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残积层红黏土路堑边坡稳定性分析方法研究

方薇  
【摘要】:武广高速铁路武汉至韶关段分布有长达100kmm的红黏土,由于对这种区域性明显的特殊土和由其构成的边坡的特性认识不足,设计施工人员往往不能对红黏土边坡稳定性进行合理的评价,也难以采取合适的防护加固措施。因此,对于红黏土边坡进行有针对性的系统研究具有十分重要的现实意义。 本文依托国家自然科学基金项目:“客运专线无碴轨道红黏土地基变形特性与动力稳定性研究”(50778180)和铁道部科技研究开发项目“武广客运专线灰岩残积层红黏土路基变形特性及边坡稳定性试验研究”(2005K002-B-2-1),通过室内试验、理论分析、数值模拟等方法,对红黏土边坡稳定性进行了一系列研究,主要研究工作和成果如下: 1、通过大量室内试验,获得了武广高速铁路代表性工点(咸宁、泉口、耒阳、郴州)红黏土的主要物理力学性质。结合现场勘查,阐述了红黏土边坡破坏的特性和机理。 2、在常规剪切试验的基础上,对红黏土原状土样进行了干湿循环条件下的剪切试验,对于红黏土抗剪强度指标与含水量的关系曲线进行了拟合,并进一步提出了红黏土边坡稳定性分析时的抗剪强度指标选取原则。 3、采用隐式剩余推力法作为反算方法,以“递推得到的最后一块土条剩余推力为零”为条件建立多个相似断面的平衡方程,联立求得抗剪强度指标c和φ。 4、针对常规剩余推力法“仅考虑力平衡而忽略力矩平衡”这一不足之处,提出了改进的剩余推力法,该方法同时考虑了力平衡和力矩平衡,其误差比常规剩余推力法要小,且收敛速度更快。相对于常规剩余推力法而言,改进的剩余推力法仅仅增加了一个假设条件,即:“条底法向力作用点位于条底中心处”。当比例因子为零时,改进剩余推力法等价于常规剩余推力法。因此,又可以将其视为剩余推力法的一个扩展和补充。 5、对于红黏土的“上硬下软”特性,通过引入变异因子,推导了土体粘聚力沿深度线性变化时的边坡极限分析上限法相关公式,研究了成层土不同分布情况下的稳定性,并对极限分析法与极限平衡法中的评价指标进行了对比。 6、基于正交试验,采用有限差分程序Flac3D对于全长粘结型锚索加固红黏土边坡的效果进行了研究。针对具体工点,对于锚索加固的空间参数选取(如锚索倾角、长度、纵向间距等)也提供了一些合理建议。 7、采用Flac3D对红黏土路堑高边坡某典型工点的加固效果进行了评价,计算过程遵循施工步骤,并考虑了不同岩土层材料属性和多种支挡结构单元的影响,数值分析得到了一些有用的结论,这些结论为类似实体工程的支挡设计提供了依据和参考。 8、为了对大范围边坡应用三维力学模型进行稳定性评价,将研究区域划分为许多边坡单元(Slope unit),使用椭球体下半部来模拟滑面的形状,通过随机试算来确定各边坡单元上可能滑面的位置和姿态;再采用一种基于GIS的边坡稳定性三维分析模型计算各边坡单元的最小安全系数和失稳概率,对滑坡灾害危险程度进行定量评价。通过绘制以安全系数和可靠度两种指标为基础的区域性边坡稳定性评估示意图,可以对研究地域的边坡稳定性有一个初步的了解。 9、通过理论分析,推导了入渗深度随着降雨持时增长的显式解,可以很方便地计算出雨水下渗深度。进一步地,基于Green-Ampt渗流模型和半无限边坡模型,提出了考虑渗透力影响的边坡稳定分析模型。对于边坡倾角、入渗深度、湿润锋处的基质吸力等对边坡稳定性的影响进行了参数分析。考虑到各栅格滑动方向与边坡单元主倾向之间的差异,对相关公式进行修正并建立了三维边坡稳定性计算分析模型。


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