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勉宁公路沿线边坡软岩力学特性及其稳定性研究

张志沛  
【摘要】: 陕西省南部勉县-宁强地区沟谷纵横,广泛分布着寒武系、奥陶系、志留系的地层,岩性主要以泥岩、粉砂质泥岩等为主,在公路建设过程中山区公路软岩边坡问题比较突出。随着国家西部开发战略计划的实施,这就迫切地需要对山区公路软岩问题进行系统研究,本文结合陕南勉县-宁强高速公路山区沿线公路软岩边坡,分析公路软岩边坡岩体赋存地质条件,研究该地区山区公路软岩边坡的工程地质条件和边坡变形破坏地质力学模式。通过对组成边坡的软岩流变试验,确定流变力学模型中的岩石材料参数,建立符合实际的边坡流变力学模型。从工程地质基础、软岩流变特征、软岩边坡稳定性分析与评价等方面,系统地研究山区公路典型软岩边坡流变特征及其软岩边坡的稳定性问题。研究成果主要包括: (1)在充分研究软岩边坡工程地质环境的基础上,采用显微镜和浸水试验的方法,对软岩岩样宏观裂隙发育过程进行了研究,并分析了影响岩石裂隙发育的主要因素和泥岩破坏面形成的微观原因。依据岩样室内试验研究,阐述了软岩的岩体物理力学性质。利用回弹仪,在野外对岩石进行了测试,提出岩石回弹值与岩石强度的相关方程,并根据岩石回弹值对勉宁高速公路沿线岩石强度进行了分级。 (2)依据勉宁高速公路沿线软岩边坡特征,分别采用边坡岩体质量RMR方法和分形方法进行了岩体质量评价,以此为基础,提出一个以岩体节理分布的分维数D为分级指标,并根据室内外波速测试的结果,对于不同的边坡岩体质量分级提出了相应的分形损伤参数。 (3)分析沿线公路边坡的岩性特征、岩石风化程度及结构面的特性等,将研究区域的软岩边坡变形破坏地质力学模式归纳为5种。在47处软岩边坡中,滑移-压致拉裂变形模式1处,占边坡总数的2.12%;弯曲-拉裂变形模式32处,占边坡总数的68.1%;滑移-拉裂变形模式4处,占边坡总数的8.5%;蠕滑-拉裂变形模式6处,占边坡总数的12.8%;滑移-弯曲变形模式4处,占边坡总数的8.5%。软岩边坡以弯曲-拉裂变形模式为主,该类边坡破坏形式主要为倾倒、溃屈破坏、崩塌、滑塌等。 (4)三轴压缩蠕变试验表明,Burgers模型能更好地描述勉宁高速公路软岩受力后的力学特性,特别是其长期蠕变特征;利用试验结果,分析确定了Burgers模型本构方程中各参数的数值。根据软岩试样难以制备的现状,分别设计方形和圆柱体试验试样,进行三轴流变压缩模拟计算,探讨不同形态试验试件对岩体蠕变变形特征的影响规律。即:立方体试件的应变量数值整体小于圆柱体试验试件的应变量数值。在低围压状态下(1~5MPa),两者数值相差较小,约5~10%之间,在高围压状态下(10MPa),两者相差较大,约10~30%之间。 (5)根据三轴压缩试验结果,选择典型软岩高边坡,分别进行软岩边坡三维流变数值模拟计算和分形岩体损伤特征的三维流变模拟计算,考虑地下水的作用,分析与研究了软岩边坡开挖过程和边坡形成后蠕变期在上述两种状态下的应力、应变、塑性区以及主要影响因素、破坏形式等规律,并计算了不同状态下的安全系数。 (6)针对软岩边坡破坏的不同形式,利用极限平衡法计算本区部分边坡的稳定系数,定量评价软岩边坡的稳定性。采用BP神经元评价方法,在影响公路边坡稳定性的因素中,根据现场调查和室内分析结果,最终确定20个BP神经元单因子评价指标,对相应的软岩边坡进行了综合评价。对于顺层软岩边坡,采用岩板模型,应用突变理论研究了岩层在水平地应力和垂直力共同作用下失稳的力学机理。根据所建立的四边简支岩板力学模型,推导出层状岩体系统的总势能函数表达式,建立该系统的尖点突变模型,给出在水平地应力和垂直力控制空间中使系统失稳的分叉集,分析作用力的渐变导致状态突变的过程。


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