台风暴雨引发公路水毁特征与边坡水毁机理

论文摘要

我国是世界上遭受台风危害最严重的国家。我国东南部地区经常受台风暴雨影响。每次台风带来的暴雨都会对公路工程带来巨大损失。近年来由于经济的快速发展和公路交通设施的大力建设,台风暴雨对公路造成的经济损失随时间呈快速上升的趋势。通过对200多个公路水毁路段的现场调查和相关水毁资料的收集,对公路水毁类型进行了系统的分类,分析公路水毁的特征和各种破坏形式之间的相互影响关系。并通过构建多个实验模型,展开了降雨对均质边坡、含隔水层边坡坡体含水量、坡体应变、坡体前端推力、坡面变形影响的全面研究。人工降雨模型实验采用了水份传感器实时监测坡体含水量、采用布里渊光时域反射技术(BOTDR)监测坡体应变量、采用压力盒监测坡前推力变化、采用光纤光栅(FBG)位移传感技术监测坡面位移,得到了降雨作用下和地下水作用下边坡各性状随时间及深度的变化规律。并在前人研究的基础上,改进了有限元离心加载计算边坡稳定性的方法。得到了以下的成果和结论:(1)系统地按不同的标准对水毁进行了分类,为深入研究水毁提供了基础支持。对水毁的类型、特点和产生原因有全面分析,提出了各水毁类型之间存在相互影响关系的观点,应该将各种水毁防护措施作为一个整体系统进行水毁的防治工作。(2)在降雨作用下,入渗是从坡面到坡体自上而下逐步发展的。降雨入渗过程中,坡体中部深度附近会存在一个含水量相对较小的区域。降雨过程不仅对土体含水量的数值有影响,而且对含水量等值线的形态也有影响。(3)在降雨作用下坡体前端推力、坡体变形、坡面变形这三个特性指标随时间变化规律相似:在降雨作用下,边坡特性指标的监测数值会产生一个峰值,在降雨作用消退以后,监测数值逐渐回落,最终趋于一个稳定值。不同的是坡体前端推力在降雨之后就开始产生变化,而坡体变形和坡面的位移在降雨过程初期没有明显反映,持续较长时间降雨后,监测数值才会发生明显反应。(4)降雨入渗对边坡不同深度上的坡体含水量、坡体变形和坡前推力影响规律相似:边坡顶层、上层土体变化幅度较大,速度较快;边坡底层、下层土体变化幅度较小,速度较慢。(5)降雨对不同坡角边坡的坡体含水量、坡体前端推力、坡体变形的影响规律也具有相似性:降雨过程中较大坡角边坡的反映较为强烈,其峰值要远大于小坡角边坡,但是大坡角边坡需要降雨的时间比较长。(6)通过对新老边坡分别实施人工降雨模拟实验,结果表明与雨前相比新边坡抗滑支撑结构受力增大;而老边坡在接受相同降雨作用时,坡体的应力状态变化较不明显。说明了新边坡在降雨作用下比较容易失稳,而老边坡则相对比较稳定。(7)地下水的作用对边坡性状的影响与降雨对边坡性状的变化规律相似,不同点主要存在两个方面:①降雨作用和地下水作用对坡体含水量的影响过程不同,在降雨作用下,边坡的坡面附近土体含水量最先发生变化,含水量自上而下逐渐发生变化,边坡底层土体的含水量受影响最晚。而在地下水的作用下,边坡后缘以及底层土体的含水量最先受到影响,含水量是自下而上逐渐发生变化的。②在降雨作用下,边坡受影响产生变化需要一定的积累时间,而在地下水作用下,发展几乎不需要积累时间,地下水作用之后边坡就受影响产生变化。(8)降雨对含不透水层边坡的影响与均质边坡类似,但是边坡的性状反映主要在不透水层的上部,即降雨可以影响的部分。地下水作用在不透水层下部坡体时,实验表明不透水层上部坡体会受到影响。上部坡体的坡前推力、坡体变形、坡面变形都会产生较大的变化,其中靠近坡面的部分产生的变化最大。(9)重新构建有限元离心加载法的实现过程,克服原方法的缺陷,使其达到了与有限元强度折减法有相同应用价值的水平。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究意义
• 1.2 台风暴雨引发公路水毁研究概况
• 1.3 降雨对边坡影响的国内外研究概况
• 1.3.1 统计型方法研究概况
• 1.3.2 理论分析方面研究概况
• 1.3.3 实验分析研究概况
• 1.3.4 边坡稳定性分析评价概况
• 1.4 公路水毁及降雨对边坡影响研究存在的问题
• 1.4.1 公路水毁研究存在的问题
• 1.4.2 降雨对边坡影响研究存在的问题
• 1.5 本文研究内容
• 2 我国沿海地区受台风影响概况
• 2.1 台风发育规律
• 2.1.1 台风概况
• 2.1.2 台风形成区域
• 2.1.3 台风运移规律
• 2.2 台风引发降雨过程规律
• 2.2.1 影响我国台风的总体概况
• 2.2.2 台风过程降水总量规律分析
• 2.2.3 我国台风过程降水总量规律分析
