超高路堑边坡治理工程案例研究I：边坡失稳机制模拟分析

 概要介绍龙岩双永高速公路K227超高路堑边坡的地形地貌、地质条件、变形破坏过程及特征,结合边坡稳定度反分析思路、强度折减法和开挖有限元仿真技术对该边坡变形孕育过程进行模拟分析和定量评估。采用一种基于应力张量差值的增减变化及其变化量的正负分区来确定边坡开挖松弛区的数值方法,解释路堑高边坡开挖卸荷松弛的力学机理;模拟重现了挖方边坡经历稳定性缓慢上升的卸荷回弹阶段、稳定性线性下降的剪切破裂阶段和稳定性急剧下降的失稳破坏阶段的全过程中应力调整、塑性屈服、滑面孕育和变形破坏的演化规律和发展趋势,揭示了边坡由于快速工程开挖扰动,使潜在软弱带充分暴露,并切断坡脚力学支撑,伴随岩土卸荷松弛及强度弱化,产生坡顶岩土张裂变形、深层软弱带剪切蠕动和坡脚沿结构面临空剪出的失稳机制;间歇性降雨入渗的岩土增重及附加水压使滑坡表现出时滑时停的特征;边坡整体处于临界状态,在继续开挖或持续暴雨冲击条件下,可能导致稳定性骤降,从滑动阶段转化为剧滑阶段。最后,对应急抢险对策、治理方案规划及线路调整设想等问题进行讨论与反思,为边坡病害治理提供了理论依据。     

基于三维数值模拟的含软弱夹层顺层岩质边坡开挖稳定性研究

在地形、岩体组构、风化及开挖卸荷等作用下,某含软弱夹层顺层岩质建筑边坡已明显变形,继续开挖后可能出现大变形问题。通过开挖过程中边坡变形破坏特征及岩土体物理力学参数统计分析,基于FLAC3D软件,建立了边坡三维计算模型;计算分析了边坡开挖后的位移变形特征,评价了开挖后边坡的稳定性。结果表明,边坡开挖后软弱夹层上部岩土体变形较大,可能产生沿该软弱夹层的剪切滑移破坏,与现场监测数据基本吻合,可为顺层岩质边坡稳定性计算评价及优化同类型边坡开挖支护设计提供理论依据。     

郴州市某高边坡过程稳定性及处治措施分析

通过对郴州市某路堑高边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩土结构及其成因机制、过程稳定性进行细致研究,在此基础上结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡处于蠕动滑移阶段,边坡的变形受层间软弱夹层控制作用明显,坡体中下部覆盖层沿层间软弱夹层产生滑动;受已发生滑动的覆盖层推力作用,第一级、第二级边坡岩土交界面逐渐产生剪切滑动面,逐渐贯通,最终破坏。基于变形机制分析的治理措施将重点放在控制滑动体和坡脚的变形上。     

膨胀土路堑边坡病害处治

结合某膨胀土路堑边坡集群发生的病害现状,阐述坡面膨胀土性质的变化分布特征和营力作用下的风化程度变化分布特征的耦合效应是病害的内因;提出了新开挖膨胀岩土路堑边坡失稳机制的时程演化概念模型,揭示了开挖坡址部高应力剪切塑性区与相对更强风化效应形成的牵引式塌陷破坏是结构性滑动失稳的主要形式。结合膨胀岩土边坡稳定可控的变形可以有效补偿边坡失稳(膨胀或超固结)荷载水平的机理,优化了护坡支撑结构刚度设计方法,提出了压脚稳定结合综合坡面护坡体系的既有高速公路膨胀土路堑边坡失稳病害处置措施,工程实践证明处治效果良好。     

