砂泥岩互层缓倾切向边坡应力特征及变形机理研究.pdf

第6 期（总第2 90 期）2023年6 月D01:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.056城市道桥与防洪URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL科技研究砂泥岩互层缓倾切向边坡应力特征及变形机理研究何茂维1，李松2（1.中国市政工程西南设计研究总院有限公司，四川成都6 1 0 2 0 8；2.成都高新未来科学城建设开发有限公司，四川成都6 1 0 2 0 8）摘要：为了更好地分析砂泥岩互层缓倾切向边坡的变形机理情况，以西南某红层边坡为例，基于数值模拟软件建立了软硬互层三维切向地质模型，探讨了边坡开挖、支护后的应力场和位移场。结果表明：砂泥岩互层切向边坡开挖后，边坡XX方向应力和YY方向应力出现了沿切向的锯齿形状，应力分布受岩层切向与互层岩性差异的影响较大，ZZ方向应力几乎不受影响；切向岩层受侧向约束的影响，致使边坡变形出现了层次性，且X方向较为显著，Y方向次之，Z方向最弱；边坡整体变形趋势类似于均质岩坡，呈现圆弧滑动趋势；边坡采用框架锚杆支护，仅起到构造护坡作用，边坡的变形和应力状态并未发生实质性的影响。研究成果对砂泥岩缓倾切向边坡的变形预测和支挡防护具有一定的工程借鉴意义。关键词：砂泥岩；软硬互层；切向坡；变形机理；数值模拟中图分类号：U417.1文献标志码：B文章编号：1 0 0 9-7 7 1 6(2 0 2 3)0 6-0 2 1 3-0 4讨了软硬互层边坡倾倒变形破坏特征和支挡防护效0 引 言果。黄达等 8 融合离心模型试验与离散元UDEC讨论砂泥岩互层边坡广泛分布于西南地区，以侏罗了软硬互层岩质反倾边坡的变形机制，总结得出了该系、白垩系地层为主。由于工程建设的需要，不可避类边坡变形可分为3 个阶段，即起始蠕变、稳态变形免地会对山体进行开挖改造，涌现了许多砂泥岩互和失稳破坏。层切向边坡。砂泥岩互层边坡通常是由红色砂岩、粉目前，对于砂泥岩互层缓倾切向边坡的变形机砂质泥岩、页岩、泥岩等软硬岩交互形成，软岩和硬理、破坏模式和稳定性评价仍局限于切向坡的理解，岩力学性质相差较大。一般而言，粉砂质泥岩、泥岩、尚未形成系统有效的认识。为了弄清这类边坡的变形页岩等软岩具有强亲水性、弱透水性，遇水容易软化机理和有效分析该类边坡的稳定性，探讨砂泥岩缓倾且脱水易崩解等性状 1-2 。苗朝等 3 利用离散元软件切向边坡的变形机理是个呕待解决的问题，研究结果系统探讨了边坡空间几何参数和岩体力学参数软硬具有重要的工程指导意义。互层反倾边坡的破坏模式和稳定性影响，得出了边1工程概况坡稳定性系数的影响规律，总结了软硬互层反倾边坡的破坏模式分为块体倾倒、塌滑动、倾倒破坏3种形式。黄润秋等 4 指出，暴雨作用下近水平分布的软硬互层红层边坡极易因为裂隙水和渗流水产生的扬压力而促使滑移破坏。史文兵等 5 以赤水边坡为例，基于离散元软件，探讨了平缓反倾红层边坡的变形破坏机理，得出这类边坡变形发展的4个阶段，分别是卸荷回弹、浅表生改造局部变形、列席扩展延伸和裂隙贯通深部蠕滑。张涛等 6 归纳了红层缓倾岩质滑坡的变形发展过程阶段，并针对不同演化阶段提出了识别特征。蒋金阳7 在现场调查的基础上，结合离心机试验和有限差分软件FLAC3D，系统探收稿日期：2 0 2 2-0 8-1 2作者简介：何茂维（1 98 2 一），男，本科，高级工程师，从事道路桥梁设计工作。项目区地处云贵高原西北部，属中亚热带湿润季风气候区，具有冬暖春早，夏季炎热多伏旱，全年日照少，初夏、晚秋多阴雨，立体气候和地区差异显著的气候特点。年平均气温为1 8.1（最高气温43.2，最低气温-1.2）。降水量在8 0 0 1 7 0 0 mm之间,年均降雨量为1 1 95.7 mm。场区属侵蚀构造地貌单元，边坡区自然坡度2 0 45，为中坡地形。项目区场区无断层通过，边坡上覆土层为第四系（Q+dl）粉质黏土，含少量碎石、角砾，厚1.0 2.5m，基岩局部裸露。下伏基岩为侏罗系上统蓬莱镇组(J3p)砂岩、泥岩互层，强风化层3 4m，呈碎裂结构，碎块间结合差，岩体类型为IV类；中风化岩体较破碎，岩体类型为类。岩层单斜产出，岩层产状2 3 2 1 1，为切向坡，如213城市道桥与防洪图1 所示。283.8拟建道路挖方边坡260.9图1 边坡概况图2计算模型建立2.1网格划分根据地形图中的等高线，导入犀牛软件，先生成点云，然后通过点形成网格面。最后布帘出三维地表，再通过组合、分割、切面等操作形成三维模型。考虑到主要研究区开挖后为切向边坡，故对其开挖坡体附近进行局部加密，控制尺寸为1 m。由于该模型为互层切向岩层，岩层划分不宜太大，因而其余区域按2 m尺寸划分，最终形成以四面体为辅、六面体为主的混合渐变网格，如图2 所示，单元数量共计205964个，节点数量共计1 0 7 2 8 3 个。泥岩砂岩201100何茂维，等：砂泥岩互层缓倾切向边坡应力特征及变形机理研究表1 岩体材料参数密度/体积模剪切模黏聚力/内摩擦 抗拉强岩性(kgm)量/GPa 量/GPa砂岩2650泥岩2.360为复杂，本次模拟采用面状结构单元进行简化模拟分析，具体参数见表2。模型四周和底部约束法向位移,地表为自由边界。表2 支护结构材料参数弹性抗拉灌浆密度/泊松结构模量/(kgm3)比GPaGPa(GPam-)（）/GPa框架2.500植草锚杆78503结果分析3.1边坡开挖后的应力和位移(1)应力分析图3 为边坡开挖后的应力分布。从图中可以看出，边坡按1：0.5坡比开挖后，扰动了原有应力平衡，坡体应力进行重分布，整体仍表现为压应力，说明边坡处于一个应力稳定状态。特别地，边坡XX方向应力和YY方向应力出现了沿岩层切向的锯齿形状,应力分布受岩层的切向与互层岩性差异的影响较大；ZZ方向的应力分布则较为规律，ZZ方向应力与均质岩坡分布几乎一致。