富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁二十四局集团有限公司科技研发项目(科研 号)作者简介:靳炳强()男甘肃会宁人高级工程师主要从事交通土建工程施工技术与科技管理工作:.引文格式:靳炳强.富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究.铁道建筑技术():.富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究靳炳强(中铁二十四局集团浙江工程有限公司 浙江杭州)摘 要:以杭温高铁永嘉站 .边坡为例通过物理模型试验方法对施工开挖及降雨条件耦合作用下的路堑边坡变形破坏过程进行研究 结果表明降雨条件下雨水入渗导致岩体自重增大造成软弱夹层内部土体压力变化致使软弱夹层强度降低施工开挖阶段开挖扰动造成岩层卸荷拉裂边坡应力重新分布致使边坡抗滑力降低永嘉站高边坡在施工开挖及降雨耦合条件下其变形破坏全过程为开挖扰动岩层卸荷拉裂降雨入渗滑移下错坡脚坠覆沿软弱面滑移边坡破坏关键词:富水泥岩 路堑边坡 降雨入渗 施工开挖 破坏机制 模型试验中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:.:引言根据 等对国内近百例斜坡变形统计发现有近三成滑坡或斜坡变形发生的主要原因为施工开挖及降雨且许多大型或巨型滑坡往往伴有降雨国内外学者针对边坡的研究主要从三个方面出发:()变形机理及变形模式 将边坡弯曲倾倒变形归为三种类型即弯曲倾倒、块体倾倒和块状弯曲倾倒通过理论分析和室内试验认为倾倒破坏通常先发生于滑趾破坏时坡脚处的岩块因上部滑动体压力出现翻转然后整体发生倾倒破坏胡惠华等通过构建地质分析模型认为反倾硬质斜坡在坡脚冲刷、掏蚀及施工开挖扰动作用下斜坡会沿不同深度、不同结构面组合的潜在滑面发生变形破坏()边坡变形破坏的影响因素 韩贝传等指出岩质边坡的倾倒变形主要与坡体形态、初始应力场、边坡开挖深度与角度、岩体与层面力学参数、层面几何特性、地下水位波动等因素有关郑达通过模拟不同坡角斜坡的变形演化与破坏过程研究了坡角变化与边坡变形发展演化之间的关系()稳定性分析 国内外关于反倾层状边坡的稳定性分析方法可以归纳为解析分析法、数值模拟和物理模拟三大类其中物理模拟方法主要有左保成等采用的离心试验、陈孝兵等采用的基底摩擦试验和杨国香 等采用的振动台试验等鲜有文献同时考虑降雨及施工开挖双重作用来研究岩质边坡在降雨条件下的变形破坏模式铁道建筑技术 ()靳炳强:富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究本文依托杭温高铁永嘉站 .边坡通过物理模型试验方法对施工开挖及降雨条件下岩质边坡变形破坏全过程进行研究得出此类边坡在施工开挖及降雨条件下的变形破坏特征可为此类边坡施工及运营阶段的防灾减灾措施提供参考意见 工点概况杭温高铁永嘉站 .边坡位于杭州至温州铁路义乌至温州段工点前接永嘉站特大桥后接千石隧道为杭温铁路接入甬台温铁路的接轨点地形地貌:属中低山区地势陡坡起伏自然坡度 变化相对高差为 植被较发育多为灌木、杂草等交通不便利地层岩性及构造:主要由第四系残坡积()碎石土、角砾土组成广泛分布于斜坡坡面一带下伏基岩为三叠系巴东组()泥质灰岩、泥岩水文地质条件:地表水较发育地下水为第四系孔隙潜水流量和水位变动大受大气降水影响较大 地表水及地下水无化学侵蚀性无氯盐侵蚀 地震动参数:基本地震动峰值加速度.基本地震动反应谱特征周期为.模型试验设计.相似比设计及相似材料配比本次模型试验以现代地质力学理论和相似理论为基础依托工点坡体纵向高度为 鉴于模型箱尺寸高为 设计模型尺寸高度为.此次模型试验选择几何相似比尺为:式中:为几何相似常数为原型尺寸为模型尺寸根据所确定的几何相似常数 确定物理模型相似参数为:式中:为粘聚力相似比为弹性模量相似比为应力相似比为重度相似比为应变相似比为摩擦系数相似比为内摩擦角相似比为泊松比相似比为渗透系数相似比为时间相似比本次模型试验着重研究施工开挖及降雨入渗条件下的岩质边坡通过正交配比试验及直剪试验确定软弱夹层及残坡积层材料力学参数及相似材料配比泥、灰岩配比参考岩石相似材料研究成果辅以地质普查资料、岩石力学参数手册以及工程地质手册以灰岩和泥岩力学参数取值作为原型材料力学参数以石英砂、石膏和水泥为相似材料进行配比 相似材料力学参数及配比如表 所示表 相似材料参数材料名称粘聚力/内摩擦角/()弹性模量/相似材料配比(质量比)泥岩 石英砂 石膏 水泥 .