考虑降雨入渗作用下的填方边坡基底放阶技术研究

论文摘要

随着国民经济的快速发展和西部的大开发,铁路、公路、矿山、水利、城市建设等工程出现的填方边坡越来越多,规模越来越大,支护难度越来越高。这些边坡工程的一个共同特点是下滑推力大、支护条件差,用传统的直接边坡支护方法难度大、费用高。这种现状需要迫使研究人员对填方边坡进行系统研究,形成一些新的间接支护方法,以适应填方边坡的快速发展。本文针对填方边坡基底放阶技术其固有的特点进行专门研究。基底放阶技术就是一种在原有诸多滑面改良形式基础上衍生出来的,改良填方边坡稳定性的工程辅助方法。该方法结合直接支挡方法,可形成一种稳定性好、经济合理的填方边坡支挡新技术,改变原有单纯支挡结构的支挡方法,以满足日益严峻的填方边坡形势。本文从填方边坡破坏特点以及主要影响因素研究入手,分析边坡滑移容易从基底面产生的机理。分析出由于水的入渗引起填料中的细粒物质的移动,在填方体下部与稳定基岩之间形成一定厚度的滞水层。该层土体的抗剪强度被弱化,显著低于填料的抗剪强度。基于滞水层存在的分析,建立基底放阶台阶与滑面抗滑参数c、?值之间的计算模型,并提出基底开挖台阶宽度的上、下限控制值计算方法。在此基础上,运用MADIS/GTS有限元程序对填方边坡基底放阶进行了数值模拟分析,主要验证了解析法的正确性并讨论了不同放阶宽度,不同边坡坡比以及不同放阶范围对边坡稳定性的影响。考虑水入渗以及水渗流引起填料中的细粒物质的移动是形成滞水层的前提条件,同时降雨是导致边坡失稳的最主要和最普遍的环境等因素,本文通过考虑降雨渗流与基质吸力作用,针对不同的不同的降雨强度和降雨持续时间对边坡稳定性的影响进行了填方边坡基底放阶渗流-应力耦合分析,验证了在降雨工况下基底放阶法的有效性。最后,结合重庆三汇二矿矸石山工程进行了设计对比,并成功运用于工程实际,取得良好的经济效益。分析表明在提高边坡稳定系数的同时,基地放阶技术具有节约材料,降低施工难度,减少工程造价等特点。基底放阶法台阶计算模型的建立为基底放阶法提供了理论依据,将以前仅作为工程技术处理措施的基底放阶进行量化,成为一种新的设计方法和基底造型技术,具有较大的理论意义和较高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 问题的提出与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 边坡基底滑面改良研究及应用现状
• 1.2.2 降雨入渗条件下填方边坡稳定性的研究成果
• 1.3 本文主要研究内容、思路及技术路线
• 1.3.1 本文的主要研究内容及思路
• 1.3.2 本文研究的技术路线
• 2 填方边坡的特征及影响因素
• 2.1 引言
• 2.2 填方边坡特征及失稳模式
• 2.2.1 填方边坡特征
• 2.2.2 填方边坡基本失稳模式
• 2.3 边坡稳定性主要影响因素
• 2.3.1 土体的结构性质因素
• 2.3.2 环境因素
• 2.4 水土相互作用的机理
• 2.4.1 水土化学作用
• 2.4.2 水土物理作用
• 2.5 填方边坡滑移面形成机理分析
• 2.5.1 基底表面土体的弱化机理
• 2.5.2 基底面滞水层分析
• 2.6 本章小结
• 3 填方边坡滞水层分析
• 3.1 建模依据
• 3.2 极限平衡法确定滑移面
• 3.3 等厚滞水层台阶宽度与滑面抗剪参数的关系
• 3.3.1 滑面综合粘聚力与台阶宽度关系
• 3.3.2 滑面综合内摩擦角与台阶宽度关系
• 3.4 不等厚滞水层台阶宽度公式的推导
• 3.4.1 滑面综合粘聚力随台阶宽度变化公式的推导
• 3.4.2 滑面综合内摩擦角随台阶宽度变化公式的推导
• 3.5 实例计算确定台阶宽度
• 3.6 我国技术标准关于基底放阶的相关规定
• 3.7 本章小结
• 4 填方边坡基底放阶数值仿真分析
• 4.1 前言
• 4.2 有限元法
• 4.2.1 有限元本构关系
• 4.2.2 MIDAS/GTS 的特点
• 4.3 边坡安全系数的计算原理
• 4.3.1 弹塑性有限元强度折减法计算原理
• 4.3.2 弹塑性有限元强度折减法的破坏标准
• 4.4 影响基底放阶填土边坡稳定的主要因素
• 4.4.1 边坡的几何形状影响
• 4.4.2 基底台阶的影响
• 4.4.3 水渗流作用的影响
• 4.5 基底放阶计算模型
• 4.5.1 几何模型
• 4.5.2 本构模型
• 4.6 计算结果分析
• 4.6.1 不同台阶宽度条件下边坡稳定性的变化规律
• 4.6.2 不同地表放坡坡比条件下边坡稳定性的变化规律
• 4.6.3 不同放阶范围条件下边坡稳定性的变化规律
• 4.7 本章小结
• 5 填方边坡基底放阶渗流-应力耦合分析
• 5.1 分析目的
• 5.2 计算方法
• 5.2.1 流动法则
• 5.2.2 基本方程
• 5.2.3 有限元方程
• 5.2.4 有效应力原理
• 5.2.5 耦合分析基本方程
• 5.2.6 定解条件
• 5.3 渗流－应力耦合计算模型
• 5.3.1 计算模型中选用的岩土体水力学特性
• 5.3.2 计算边界条件
• 5.3.3 降雨型式设计
• 5.4 填方边坡基底放阶渗流-应力耦合分析
• 5.4.1 降雨强度的影响
• 5.4.2 降雨持时的影响
• 5.5 本章小结
• 6 工程实例应用
• 6.1 工程概述
• 6.2 场区工程地质水文特征
• 6.2.1 既有矸石山基本特征
• 6.2.2 勘察区水文特征
• 6.2.3 既有矸石山滑坡形成机制
• 6.3 设计方案计算
• 6.3.1 解析法计算
• 6.3.2 工程实例有限元模型
• 6.3.3 MADIS/GTS 分析结果对比
• 6.3.4 渗流-应力耦合分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 后续工作研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录