基于岩石长期强度特征的岩质边坡时效变形过程分析

基于对岩体流变特性的认识,从岩石材料内在物理力学性质受环境影响随时间劣化与岩石内部细观损伤积累的角度出发,通过引入岩体细观表征单元体的强度退化模型,开展岩质边坡的时效变形与破坏特征的研究。首先模拟了含顺坡软弱结构面边坡的时效破坏模式,分析了软弱结构面分布和强度劣化特性对边坡长期稳定性的影响；其次对一含有明显的软弱结构面的软硬互层岩质边坡,进行了时效变形破坏的实例分析。由于岩体的流变特性,岩体强度参数随时间的推移而逐渐衰减,致使边坡稳定程度降低。特别是对于含有明显的软弱结构面及软岩层的边坡,软弱结构面及软岩层的长期强度特性不容忽视。对含有明显的软弱结构面的软弱互层边坡蠕滑破坏的控制和治理,应在顾及时间效应的基础上,着重考虑长期强度、渗控和开挖卸荷等主要因素。研究成果可望对类似边坡的安全评价和设计提供一定的参考。     

雅砻江官地水电站料场边坡开挖扰动及其影响因素

 对雅砻江官地水电站竹子坝料场开挖高边坡稳定性及其影响因素进行深入研究;在对边坡失稳破坏模式及岩体力学参数进行分析的基础上,对典型代表性的坡段开挖过程进行非线性有限元模拟,得到边坡应力、位移及其塑性应变等开挖扰动特征及其断层、结构面参数、锚固措施等的影响效应,并对边坡施工过程中及长期稳定性的加固方案提出建议。研究结果表明,采用分步开挖、逐级加固的施工方案对确保边坡的稳定性是有效的,锚固支护不仅可以有效地约束变形,而且还能控制一定方向上的开挖卸荷强度,从而有效降低边坡岩体因开挖卸荷引起的强度损伤或破裂失稳。根据上述研究成果,提出在实际工程应用中进行开挖施工与加固优化的建议;作为重大水电工程的案例研究,所得结论也可对铁路、公路建设中的开挖边坡和矿山的露天矿边坡的治理工程提供一定的参考。     

膨胀岩土路堑边坡失稳防护

膨胀岩土的胀缩性、裂隙性与超固结性等内在因素和包括气候变化、地下水位变动和开挖卸荷应力释放等的外在因素共同诱发了膨胀岩土路堑边坡的稳定问题,其破坏类型包括湿化性失稳—表层溜塌滑移与风化性失稳—局部坍塌滑动的两大形式,因此,膨胀岩土暴露坡面的防护对策需要合理配置坡面防护技术、坡面稳定构造以及截排水系统。     

红砂岩顺层边坡监测及变形破坏分析

 由于红砂岩易风化崩解、长期强度低以及层间发育泥化夹层等特点,坡脚开挖后往往形成稳定性差的顺层边坡。根据现场调查分析认为,不利的地质结构、坡脚开挖及降水诱发是红砂岩顺层边坡发生变形破坏失稳的主要原因。长期的边坡监测数据表明,边坡在抗滑桩支护后仍处于蠕滑变形,边坡及抗滑桩均出现不同程度的变形。结合以往研究工作,综合分析边坡监测数据认为,持续高强度降水和滑面向深部发展是处治后的边坡及支护结构变形的主要原因。抗滑桩支护后滑面向深部发展,新滑面位于稳定地下水位以上。持续的高强度降水对泥化夹层的淋滤作用明显,并使泥化夹层含水量增大、强度降低,边坡的剩余下滑力增大,抗滑桩通过变形协调发挥抗滑作用。     

顺倾岩土互层路堑高边坡开挖破坏模式及稳定性数值模拟研究

运用Midas/GTS模拟岩土互层路堑高边坡的开挖过程破坏模式及稳定性,分析岩土层倾角与破坏模式及稳定性之间的关系。结果表明:岩土互层路堑高边坡主要的滑移破坏模式为沿着通过坡脚的土层进行平面滑动,但也可能在坡脚以上的土层先产生滑动;在其他条件相同时,顺倾向边坡的安全系数随岩土层倾角的增大先减小后增大,开挖产生的水平位移先增大后减小,岩土层倾角为30°左右时边坡的安全系数最小,开挖过程中产生的水平位移最大;岩土互层边坡开挖影响范围整体呈现圆弧形,岩层与土层交界处产生"锯齿"状突变。岩土互层边坡的稳定性及开挖变形对土层黏聚力和内摩擦角的敏感性明显大于对岩层黏聚力和内摩擦角的敏感性。     