X2023年第 6 期kPa角（）度/kPa7.733.163.831.66强度/黏结力/角刚度300.22100.251.32100m6002000.1842826灌浆灌浆摩擦剪切2621300200图2 三维边坡网格划分2.2本构模型与材料参数鉴于覆盖层和强风化层较薄，对研究问题影响有限，为便于分析，仅考虑中风化层。岩体服从摩尔库伦理想弹塑性本构模型，力学参数结合勘察报告、工程地质分析手册及相关文献综合确定，具体参数见表1。2.3支护方案考虑到本次模拟项目为互层切向边坡，边坡按1：0.5坡率放坡，每级边坡高1 0 m，开挖后没有明显滑动面，整体相对稳定，故对该边坡拟采用框架锚杆进行加固。其中，锚杆长6 m,直径3 2 mm,纵向间距2.5m，每级边坡布置4排。由于框架梁的建立较图3 边坡开挖后的应力分布(2)位移分析边坡位移云图如图4所示。边坡开挖后，边坡整体位移位于最高剖面坡脚底部，拟建路基表面隆起，最大位移量为1.3 1 6 mm，X 方向位移整体往X负方向变形，即往岩层倾向的方向变形。受岩层分布影响，岩层倾向底部（左侧）岩体受岩层倾向上部岩体（右侧）挤压，发生挤压变形，最大变形量为0.133mm，右侧岩体沿层面侧向变形，最大变形量为2142023年第6 期何茂维，等：砂泥岩互层缓倾切向边坡应力特征及变形机理研究城市道桥与防洪0.14mm，最高剖面的岩体变形层次性明显,X方向变形受切向层面影响显著。由于边坡为岩质切向坡，沿临空面无潜在滑移面，按1：0.5放坡后，边坡侧向变形很小，最大位移量仅为0.2 5mm，位于坡脚路基表面。Y方向位移受切向岩层影响较小。Z方向变形类似均质岩坡，但其变形具有棱状，最大位移量为1.31mm，位于最高剖面底部。可以看出，锚杆中部作用效果强，两侧作用效果弱，对于中部边坡高度较大的区域，锚杆下部作用效果强于上部。这是由于边坡开挖卸荷后，层面切向受到约束，边坡变形向临空面产生圆弧滑动趋势且中部边坡高度大的剖面变形较两侧显著所致。6.1511E+036.0000E+035.5000E+035.0000E+034.5000E+034.0000E+033.5000E+033.0000E+03ZaneY Displacemen2.5000E+032.0000E+031.5000E+031.0000E+035.0000E+020.0000E+00-2.2554E+02CableAxialForcel图6 锚杆轴力分布(2)应力分析图7 为边坡支护后边坡应力分布云图。从图中(a）整体可以看出，边坡应力分布与未支护时差别不大。这是由于边坡开挖后坡体本就处于压应力状态，受力状态良好。框架锚杆是被动支护结构，仅起到构造支护作用，即护坡作用，并未对坡体应力状态产生实质性的改变。(b)x=50 剖面图4边坡位移云图(3）稳定性评价针对破坏模式难以确定的边坡，可采用有限差分（或有限元)强度折减法进行确定 9-1 0 。图5为边坡临界破坏时的位移云图和最大剪切应变增量云图。从图中可以看出，当折减系数为3.51 1 时，边坡整体表现为圆弧滑动趋势，但受切向互层岩性的影响，出现了局部的锯齿状，临界滑动面云图也出现了一定的棱状，与均质边坡差异微小。因此，对于这类边坡的稳定性分析，可采用圆弧滑动法进行近似计算。x=50剖面2.0156E-012.OD00ED0O图5边坡临界状态位移及最大剪切应变剪切增量云图3.2边坡支护后的应力和位移(1)锚杆轴力分布图6 为边坡开挖后锚杆轴力分布云图。从图中图7 边坡支护后的应力分布(3)位移分析图8 为边坡支护后的位移云图。从图中可以看出，与应力分布类似，边坡支护后位移与未支护时差别很小，切向坡变形以圆弧滑动为主，侧向变形很小，变形量与未加固时几乎一致。由于边坡为切向坡，沿临空面方向没有滑动面，边坡变形类似于均质岩质边坡。边坡岩性本就良好，再加上边坡按1：0.5放坡，再次坡率下边坡本就能自身保持稳定，结论与应力分布前呼后应。在实际工程中，考虑到边坡开挖后裸露易被风化，岩体力学性质会随时间推移发生劣化。为保证边坡长久稳定，避免边坡开挖面剥落、局部垮塌，边坡仍需采取构造支护。4结论(1)砂泥岩互层切向边坡开挖后，边坡XX方向215.城市道桥与防洪何茂维，等：砂泥岩互层缓倾切向边坡应力特征及变形机理研究2023年第6 期MepilacementYDispl(3)边坡按1：0.5开挖后临界状态的折减系数为3.51 1,即安全系数为3.51 1,边坡处于稳定状态。（4)对于砂泥岩切向互层边坡，采用框架锚杆支护，仅起到构造护坡作用，边坡的变形和应力状态并未发生实质性的影响。实际工程中，为避免岩体力学性质因风化作用劣化，防止边坡开挖面剥落、局部垮塌，确保边坡长久稳定，采取构造支护是有必要的。(a)整体参考文献：1程强,周永江，黄绍槟.近水平红层开挖边坡变形破坏特征 J.岩土力学,2 0 0 4,2 5(8)：1 3 1 1-1 3 1 4.2 程强.红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究 D.成都：西南交通大学，2 0 0 8.3苗朝，石胜伟，谢忠胜，等.红层缓倾岩质斜坡地下水作用机制及稳定性分析 J.人民长江，2 0 1 6，47(1 8）：50-55.4黄润秋，赵松江，宋肖冰，等.四川省宣汉县天台乡滑坡形成过程和机理分析 J.水文地质工程地质，2 0 0 5（1):1 3-1 5.5史文兵,李洪建，曾臻，等.平缓反倾红层边坡变形破坏机制研究 J(b）x=50 剖面图8 边坡位移云图应力和YY方向应力出现了沿岩层切向的锯齿形状，应力分布受岩层切向与互层岩性差异的影响较大，而ZZ方向的应力分布则较为规律,ZZ方向应力与均质岩坡分布几乎一致。（2)切向岩层受侧向约束的影响，边坡变形出现了层次性，且X方向较为显著,Y方向次之,Z方向最弱；整体变形趋势与均质岩坡类似，呈现圆弧滑动趋势。防灾减灾工程学报，2 0 1 8,3 8（5）：8 8 1-8 8 8.6张涛，谢忠胜，石胜伟，等.川东红层缓倾岩质滑坡的演化过程及其识别标志探讨 J.工程地质学报，2 0 1 7,2 5（2)：496-50 3.7蒋金阳.