程的防治效果评价和优化设计具有重要的意义。考虑岩土体流变特性的滑坡变形演化和长期稳定性研究是滑坡灾害研究的拓展性课题,涉及现场监测数据分析、岩土体流变试验、流变模型构建、参数智能反演、数值仿真等诸多内容。本文结合工程地质调查、现场监测、室内试验、理论研究和数值模拟等方法,对该课题开展了系统的研究,主要研究内容和研究成果如下:(1)选取三峡库区典型蠕动滑坡马家沟滑坡为研究对象,结合工程地质调查和现场监测数据,分析了滑坡变形演化的过程与特征。研究表明马家沟滑坡为典型牵引式滑坡,其变形呈现三大特征:第一,滑坡表面位移变化速率呈现出快、慢交替的阶跃性变化特征;第二,滑坡位移量值和位移突变时间呈现出明显的空间差异,滑坡后部变形较滑坡前部的响应程度低、响应时间滞缓;第三,滑坡在变形速率平稳变化期间,处于缓慢、持续、渐进的变形状态,体现滑坡的蠕滑特性。根据滑坡变形速率与各影响因素的监测曲线,对滑坡变形演化的影响因素开展定性和定量分析,研究表明降雨强度对于该滑坡的变形演化作用并不显著,滑坡变形速率的演变主要是对库水位下降的响应过程;滑坡变形响应滞后于库水下降作用,平均滞缓时间为65天;滑坡不同部位对库水下降作用的响应程度并不相同,具体表现为滑坡前缘变形速率对库水位下降速率的灰色关联度值较后缘更大。(2)通过大型三轴流变试验和剪切流变试验,分别研究滑坡粗粒土和嵌固段岩石的蠕变变形规律,研究表明滑体土由于砾石等巨粒含量较高,蠕变特征呈现明显的衰减特性,在各级偏应力水平作用下其最终蠕变速率均为零;滑带土由于粘粒含量较滑体土高而更易产生变形,蠕变过程经历了衰减蠕变和稳定蠕变阶段,且稳定阶段蠕变速率与偏应力水平呈正比;嵌固段粉砂质泥岩的剪切蠕变曲线表明,嵌固段岩石经历了衰减蠕变阶段、稳定蠕变阶段和加速蠕变阶段3个典型蠕变阶段。采用等时曲线法和加速曲线法,分别确定滑坡土体和岩石的长期强度值,滑体土、滑带土和岩石的长期粘聚力较常规粘聚力分别下降19.5%、38.2%和31.96%,而三者长期内摩擦角则较常规内摩擦角分别下降24.8%、22.4%和1.31%。(3)针对滑坡岩土体不同的蠕变特性,选取不同的流变模型描述岩土体的流变行为:分别采用三参量模型、伯格斯模型和CVIS模型描述滑体土、滑带土和嵌固段岩石的流变行为;基于室内蠕变试验数据,通过理论分析和曲线拟合确定不同围压(不同正应力)、不同应力水平条件下的流变模型参数,结果表明选取的3个模型能较好地反映滑坡岩土体的蠕变特性。提出基于响应面分析法的流变参数反演方法,基于理论分析合理选取目标响应和相应的反演参数,利用岩土体蠕变试验曲线的拟合参数确定反演参数取值范围,分别通过Box-Behnken和中心复合抽样法设计三维数值模拟方案,基于数值模拟得到的位移监测数据建立滑坡变形响应值与流变参数之间响应面函数模型,最终实现了滑坡岩土体不同流变模型的参数识别。(4)基于渗流场演化特征和滑坡岩土体的流变特性,研究了库水作用下设桩前、后滑坡蠕滑阶段的变形演化规律。无桩条件下在单个水位降幅作用下,滑坡短期变形可分为4个阶段,分别为瞬间卸荷变形阶段、应力调整变形阶段、滑带蠕变启动阶段、整体蠕变阶段;水位连续下降作用下滑坡长期变形主要表现为2个阶段,分别为衰减蠕变和稳定蠕变阶段。设置抗滑桩后,桩前和桩后坡体变形规律表现出明显差异性,桩前坡体在4个变形阶段的位移量与无桩时基本相同,而桩后坡体不但总体变形量降低,且瞬时变形和应力调整阶段产生的位移占总位移的比重进一步降低,表明桩后坡体的变形基本由土体的蠕变产生,而与外动力作用相关性较小。(5)结合滑坡变形时效规律,研究了抗滑桩受荷段土压力和嵌固段岩体抗力的变化过程,并提出了不同变形阶段土压力和岩体抗力的分布概化模型。瞬时变形阶段和应变调整变形阶段,受荷载桩前和桩后土压力分布均为三角形分布,嵌固段桩前和桩后岩体抗力分别呈梯形和抛物线型分布;滑带蠕变启动阶段,受荷段桩前和桩后土压力分别为外凸型和内凹型抛物线分布,嵌固段桩前和桩后抗力分布形式不变,仅抗力量值发生变化;整体蠕变阶段,受荷段桩前无抗力,桩后土压力分布形式依然为内凹型抛物线分布,嵌固段桩前抗力演化为三角形分布,桩后上部抗力值基本为零,下部呈外凸型抛物线分布。(6)结合滑坡变形演化过程,研究了滑坡水平土拱、竖向土拱和抗滑桩受力拱的演化特征,揭示变形拱和受力拱演化与滑坡变形阶段的适应性规律。