软岩深路堑边坡工程问题综述

国内高速公路网和铁路客运专线的新建,出现了一批软岩深路堑边坡工程,其中坡体的开挖、支护出现了前所未有的难题。通过对软岩深路堑边坡坡体变形力学特性研究、稳定性评价、支护方法等关键技术进行综述,提出了研究的重点、方法以及存在的问题,并探讨了软弱岩体和高边坡应力的处置办法,以期对软岩深路堑边坡工程问题的研究提供借鉴。     

顺层岩质路堑边坡稳定性有限元分析

路堑边坡稳定性分析是工程建设中的重要问题。在工程地质勘察的基础上,利用非线性有限元法,结合强度折减理论,采用有限元软件ANSYS对某顺层岩质路堑边坡的开挖变形进行数值模拟,分析了该顺层岩质边坡的变形破坏机制及其演变过程,为边坡的工程治理设计提供了合理的建议。     

芭蕉220kV开关站加筋土边坡失稳机理研究

针对芭蕉220kV开关站高填方加筋土边坡,介绍了该边坡的变形失稳特征。通过室内试验及参数分析合理地确定边坡计算参数,建立了有限元模型,并结合极限平衡法对加筋土边坡的变形机制进行了研究。结果表明:边坡的破坏模式为基底软弱层沿最大剪应力带的剪切破坏,基底软弱层的存在是边坡失稳的根本原因,而降雨入渗及填土加载等是边坡失稳的诱发因素。     

贵阳某岩土基坑边坡失稳成因分析

某建筑深基坑南侧有一段岩土混合边坡,下伏岩层面横向,边坡开挖至坡脚时出现了整体失稳。该文从裂缝分布特征、基坑周边环境、岩土结构、开挖支护方式等方面分析了失稳的成因。根据边坡稳定性现状,提出加固处理方案。     

法向卸荷条件下含单裂隙砂岩剪切强度与破坏特征试验研究

在地下工程及边坡开挖和河谷下切等人为和自然因素作用下,岩体应力将沿至少某一个方向卸荷,造成复杂的岩体应力重新分布。这种卸荷易诱发岩体工程灾变,其中法向应力卸荷诱发岩体剪切破坏尤为突出。采用法向应力逐渐卸荷而剪切应力保持恒定的直剪试验方法,模拟开挖卸荷诱发岩体剪切破坏的力学机制。研究法向应力卸荷条件下,裂隙与剪切方向的夹角(后面简称夹角)及应力水平对单裂隙砂岩试样剪切变形、强度及破裂演化的影响规律。随着夹角从0°向180°增加,破坏模式依次表现为剪切破坏、张拉破坏、张剪混合破坏及剪切破坏的过渡。卸荷过程中法向位移和剪切位移均随初始法向应力的增大逐渐增大,而随初始剪应力的增大均逐渐减小。卸荷过程中法向位移随夹角的增大呈现先减小后增大的变化,而剪切位移对夹角不敏感。破坏时法向应力卸荷量随初始法向应力的增大逐渐增大,随初始剪应力的增大逐渐减小,随夹角的增大先减小后增大,夹角为60°时试样最容易发生破坏。通过对破裂面的应力状态分析,从力学机制的角度解释了破坏模式与夹角的相关性。研究成果丰富了卸荷岩体力学基础理论,为岩体工程开挖灾害防治提供理论支撑。     