软弱夹层.石英砂 粘土 滑石粉水 灰岩 石英砂 石膏 水泥.残坡积层.石英砂 粘土 水.原型边坡表层主要由第四系残坡积层()碎石土和角砾土为主透水性较好其渗透系数为/软弱夹层以灰岩和泥岩强 全风化物质组成为主其渗透系数介于././之间.试验模型填筑为了更好地模拟反倾层状岩质边坡模型整体由相似材料浇筑而成的砌块垒筑而成砌块尺寸有长 宽 高 和长 宽 高 两种 模型箱底部为弱风化灰岩和泥岩强弱风化线处为原型贯通节理面贯通节理面以上部分为强风化泥岩和灰岩坡表覆有第四系残破积层 填筑完成后的模型箱如图 所示图 填筑完成后的模型.传感器布设试验所用到的传感器包括百分表位移计 组箔式微型压力盒 个土壤水分传感器、基质吸力传感器、孔隙水压力传感器各 个以及应变片 组 各类传感器具体布设位置如图 所示铁道建筑技术 ()靳炳强:富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究图 传感器布设试验所用传感器均具有体积小、精度高、稳定性好、抗干扰能力强的优点可以很好地避免传感器尺寸对试验结果的影响.降雨量工况设计地区多年平均降水量为 其中 月 月降水量占全年以上最大 降水量为 最大 降水量 根据降雨时长相似准则以当地 降雨极值 为总控制量模型试验时选择总降雨量 作为降雨强度相似准则依据试验在 时间段内累计降雨量达到 试验过程降雨按表 设计工况进行表 降雨工况设计工况起止时间降雨强度/(/)累计降雨/:降雨自:开始至:结束耗时 试验过程降雨量如图 所示图 累计降雨量时程曲线 试验现象分析.开挖条件下的坡体变形分析路线从滑坡前部以路基挖方形式通过走向近东西向原设计路基中心最大挖方深度为 左右 边坡为三级第一级高度为 坡率为 .其余两级均为 坡率为 模型边坡开挖时尽可能还原原型边坡的开挖步骤和方法第三级开挖结束坡表裂缝已近乎贯通裂缝宽度约 第三级开挖结束后静置 :开始开挖第二级边坡:第二级开挖结束 第二级开挖结束后坡表出现新裂缝原有裂缝发展变宽裂缝宽度 第二级开挖结束后静置 :开始开挖第一级边坡:第一级开挖结束 第一级开挖结束后坡表出现新裂缝原有裂缝发展贯通宽度可达 之后继续延伸发展裂缝加宽.降雨条件下的坡体变形分析模型边坡以滑坡区总降雨量极值 为控制量于:开始降雨整个降雨过程中坡表顺坡向滑移距离达.后缘错落累计.坡顶岩体层间相对倾倒错落达.原型边坡变形情况与模型边坡变形情况相比原型边坡已开挖边坡坡面沿节理面出现鼓胀开裂在高程为 处出现反翘左右的裂缝连续开裂宽度 模型边坡预先设定了剪出口控制节理/降雨进行至:时与滑坡缘形成剪出口裂缝 通过钻探原型边坡滑带部分土样有明显的滑擦痕迹模型边坡在降雨进行至:时滑带出现明显的“羽状”滑擦裂缝 试验结果分析.土压力数据分析土压力传感器竖向布设旨在采集岩体倾倒及软弱夹层内部后方岩(土)体对前端的压力图 为降雨过程土压力变化曲线 如图 所示位于一级平台坡脚处的 测点部位出现应力集中在整个降雨过程中均处于被挤压状态且随降雨历时增加土压力持续增大峰值在 左右 如图 所示位于坡口处的 测点及同一岩层层面内布设的 测点在整个降雨过程中 测点测量值始终大于 测点且 测点起始值为负值 测点处土压力所表征的岩体变形模式为下部张拉 测点处土压力所表征的岩体变形模式为上部受压说明此处岩体可能出现倾倒变形 如图 所示 测点位于坡中岩体层面顶部 测点位于软弱夹层内部 对比分析两条曲线发现 测点土压力持续增大表明 测点附近土体受到后方土体持续挤压 测点土压力在整个降雨过程中表现为起初土压力无明显变化降雨历时过半后土压力开始逐步增大压力值超过 测点 结合 和 测点土压力变化规律可知坡中岩体先随软弱夹层向下滑移降雨历时过半后岩体才发生倾倒变形 如图 所示 测点位于软弱夹层内部 测点位于坡铁道建筑技术 ()靳炳强:富水泥岩地区路堑边坡灾变演化机制研究顶 在整个降雨过程中 测点土压力值无明显上升或下降趋势在.范围内 测点土压力始终处于上升趋势 结合 和 测点土压力变化规律坡顶软弱夹层向下错落滑移形成张拉裂缝岩体倾倒上部受压 如图 所示在整个降雨过程中 测点土压力始终大于 测点表征坡体后缘部分岩体在降雨作用下的变形特征为倾倒变形坡体后缘岩体沿顺坡向节理面倾倒错落图 各测点土压力变化曲线 经土压力分析可知坡体受力特征为同一岩体顶部土压力大于底部土压力软弱夹层内部始终处于挤压状态.