• 2.3 本章小结
• 3 浙江省台风暴雨引发公路病害调查
• 3.1 浙江省地质地貌概况
• 3.1.1 地貌概况
• 3.1.2 地质概况
• 3.2 山区公路特点
• 3.3 公路水毁产生的条件
• 3.3.1 地貌地质条件与公路水毁
• 3.3.2 气象条件与公路水毁
• 3.3.3 山区公路特点与公路水毁
• 3.4 公路水毁的分类及发育特征
• 3.4.1 水毁的分类
• 3.4.2 边坡水毁的主要形式
• 3.4.3 水毁分类体系图
• 3.4.4 公路水毁的发育特征
• 3.5 水对上边坡稳定性的影响
• 3.5.1 边坡裂隙静水压力作用
• 3.5.2 坡体动水压力
• 3.5.3 水的软化作用
• 3.5.4 坡面水流冲刷
• 3.6 各类水毁之间的联系性
• 3.6.1 坡面水流产生水毁之间的关系
• 3.6.2 河流水产生水毁之间的关系
• 3.6.3 分析各类水毁间影响关系的意义
• 3.7 小结
• 4 降雨过程对边坡稳定性影响的模型实验
• 4.1 实验模型及过程
• 4.1.1 模拟试验的基本原理
• 4.1.2 实验模型
• 4.1.3 实验模型的建立
• 4.1.4 实验过程
• 4.2 实验监测结果处理
• 4.2.1 坡体前端推力监测结果处理
• 4.2.2 坡体含水量监测结果处理
• 4.2.3 坡体变形监测结果处理
• 4.2.4 坡面变形监测结果的处理
• 4.3 坡体含水量的监测结果
• 4.3.1 降雨过程影响坡体含水量变化
• 4.3.2 不同深度含水量变化规律
• 4.3.3 不同坡角边坡含水量变化对比
• 4.4 坡体前端推力监测结果
• 4.4.1 降雨过程及雨后的历时变化
• 4.4.2 不同深度坡前推力变化
• 4.4.3 不同坡角边坡变化的对比
• 4.5 坡体变形监测结果
• 4.5.1 降雨过程及雨后的历时变化
• 4.5.2 坡体不同深度变形量变化规律
• 4.5.3 不同坡角边坡变化的对比
• 4.6 坡面变形监测结果
• 4.6.1 降雨过程及雨后的历时变化
• 4.6.2 不同坡角边坡变化的对比
• 4.7 降雨对边坡应力状态的影响
• 4.7.1 实验模型及过程
• 4.7.2 实验结果分析
• 4.7.3 第二次降雨实验
• 4.7.4 结论
• 4.8 降雨作用下坡面的破坏形式
• 4.8.1 无明显冲沟的坡面破坏过程
• 4.8.2 有明显冲沟的坡面破坏过程
• 4.9 小结
• 5 地下水渗流对边坡稳定性影响模型实验
• 5.1 实验模型及过程
• 5.1.1 实验模型
• 5.1.2 实验模型的建立
• 5.1.3 实验过程
• 5.2 坡体含水量的监测结果
• 5.2.1 地下水影响坡体含水量变化
• 5.2.2 不同深度含水量变化规律
• 5.2.3 不同坡角边坡含水量变化对比
• 5.3 坡体前端推力监测结果
• 5.3.1 随地下水作用历时的变化
• 5.3.2 不同深度坡前推力变化
• 5.3.3 不同坡角边坡变化的对比
• 5.4 坡体变形监测结果
• 5.4.1 随地下水作用历时的变化
• 5.4.2 不同深度坡体应变变化
• 5.4.3 不同坡角边坡变化的对比
• 5.5 坡面变形监测结果
• 5.5.1 随地下水作用历时的变化
• 5.5.2 不同坡角边坡变化的对比
• 5.6 小结
• 6 隔水层对边坡稳定性的影响
• 6.1 实验模型
• 6.2 模拟降雨过程实验
• 6.2.1 实验过程
• 6.2.2 坡体含水量的监测结果
• 6.2.3 坡体前端推力监测结果
• 6.2.4 边坡变形监测结果
• 6.2.5 小结
• 6.3 地下水影响过程实验
• 6.3.1 实验过程
• 6.3.2 坡体含水量的监测结果
• 6.3.3 坡体前端推力监测结果
• 6.3.4 边坡变形监测结果
• 6.3.5 小结
• 7 边坡稳定性分析的虚拟工况有限元法
• 7.1 边坡虚拟工况概念
• 7.1.1 安全系数的概念
• 7.1.2 边坡虚拟工况
• 7.1.3 虚拟工况的构建
• 7.2 虚拟工况下有限元稳定分析
• 7.2.1 建立模型
• 7.2.2 有限元计算
• 7.3 计算结果的对比
• 7.4 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 进一步研究的建议
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介