红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究

【摘要】： 本文针对红层软岩地区公路等工程建设项目中突出的开挖边坡灾害问题,结合四川、重庆、云南等省几个高等级公路建设项目,综合运用调查研究、地质力学模型试验、室内试验研究、现场试验研究及长期监测、数值模拟、经验类比等方法,深入研究了红层软岩岩体结构及岩体力学性质,并在此基础上研究了近水平地层、倾斜地层红层软岩开挖边坡灾害形成机理及防治技术,以及红层软岩风化剥蚀灾害机理及防治技术。主要研究成果有： (1)本文研究按照红层软岩地质结构特征,分类研究其致灾机理和失稳破坏模式。通过对四川、重庆、云南、甘肃等省等多条高速公路红层软岩边坡工程的广泛调研,按地质特征将其分为近水平地层、倾斜地层和断(层)—褶(曲)破碎地层三个大类以及12个亚类。根据边坡工程的特点,进一步提出了红层软岩边坡岩体结构的分类体系,划分为5个大类和11个亚类。论述了各类岩体结构特征、控制性结构面和坡体变形破坏模式。 (2)采取红层软岩典型岩样,进行了抗压、抗剪和蠕变试验研究。通过室内试验和现场大剪试验,研究了红层软岩结构面抗剪强度特性。根据结构面的充填性将其分为张开少充填、闭合无充填、薄层充填和厚层充填四类。选取各类结构面进行抗剪强度试验,总结了典型结构面在剪切荷载下的变形特性,给出了典型结构面强度和变形参数参考值。 (3)红层软岩结构面特别是软弱夹层的流变性显著,通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。 (4)通过原位监测、室内崩解试验和调查研究揭示了红层软岩风化崩解机理。红层软岩的风化崩解是温度和水共同作用的结果,仅温度或水环境的改变并不能引起其快速风化崩解。 (5)边坡风化剥蚀的原位监测表明：气温高温差大时,泥岩边坡的风化剥蚀速率大,反之则小。中等雨强以上降雨次数对泥岩边坡的风化剥蚀量影响较大,二者呈负指数关系,小雨强降雨次数的影响不显著。泥岩在高温时的反复浸水失水情况下具有很强的风化崩解性,因此泥岩边坡的风化剥蚀主要发生在气温高降雨多的夏季。四川盆地东部某原位监测工点的数据表明,泥岩边坡5月～9月的风化剥蚀量为19.19kg/m2,占年风化剥蚀量(29.9 kg/m2)的64.2%。 (6)近水平红层软岩开挖边坡灾害模式主要有滑坡、岩体拉裂变形、崩塌落石等。地质力学模型试验和数值计算分析表明,近水平红层软岩边坡滑坡灾害以软弱夹层或层面为底滑面,陡倾节理为后边界,裂隙水压力对滑移破坏有推动作用,本文结合实例给出了开挖松动区确定方法。在分析近水平红层软岩流变性对边坡稳定性影响的基础上,提出了坡体稳定性的流变力学分析的决策方法。 (7)倾斜地层的红层软岩开挖边坡灾害主要是层面与节理切割岩体的滑移失稳,破坏模式取决于层面与开挖面的空间关系(详见本文第二章、第六章)。针对顺层结构红层软岩边坡的滑移—拉裂型破坏,提出了基于岩层失稳长度的开挖松动区确定方法。 (8)提出了深挖路堑边坡工程系统的动态设计方法：在工前进行详细的勘察,查明边坡岩体结构特征,分析控制边坡稳定的主要结构面；对边坡稳定性进行正确的判断并进行合理的开挖和防护工程设计；施工期间进行施工监测和动态设计；在施工完成后进行系统地总结归纳。 (9)通过生态防护前后的现场模拟降雨试验和坡体温度和水分的长期监测与研究,揭示了红层软岩边坡生态防护后能有效防止坡体表层风化剥落灾害的机理。红层边坡采用生态防护技术,能有效地消除表层的溅蚀和冲蚀、延迟坡面产生径流的时间、减小坡体雨水的渗透深度；同时具有减小日气温对坡体温度的影响深度、降低坡表温差(包括日温差和年温差)以及高气温时的降温和低气温时的保温等作用；还能使坡体浅层岩土含水量保持相对稳定的状态。这些优点使生态防护后的红层软岩边坡能有效防止表层风化剥落和水土流失灾害。 (10)针对红层软岩开挖边坡致灾机理和破坏模式,提出了不同形式的加固防护技术,包括生态防护和工程防护有机结合的方法。提出了适用于红层软岩边坡工程的生态防护设计原则,以及基于合理坡比的生态防护技术。