西攀高速公路关门高边坡土钉支护应用研究

论文摘要

西攀高速公路所穿越的地区主要为地质条件复杂的山区地带。涉及诸多高大陡边坡。地层多为深厚的全风化及强风化花岗岩和坡残积物堆积层。边坡开挖后自稳能力差或将处于不稳定状态。对于其中一些高边坡稳定性问题，拟采用土钉支护技术加以解决。然而，作为高大边坡的长期支护结构，土钉支护的使用已经突破有关规范或规程中边坡高度和使用时间两个关键条件的限制。这样的突破可能存在危险。本论文以西攀高速公路K64+759～900段关门高边坡工程为主要研究对象，进行了野外地质调查、室内土工试验、现场监测、理论分析和二维PLAXIS有限元程序数值模拟和仿真研究等工作。通过对关门高边坡的不同施工阶段的土钉轴力、面层土压力等的监测和二维PLAXIS有限元数值模拟，探讨了关门高边坡的变形、土钉受力的大小和分布，及其发展演变过程。采用有限元强度折减法对关门高边坡进行了极限状态分析，得到边坡塑性区的形态和边坡破坏形式，并确定了安全系数和滑移面位置。此外，进行了该高边坡在Ⅶ度地震状态下的拟静力模拟和长期大雨不利状态下的模拟以及极限状态分析。在以上监测、计算和分析的基础上，对边坡的施工过程和边坡在各种状态下的稳定性进行了评价。论文得出的成果和结论主要有：比较现场实测与数值模拟结果的表明，对关门边坡土钉支护采用的二维简化数值模型的方法是可行的。采用PLAXIS有限元程序进行数值模拟，能准确、形象和逼真地反映边坡受力、变形等情况及其发展过程，并且能对各种复杂条件下的边坡安全稳定性做出定量的分析。现场监测和数值模拟结果表明关门高边坡的设计满足要求。到目前为止，边坡是稳定的。在施工质量和材料满足要求、不出现不可预测和不可抵御的重大自然或人为灾害的前提下，关门高边坡的长期稳定性满足规范要求。但局部出现病害和破坏的可能性不能完全排除。土钉支护结构适宜于对关门全／强风化花岗岩高大边坡的支护。土钉支护技术应用于全／强风化花岗岩高边坡是可行的、经济合理的。关门高边坡L2断面第二级边坡底部土钉平均轴力最大，最大轴力出现在第二级边坡下部土钉中段。喷层后土压力在坡积层、全风化层内的分布呈上下小、中间大的特征。总体上，有限元计算结果与实测结果比较相符。库伦土压力理论的直接应用不适合这里的情况。计算表明，土钉支护的边坡失稳滑动区大，远大于无支护结构的滑动区。滑动带呈大弧面，主滑动带从土钉墙底部穿过，两侧延续较远；次滑动带穿过土钉墙下部的2～3排土钉，剪出口位于坡脚趾点处。可见，由于土钉结构的强化和加固作用，使最不利滑动面下移，从而提高了边坡的稳定性。土钉支护应采用“分层开挖，分层支护”的逆作法施工。如果不采用这种规范的施工工序而一次性挖方过大，产生的位移对边坡稳定影响较大，而且这种位移是不可逆转，同时给边坡的施工安全带来很大的威胁，施工风险较高，对边坡的长期稳定也是不利的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 论文选题来源
• 1.2 土钉支护应用现状
• 1.3 研究的目标与内容
• 1.3.1 研究的目标
• 1.3.2 研究的内容
• 第二章 土钉支护的特点与极限平衡设计方法
• 2.1 土钉支护的优点与局限性
• 2.2 土钉支护工作性能的研究
• 2.2.1 土钉支护工作性能的试验研究
• 2.2.2 土钉支护工作性能的有限元分析
• 2.3 土钉支护的破坏形式
• 2.4 土钉支护的极限平衡设计计算方法
• 2.5 本章小结
• 第三章 土钉支护结构有限元数值模型
• 3.1 PLAXIS程序简介
• 3.2 土钉挡土结构有限元数值模型
• 3.2.1 土体单元及材料模型
• 3.2.2 土钉的模拟
• 3.2.3 喷射混凝土面层的模拟
• 3.2.3 界面的模拟
• 3.2.4 边界范围与边界条件
• 3.2.5 初始应力场的模拟
• 3.2.6 施工阶段的模拟
• 3.2.7 强度折减法求解边坡安全系数
• 3.3 本章小结
• 第四章 土钉支护稳定性的有限元分析
• 4.1 稳定性分析的有限元方法
• 4.2 强度折减法
• 4.3 强度折减法求解安全系数实例分析
• 4.3.1 ACADS孝核题EX1
• 4.3.2 关门高边坡无支护开挖状态
• 4.4 本章小结
• 第五章 关门高边坡土钉支护工程
• 5.1 工程概况
• 5.2 自然地理与地质特征
• 5.2.1 工程地质条件
• 5.2.2 岩土物理力学参数
• 5.3 设计、现场测试与施工过程
• 5.4 本章小结
• 第六章 关门高边坡现场测试与有限元数值模拟
• 6.1 现场测试
• 6.1.1 各测试参数随施工进度的发展
• 6.1.2 喷砼面层下土压力测试结果
• 6.1.3 土钉轴力测试结果
• 6.1.4 土钉抗拔力测试结果
• 6.2 数值模拟和仿真研究
• 6.2.1 PLAXIS数值模拟的模型
• 6.2.2 施工阶段的数值模拟和仿真研究
• 6.3 数值模拟和现场测试的结果比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 关门高边坡稳定性分析
• 7.1 无支护全部开挖的稳定性计算与分析
• 7.2 关门高边坡土钉支护的稳定性分析
• 7.3 关门高边坡在地震和长期降雨不利状态下的稳定性分析
• 7.3.1 Ⅶ度地震下的拟静力模拟和稳定性分析
• 7.3.2 长期大雨不利条件下的模拟和稳定性分析
• 7.4 施工工序分析
• 7.5 设计优化
• 7.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研工作