软硬互层边坡倾倒变形破坏特征及支护效果的大型离心机试验研究 D.成都：成都理工大学，2 0 1 7.8黄达，马昊，孟秋杰，等.软硬互层岩质反倾边坡弯曲倾倒离心模型试验与数值模拟研究 J.岩土工程学报，2 0 2 0,42(7)：1 2 8 6-1 2 95.9 陈权川.缓倾顺层岩质边坡抗滑键支护承载性能研究 D.贵阳：贵州大学，2 0 2 1.10郑颖人,赵尚毅.有限元强度折减法在土坡与岩坡中的应用 J.岩石力学与工程学报，2 0 0 4（1 9）：3 3 8 1-3 3 8 8.+（上接第1 7 1 页）构,2 0 2 1,3 8(1):48-52.5李航.大跨径钢混组合梁桥施工关键技术研究 .交通世界（上旬刊),2 0 2 1(8):46-47.6王德怀，王琦，张玉奇.超宽大跨变截面连续钢混组合梁施工方案比选 J.中外公路，2 0 2 1,41(2):1 9 3-1 9 7.7安景峰,刘礼威,郭赵元,等.钢混组合钢板梁桥混凝土开裂影响因素及裂缝控制措施 J.南京工业大学学报（自然科学版）,2 0 2 0,42(3):389-398.8苏庆田,胡一鸣，徐晨，等.整体预制钢混凝土组合梁桥合理结构研究 J.建筑钢结构进展，2 0 2 0,2 2(2)：93-1 0 0.+9张晓杰，张金安，史艳.公路钢混组合梁装配化施工技术 .价值工程,2 0 2 1,40(8):1 46-1 48.10文辉.高速公路桥梁工程中的钢混组合梁施工技术 .交通世界(上旬刊）,2 0 2 1,(7):9 2-9 3.11李义成.大跨径钢混组合箱梁工厂化制造关键技术 J.钢结构（中英文),2 0 2 0,3 5(9):44-51.12邹海军.市政高架桥钢混组合梁PLC同步顶升施工技术研究 J.价值工程,2 0 2 1,40(5):1 9 2-1 9 4.13震宇，徐树堂.某市机场路高架桥钢混叠合梁预顶升施工技术研究 J.江苏建筑，2 0 2 0（4):6 8-7 1.216.JIANGWenjie(209)Technology and Control of Water Sealing and Reinforcement of Ultra-deep Underground Diaphragm Wall Jointsin Complex StrataWEI Xiangting(205)Abstract:Aiming at the problem of joint leakage of underground diaphragm wall in complex strata ofconfined water,the piles of RJP,MJS and N-Jet methods are used to seal and reinforce the joints ofunderground diaphragm wall in order to control the leakage of foundation pit.Based on a rail transitproject in Shanghai,through 75 m ultra-deep pile tests of RJP,MJS and N-Jet methods,the water-sealingreinforcement technology of ultra-deep underground diaphragm wall joints and the pile-forming effect areanalyzed,and the corresponding control measures are proposed.The field pile test results show that thequality of the pilot hole directly affects the pile forming effect.The quality of the pilot hole can beimproved by the measures such as steel sleeve hole protection and survey deviation correction.When thepile-forming depth is less than 45 m and the soil layer is mainly composed of cohesive soil.Thepile-forming effect will be good.The strength and impermeability of the coring specimen meet therequirements.The pile-forming coring effects of RJP,MJS and N-Jet methods cannot meet therequirements when the pile-forming depth is greater than 45 m and the main stratum is composed of 2dense silt.When the piles of RJP,MJS and N-Jet methods are used to strengthen the water-sealing effectat the joint position of ultra-deep underground diaphragm wall,the attention should be paid to theproperty of the soil layer with the depth variation.The construction control parameters should be adjustedtimely.Keywords:ultra-deep underground