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降雨条件下填方边坡灾变过程模拟及控制研究

李涛  
【摘要】:填方滑坡是西南地区修建公路、铁路、机场等工程中经常的遇到工程地质问题之一。填方边坡由于其结构松散,空隙较大的特点,所以雨水容易下渗,对其内部岩土体造成影响,对岩土体具有润滑和软化作用。特别是西南山区复杂的地质环境条件下,降雨诱发填方边坡失稳尤为突出。本文以重庆奉节K1362—390段填方路堤为研究对象,在野外资料收集的基础上,结合物理模拟方法和离散元、有限元数值模拟方法深入分析了奉节填方路基灾变的诱发因素,破坏机理,再现了填方路基变形破坏过程,同时对灾变的后期破坏及运动进行了预测分析,并针对各阶段的变形破坏采用的措施及控制效果进行预测评价。为该类地质灾害的防治和控制提供了一定的理论基础。取得的成果主要包括:(1)查明了填方边坡的地质环境条件,研究区为中低山地貌,边坡后缘是一个汇水地形,这为雨水的汇集和下渗提供了水源;出露基岩主要为巴东组三叠系的泥岩和少量泥灰岩,泥岩岩石强度较低,在水作用下易崩解;研究区所处区域褶皱为主,断层构造不太发育。填方边坡内地下水主要为孔隙水,填方地下水受降雨影响明显。(2)查明了填方边坡变形形成内在条件,该填方路基的施工主要是集中在雨季,因填料的堆积和连续的强降雨导致料场和周围环境中的黏土随雨水冲刷积累在填方路基内。且施工期间先后内存在两次这样的明显的过程,第一次黏土堆积较薄、量较小约5—10cm。第二次黏土堆积较厚、量较大,约15—20cm。该黏土夹层雨水作用下软化成为该填方路基变形破坏的控制因素。(3)建立了奉节填方路基边坡的地质概念模型,并采用相似理论建立了相似比为1:100的物理模型,并通过各类试验取得碎石土和黏土的力学参数;填料碎石土颗粒级配良好,渗透性系数为0.017cm/s,天然状况下力学参数内聚力C为33.27,内摩擦力φ32.2°。其中黏土水敏感性强,在含水率从天然含水率15.11%升至20.42%,力学参数出现陡降,内聚力值从39.45Kpa降至17.47Kpa,内摩擦角从15.52°降至5.9°,这为黏土夹层降雨条件下软化形成潜在滑动面的提供了条件。(4)提出了填方边坡变形破坏过程特征,通过物理模拟试验模拟出了在降雨条件下,变形破坏的现象,基本再现了该类滑坡变形破坏过程。根据试验结果分析可将填方滑坡的过程分为四个阶段:表层蠕变阶段、后缘拉裂阶段、后缘下错、前缘鼓胀阶段、潜在滑动面形成阶段。根据试验结果可知,该类填方滑坡主要诱因为连续强降雨和汇集雨水大量入渗,引起内部黏土力学性质急剧降低,成为坡体的潜在滑动面。(5)通过PFC颗粒离散元模拟了填方边坡灾变的过程,并根据其滑体的运动位移和运动速率,对灾变过程进行了变形破坏过程阶段的划分,对边坡的变形破坏过程和机制进行了数值模拟验证。综合物理模拟结果,全面的分析了边坡的灾变过程,结合有限元对各阶段的渗流特征、应力应变特征和稳定性进行了全面的分析。然后利用有限元对各阶段采用相应的防治措施达到的治理效果进行模拟分析,验证了对填方边坡灾变过程模拟分析的必要性和有效性。


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