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山区高等级公路高边坡稳定性及动态设计的地质工程研究

段海澎  
【摘要】: 山区高速公路高边坡稳定性问题已成为威胁施工安全,制约工程进度,影响安全运营的关键技术问题。虽然在勘察和设计阶段均对边坡稳定性进行了研究,但由于我国现阶段公路工程勘察设计的特点,许多边坡地质问题在勘察和设计阶段很难暴露出来,迫切需要一套适合山区高速公路的高边坡动态支护设计理论和方法体系。本文通过对汤屯高速公路大量高边坡岩体结构特征和变形破坏模式研究,遵循定性分析与定量评价相结合的基本学术思想,系统总结了公路边坡主要支护措施及其适用条件,提出了基于支护的边坡地质工程分类方案,在此基础上,对不同类型的边坡稳定性评价方法及支护方案进行优选,得出适合不同类型边坡的稳定性评价方法及支护方案,并通过边坡监测反馈分析实现边坡动态设计及信息化施工。 论文以研究区地质环境条件为背景,从施工期高边坡地质条件调查复核入手,以边坡岩体结构特征和变形破坏模式为主线,以边坡稳定性评价为基础,对高边坡施工期动态设计工作进行系统总结,细化、深化边坡岩体结构特征调查、变形破坏模式分析、基于支护的地质工程分类、支护设计适宜性评价、监测反馈等相关工作的方法、过程,并以研究区内块状、板裂两类特殊岩体结构高边坡为例进行深入分析,进行全过程动态设计研究。通过这些工作,以期获得一套基于地质工程原理,具有一定理论意义并可指导工程实践的高速公路高边坡稳定性评价及动态设计的研究方法、工作流程。 通过上述研究,在边坡地质工程分类、稳定性评价方法及动态支护设计方面取得了一定的进展,主要包括: (1)针对山区高等级公路的地质复杂性和公路建设过程中对边坡稳定性评价的要求,基于地质过程机制分析和变形控制的基本思想,提出了一套山区高等级公路高边坡稳定性评价和动态设计的地质工程分析理论和评价方法。即:以边坡岩体结构特征和变形破坏模式研究为基础,以服务于支护设计的边坡地质工程分类为核心,通过对不同结构类型边坡稳定性评价方法及支护设计方案的优选,建立了一套适合山区高速公路高边坡动态支护设计的理论和方法体系,形成了“地质条件详细调查—岩体结构现场描述—边坡变形破坏模式分析—基于地质过程的定性与定量稳定性评价—灾害控制与支护优化设计—监测反馈分析”的工作方法,发展了针对高边坡具体地质条件的非模式化优化设计的理念和方法。 (2)系统研究了适于边坡稳定性评价和支护设计的岩体结构评价方法。建立了适合山区公路边坡的岩体结构分类方案,将岩体结构分为块状结构、次块状结构、碎块状结构、碎裂结构和散体结构;根据公路边坡的特点,建立了结构面分级和现场描述体系,将结构面分为三类,控制性软弱结构面、一般性软弱结构面和裂隙类结构面;在此基础上研究了边坡岩体结构分区的方法。 (3)在边坡主要支护措施总结及其适宜性研究的基础上,通过对滑坡体、潜在圆弧形破坏、深部块体失稳、浅表层块体失稳四种常见类型边坡的支护方案设计研究,系统总结了边坡支护设计方案和对应的具体支护措施,按照支护措施特点和支护工程强度将边坡的支护方案类型划分为削方减载、强支护、弱支护、坡面防护四种类型,并研究了各种支护方案的适用范围。 (4)建立了基于支护的边坡地质工程分类方案。根据边坡的岩体结构特征和变形破坏模式将边坡分为块状结构边坡、板裂结构边坡、碎裂结构边坡和散体结构边坡,分别研究了各类边坡形成的地质条件、影响稳定性的因素、主要变形破坏模式,并研究了它们对应的边坡支护方案和具体支护措施,有利于在公路施工过程中根据边坡类型快速选择支护设计方案。 (5)对汤屯高速公路沿线分布较广的块状结构岩体边坡,在块体理论的基础上,建立了基于运动学原理的离散元模拟技术的关键块体搜索方法和基于块体理论的关键块体稳定性评价方法,即采用离散元方法确定关键块体,再利用基于强度理论的块体稳定性分析方法评价关键块体稳定性,然后根据边坡岩体结构特征及变形破坏模式提出设计方案和具体支护措施,最后利用离散元方法评价支护后边坡稳定性状况,并通过监测反馈分析实现动态设计,发展了块状结构边坡稳定性评价及支护设计方法。 (6)首次对皖南山区古老板裂化变质岩边坡的形成机制和失稳模式进行系统研究,并提出针对性的稳定性评价方法和支护设计对策。研究区板裂岩体边坡主要有顺层和反倾两种类型,根据公路沿线大量倾倒变形体岩体结构特征的研究,将倾倒变形体分为板柱状倾倒变形体、碎裂状倾倒变形体、散体状倾倒变形体三种类型。通过深入分析,总结了板裂岩体边坡变形破坏模式、稳定性评价及动态设计方法,并提出了相应的支护方案。


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