位移数据分析模型填筑完成后于坡顶处布设百分表组 开挖完成后于开挖形成的三级和二级平台处布设百分表组 和 如图 所示绘制三组百分表位移计测得的各点累计位移曲线如图 所示图 累计位移曲线由图 可知开挖阶段 点 方向位移为.方向几乎没有位移 开挖结束后在静置过程中 点 方向位移增大至.方向累计位移为.开始降雨后 点 方向位移由.增大至 之后位移增长速率直线上升最终在降雨结束时达到.点 方向位移由.增大至.变形稳定一段时间后在降雨即将结束前变形突然加剧竖向位移增大至.测点在降雨开始后率先发生 方向的位移位移量为.此时 测点和 测点 方向的位移约为.测点最终累计位移量为.方向位移在保持一定斜率持续增大至.后保持不变最终累计位移量为.测点 方向位移发生在 和 之后但其增长速率较为稳定最终累计位移量为 而 方向位移较为平缓最终累计位移量为.三个测点的 方向位移均大于 方向位移 方向上 测点率先发生位移之后 测点开始出现位移 测点最后发生位移 和 测点最终累计位移量相当且大于 测点 方向上 测点率先发生位移和 测点位移增长速率相当 测点位移相对平缓表明边坡在降雨作用下坡体竖向变形大于横向变形 结 论()降雨条件下雨水入渗引起岩体自重增大造成软弱夹层内部土压力变化导致软弱夹层强度降低(下转第 页)铁道建筑技术 ()汤强 等:复合剪力墙偏心受压性能研究 由表 可知:模拟值与本公式计算结果相近并且比值均大于 计算值的平均值为 变异系数为.小于 数值正常说明式()和式()可以用于复合剪力墙偏心正截面承载力计算 结论()轴心受压试件裂缝基本为竖向裂缝主要集中于墙宽截面中部而两侧存在边缘构件范围内竖向裂缝较少说明边缘构件可起到一定约束作用 偏心受压试件裂缝基本为横向裂缝主要集中于远偏心一侧由于混凝土抗拉强度较低导致混凝土开裂()偏心距是影响复合剪力墙承载力的重要因素偏心距越大复合墙承载力越大()建立轴心受压试件有限元模型对比极限承载力模拟值与试验值误差在可接受范围内说明所建模型具有一定的可靠性()根据有限元分析提出复合剪力墙偏心受压正截面承载力计算公式 采用混凝土层合厚度进行计算为复合墙板构件设计提供了依据也可供编制相关技术规程参考参考文献 吕修峰.装配式轻质混凝土外墙挂板施工技术研究.铁道建筑技术():.李升才.带框复合墙板承载力计算的简化模型与方法.工程力学():.刘新领陈丽华徐如楠等.复合节能承重墙板研究综述.工业建筑():.莘明佳白润山冯佳玉.新型保温复合剪力墙结构体系的研究与分析.江西建材():.():.():.:.():.张立新梁发云苗吉军.墙板的性能与试验.住宅科技():.李升才江见鲸于庆荣.复合剪力墙板抗剪承载力计算方法的探讨.建筑结构():.张同亿张兴虎于庆荣.复合墙板结构层组合形式的探讨.西安建筑科技大学学报(自然科学版)():.王凤来李新.配筋砌块砌体短肢剪力墙偏心受压性能的试验研究.建筑砌块与砌块建筑():.于俊英.建筑结构试验.建筑结构试验设计.天津:天津大学出版社.于洪良.高层建筑混凝土结构技术规程:.北京:中国建筑工业出版社.(上接第 页)()施工开挖阶段开挖扰动使得岩层卸荷拉裂边坡应力重新分布导致边坡抗滑力降低()永嘉站高边坡在施工开挖及降雨耦合条件下的变形破坏全过程为开挖扰动岩层卸荷拉裂降雨入渗滑移下错坡脚坠覆沿软弱面滑移边坡破坏()永嘉站高边坡施工过程应加强监测可将土压力及位移数据作为施工过程重要监测指标参考文献.():.:.():.胡惠华张鹏龚道平.反倾硬质岩高陡斜坡变形破坏机制分析.岩石力学与工程学报():.韩贝传王思敬.边坡倾倒变形的形成机制与影响因素分析.工程地质学报():.郑达张硕郑光.基于坡角变化的反倾层状岩质斜坡倾倒变形离心模型试验研究.岩土工程学报():.左保成陈从新刘小巍等.反倾岩质边坡破坏机理模型试验研究.岩石力学与工程学报():.陈孝兵李渝生赵小平.基底摩擦重力试验在倾倒变形岩体稳定性研究中的应用.地学前缘():.杨国香叶海林伍法权等.反倾层状结构岩质边坡动力响应特性及破坏机制振动台模型试验研究.岩石力学与工程学报():.李久栋.地震作用下斜坡桩土相互作用关系研究.铁道建筑技术():.水利水电科学研究院水利水电规划设计总院水利电力情报研究所.岩石力学参数手册.北京:水利水电出版社.工程地质编委会.工程地质手册.北京:中国建筑工业出版社.左保成陈从新刘才华等.相似材料试验研究.岩土力学():.铁道建筑技术 ()