水平向土拱的演化经历3个阶段,分别由第一阶段“摩擦土拱”作用为主转化为第二阶段“摩擦土拱”和“端承土拱”共同作用,最终演化为第三阶段“端承土拱”作用为主:桩间竖向土拱的最大拱强度位置同样呈现阶段性变化,滑坡变形阶段为滑带蠕变启动阶段时,最大拱强度靠近坡表,变形进入整体蠕变阶段后,最大拱强度位置稳定在抗滑桩受荷段中心处;受荷段桩后土压力、嵌固段桩前岩体抗力、桩后岩体抗力的压力拱效应均随着滑坡变形的的增加而增强,但三者随深度变化的规律并不相同,受荷段桩后土压力的拱效应随着深度增加而增加,嵌:固段桩前岩体抗力的拱效应随着深度增加而减小,而嵌固段桩后岩体抗力的拱效应随着深度呈先增后减趋势。(7)采用考虑岩土体流变效应的综合强度折减法,研究滑坡在抗滑桩治理前后失稳破坏阶段的的变形特征,分析位移、塑性区、剪应变速率等变形信息场的相关性。无桩条件下,滑坡失稳破坏阶段的演化经历3个阶段:缓慢加速阶段滑坡位移加速度基本保持不变且量级较小,塑性区在剪出口附近开始发育并不断沿滑带向后发展;快速加速阶段位移加速度快速增加,且速率曲线出现明显拐点,此时滑体土中塑性区开始发育;急剧加速阶段位移曲线的切线基本与横坐标垂直,此时滑带和滑体中的塑性区已经完全贯通。设抗条件下,滑坡-抗滑桩体系破坏阶段,桩后滑体失稳时直接进入急剧加速阶段,通过分析失稳过程可揭示其急剧变形的机理:滑坡前缘在较小的折减系数下,滑带和滑体的塑性区贯通,前缘次级滑体发生失稳破坏;随着土体抗剪强度持续弱化,前缘塑性区继续向后发展,同时桩后滑带和滑体中塑性区开始发育,但此时滑坡推力仍在抗滑桩的承受范围内,桩前、后的塑性区并未贯通,因此桩后位移并未发生较大变化;当土体强度进一步劣化,滑体推力不断增大最终使抗滑桩发生破坏,此时桩前后的塑性区迅速贯通,表现为桩后位移速率急剧增加,而并未经历缓慢的加速过程。(8)根据滑坡位移速率时序曲线评价抗滑桩治理前后滑坡稳定性系数。无抗条件下,由于滑坡不同部位对库水位下降产生的静水卸荷和动水压力作用的响应程度不同,滑坡3个次级滑体的长期稳定性由前向后分别为1.038、1.042、1.043;不同部位次级滑体均发生在水位下降工况下,且破坏时水位降幅分别为12m、27m和30m,而地下水直接影响的2个次级滑体其坡内地下水水头差分别为4.7m、4.5m。抗滑桩治理后,桩后滑体稳定性为1.24,同时得到滑体土、滑带土折减后粘聚力C为11.2 kPa、24.6kPa,折减后内摩擦角φ’为22.26。、17.01。,与相应的长期粘聚力C∞和长期内摩擦角够∞值相比,折减强度参数值均大于长期强度参数值,表明滑坡土体的抗剪强度尚未衰减至长期强度值时,抗滑桩已经发生破坏,因此按传统静态设计方法设计的抗滑桩治理工程在数十年的时间范畴内仍将破坏。本文主要创新点归纳如下:(1)系统开展了滑体、滑带和嵌固段基岩的流变特性研究,并确定其流变模型、参数和长期强度值。分别通过大型三轴流变试验和剪切流变试验,研究了滑坡粗粒土和嵌固段粉砂质泥岩的蠕变规律,并利用等时曲线法和加速曲线法分别确定了土体和岩体的长期强度;基于滑坡岩土体的不同的蠕变特性,分别选取了三参量模型、伯格斯模型和CvIS模型描述滑带、滑体和基岩的蠕变行为;基于现场监测数据,利用响应面曲线分析法反演滑坡岩土体的流变参数,为滑坡-抗滑桩体系的分析确定了流变模型和参数。(2)开展了考虑岩土体流变特性的滑坡-抗滑桩体系变形时效规律研究,揭示了库水作用下滑坡在蠕滑阶段的变形演化过程和抗滑桩动态响应规律。分析库水波动条件下滑坡地下水渗流场的演化规律,并结合岩土体的流变模型和流变参数,利用数值仿真方法分别研究了单个水位降幅和连续水位降作用下,滑坡的短期和长期变形演化阶段;基于不同的滑坡变形阶段,研究抗滑桩受荷段土压力和嵌固段岩体抗力的响应规律,揭示了库水下降时抗滑桩受力的动态变化规律和滑坡-抗滑桩体系的相互作用过程。(3)基于滑坡失稳破坏阶段的变形演化特征,研究了抗滑桩治理前后滑坡的稳定性变化规律。采用考虑岩土体流变效应的强度折减法,对比分析滑坡失稳破坏阶段表面位移、塑性区、应变速率等变形特征值的变化规律,并利用位移曲线作为失稳判据分析了滑坡在抗滑桩加固前的长期稳定性;以滑坡-抗滑桩体系为研究对象,分别对滑带土、嵌固段岩石和岩土体系统进行强度折减,研究不同折减条件下滑坡长期稳定性的变化规律,提出岩土体折减强度值结合长期强度值的稳定性评价方法。


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