diaphragm wall;joint reinforcement;confined water;ultra-highpressure jet grouting pile;coring testKey Construction Technology of Underground Diaphragm Wall of Steel Cage Attached MembraneAbstract:In order to avoid the late plugging of underground diaphragm wall and save cost,theunderground diaphragm wall technology of steel cage attached membrane is proposed.Based on theenclosure structure project of Hangzhou Government Reserves,the experimental research on theperformance of impermeable membrane material and the technology of steel cage attached membrane iscarried out.The excavation results show that there is no leakage at the wall surface and joints on theexcavated side of the diaphragm wall in the test area.The results of the study show that the undergrounddiaphragm wall technology of steel cage attached membrane is feasible and meets the requirements ofseepage interception and joint water stop of underground diaphragm wall,which is an effective choice forthe seepage-proofing construction of enclosure structure.Keywords:steel cage attached membrane;experimental research;seepage interception of wall surface;joint water stopSTUDY ON SCIENCE&TECHNOLOGYStudy on Stress Characteristics and Deformation Mechanism of Sand-mudstone Interbedding Gently DippingTangential SlopeAbstract:In order to better analyze the deformation mechanism of the gently dipping tangential slope withinterbedding sand and mudstone,taking a red bed slope in the southwest as an example,athree-dimensional tangential geological model of soft and hard interbedding is established by theHE Maowei,LI Song(213):LIANG Dong(217).FU Yonggao(222)numerical simulation software.The stress field and displacement field after excavation and support of theslope are discussed.The results show that after excavation of the tangential slope of the sand-mudstoneinterbedding,the stress in the XX direction and the stress in the YY direction of the slope appear a zigzagshape along the tangent.And the stress distribution is greatly affected by the difference between the rockstratum tangent and interbedding lithology,and the stress in the ZZ direction is almost unaffected.Thetangential rock stratum is affected by the lateral restraint to cause the slope deformation to appearhierarchical,and the X direction is more significant,the Y direction is second and the Z direction is theweakest.The overall deformation trend of the slope is similar to that of a homogeneous rock slope,showinga circular arc sliding trend.The slope is supported by frame anchor bolts,which only