220 kV盐津变电所开挖边坡变形机制分析

 针对220 kV盐津变电所开挖边坡,通过调查地质条件、分析变形迹象、查明岩土体的应力–应变特性及数值模拟求证等方法,发现影响边坡稳定的不利因素主要是凹状地形地貌、不良地质结构和地下水,指出该边坡整体上为开挖造成的坡体中前部牵引变形破坏,易软化泥岩控制着边坡的整体稳定性。边坡具体变形机制为：(1) 场地开挖形成临空面,坡脚因应力集中在重力作用下发生小规模坍塌;(2) 开挖后阻滑力降低、剪应力增大,发生剪切变形,原已被地下水软化的泥岩因剪切变形的发展导致抗剪强度再次降低,同时受重力牵引,坡体前缘出现裂缝;(3) 受不利动、静水压力作用、坡面临空效应及软化泥岩的控制作用,覆盖层中部拉剪破坏,然后覆盖层中前部随下伏全～强风化泥岩滑动而协同变形。研究变形机制的方法给今后类似研究提供了借鉴意义,并且该实例表明在工程中应重视泥岩的软化特性。     

路堑边坡地震响应及抗震设防研究

在工程设计中,由于路堑边坡未受行车荷载作用,其重视程度不及路基边坡.然而路堑边坡在地震作用下易发生塌方,切断交通,阻碍救援,造成巨大损失.通过数值分析方法,研究路堑边坡的地震响应规律,得出：由于岩土弹塑性体的耗能作用,坡脚位移响应最大,易失稳,坡顶的稳定性相对较好;坡项速度及加速度响应较大;路堑边坡应采取缓坡设计及柔性设防措施.     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

类土质边坡开挖的卸荷作用及卸荷带宽度的确定

分析了类土质边坡开挖过程中卸荷裂隙的产生机理,认为工程开挖改变了边坡岩土体的应力状态,使边坡岩土体受到一个指向坡外的侧向附加应力,从而导致了原有裂隙的张开和新裂隙的产生。进行了粉质粘土、粉土及粉砂质泥岩开挖卸荷的离心模型实验,实验结果表明,原有裂隙倾角越大、深度越大、离卸荷面的距离越近,卸荷过程中,裂隙的变形量越大,文中给出了上述因素与裂隙变形量的关系曲线;同时,裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响较为明显,实验得出了岩体卸荷受拉破坏时的变形模量与该夹角的函数关系,分析了裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响。提出了在实际工程中确定卸荷带宽度的方法,并以重庆长江库岸为例证明了该方法的可行性。     

具有外倾节理岩质边坡开挖与支护FLAC~(3D)数值模拟分析

该文结合具有一组平行外倾节理面的岩质边坡工程实例,通过FLAC3D建立数值计算模型,分析了该类边坡的稳定性以及开挖支护过程中的力学响应。结果表明:①外倾节理岩质边坡达到极限状态时,靠近坡脚的最下面一条结构面将产生贯通的塑性区;②边坡开挖将使潜在滑裂面下移,两滑裂面之间岩体剪切滑移将引起锚杆轴力增大,在靠近坡脚的新滑裂面位置处达最大;③在坡脚处设置混凝土挡墙能有效提高边坡整体稳定性,此加固措施效果较好。     

含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡失稳特征数值模拟研究

含软弱夹层的缓倾红层边坡由于其岩性特殊,切坡开挖常导致其结构面外露于临空处,边坡上部易沿软弱结构面发生滑移.为了预防此类滑坡失稳和指导工程施工,采用有限元数值模拟软件Midas GTS/NX对含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡失稳特征进行了分析.结果表明:坡体内应力会随着切坡而重新分布,大小主应力在开挖面附近发生偏转;未开挖至软弱夹层时,坡脚处出现剪应力集中现象,而开挖至软弱夹层以后,软弱夹层面会出现拉应力集中现象;含软弱夹层的缓倾红层边坡切坡过程以水平位移为主,竖直位移较小,同时软弱夹层开挖面附近位移最大,而夹层以下部分位移不明显,因此切坡后坡体变形主要集中于夹层及上部岩层,施工时应进行重点监控;边坡稳定性系数随切坡进程不断降低,当软弱夹层被开挖以后,坡体稳定性系数大幅下降,夹层以上的岩体易沿软弱泥化夹层发生滑移,工程中对于此类边坡需提前采取相关措施进行支护处理.