plays the role ofstructural slope protection.The deformation and stress state of the slope have no substantial effect.Theresearch results have certain engineering reference significance for the deformation prediction andsupport protection of sand-mudstone gently dipping tangential slopes.Keywords:sand-mudstone;soft and hard interbedding;tangential slope;deformation mechanism;numerical simulationAnalysis of Modeling Process for Numerical Simulation of Earth Slope on Soft Soil Foundation:Abstract:Midas GTS NX software widely used in the geotechnical design is applied.On the basis ofMoore-cullen constitutive model,through the analysis on value source of each parameter and theestablishment of the typical model to demonstrate the modeling process,the rationalization proposal is putforward for the numerical simulation of the similar projects.Keywords:weak soil foundation;earth slope;finite element calculationComprehensive Assessment of Long-span Cable-stayed Bridge Based on Uncertainty Inference Abstract:With the rapid improvement of the bridge construction level in China,the technical conditionassessment of long-span bridges is getting more and more attention,but also there are still more problemsand deficiencies.Taking a cable-stayed bridge as the research background,the multi-level fuzzysynthesis method in uncertainty inference and D-S evidence theory are used to carry out the conditionassessment on the steel box beam cable-stayed bridge,and the results are compared with those of thedirect weighted average method.The study shows that the uncertainty inference method can be betterapplied to the technical condition assessment of long-span cable-stayed bridges.The D-S evidencetheory method can reflect the difference among sub-indexes,which is conducive to making morereasonable maintenance decisions.Keywords:cable-stayed bridge;condition assessment;fuzzy synthetic assessment;D-S evidence theory;uncertainty inferenceStudy on Load Test of Corrugated Steel Web Composite Box Girder BridgeAbstract:In order to test the construction quality and actual bearing capacity of a new corrugated steelweb-steel baseboard-concrete top composite box girder bridge,the static and dynamic characteristicsof the bridge under the equivalent vehicle load are analyzed.The finite element simulation model of thebridge is established by using the structural finite element analysis software MIDAS CIVIL.Through thefield static load test and dynamic load test,the static and dynamic data of the bridge structure under theLI Xiaogang(226)