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开挖边坡的渐进性破坏分析及桩锚预加固措施研究

作　者: 邵江
导　师: 周德培
学　校: 西南交通大学
专　业: 岩土工程
关键词: 开挖边坡渐进性破坏分区对比法降雨入渗预加固压力(分散)型锚索
分类号: TU43
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

开挖边坡因其应力场分布的不均匀性以及材料力学性质的差异，通常会在局部先出现破坏，破坏部分承载力下降，并在坡体内部产生应力调整，造成局部破坏的扩展、停止以及整个边坡稳定性的改变。本文从开挖边坡的应力分布特征及坡体材料力学特性入手，对局部破坏范围确定，降雨入渗深度计算，坡体稳定性分析以及渐进性破坏边坡的预加固措施等多方面进行了深入的系统研究与分析，取得了以下主要研究结论和成果：1．采用数值计算对开挖边坡的应力场进行了分析，总结了开挖边坡的应力场特征以及随开挖坡脚的变化规律，说明坡脚愈陡，应力愈集中，应力场分布愈不均匀，愈易产生渐进性破坏；揭示了开挖边坡材料的渐进性破坏特性，通过渐进破坏率的概念说明，材料的渐进破坏率愈大，坡体愈易渐进破坏，故而在稳定性分析中不能采用传统的用于一次性破坏分析的极限平衡分析法，而需要对其改进；同时，提出了开挖边坡的渐进性破坏机理，并图示了渐进性破坏过程。2．结合开挖边坡应力的分布规律，提出了开挖边坡的应力分布假定，根据假定确定了开挖边坡的初始局部破坏范围，然后基于极限平衡法对开挖后的坡体稳定性进行了分析，说明在已产生局部破坏范围的边坡，进行稳定性分析时，局部破坏范围采用残余抗剪强度指标，而未出现局部破坏的范围采用峰值抗剪强度指标，这更符合边坡破坏的实际情况。并分析了边坡的纯粹牵引型、牵引型和推移型的失稳机理，以及相应的稳定性计算方法。提出了边坡拟滑面确定的分区对比法，通过对单条块的支撑力的变化特征提出了长期稳定坡角和临界自稳高度的概念，并通过边坡的长期稳定坡角和自稳临界高度对边坡进行了分区，将边坡分成为抗滑区和推移区，通过抗滑区和推移区的对比确定边坡拟滑面搜索的基准搜索面，在基准搜索面的基础上完成对通过某一点的拟滑面的确定。并通过条块的位移变化来说明控制开挖过程中坡体位移的变化对控制坡体渐进性破坏的重要性。3．降雨入渗是造成坡体材料物理力学性质出现差异，开挖坡体出现渐进性破坏的主要原因。而通常认为，开挖边坡进行降雨工况下的稳定性分析时，边坡材料均采用饱和状态。现有的降雨入渗分析多基于非饱和土力学进行，分析繁琐而难于运用。本文通过确定降雨入渗深度，并假定降雨入渗深度范围内的土体处于饱和状态，而降雨入渗深度以下的坡体处于天然状态，在进行稳定性分析时，对坡体材料分别选用，这显然更符合实际。因此减少边坡的降雨入渗深度是改善边坡在降雨工况下稳定程度的有利手段，并通过试验进行了说明。4．防止边坡渐进性破坏的关键是在施工中控制边坡的变形，而对于近水平红层边坡则是防止其中的控制性裂缝的起裂和扩展。根据断裂力学的基本原理，确定竖向张拉裂缝的强度因子，并计算裂缝尖端的应力场；根据格里菲斯(Griffith)能量准则来推导裂缝的起裂扩展应力；根据能量守恒原理来计算块体断裂后的剧动距离；采用拟静力法来模拟爆破荷载对坡体内部一点的荷载影响，通过反算来确定防止其中的控制性裂缝的起裂和扩展的炸药量和爆破距离。5．采用渐进性破坏的分析方法，对先预加固再开挖以及先开挖后加固的开挖边坡的下滑推力进行了分析，说明先加固后开挖边坡的下滑推力小于先开挖后加固的情况，而通常采用的基于极限平衡的一次性破坏分析方法所确定的下滑推力是与先加固后开挖相当的。并结合施工工序分别对防止开挖边坡渐进性破坏的坡面措施(压力分散型锚索)和坡脚措施(预埋桩)进行了分析。对于工程中常用的预埋桩，监测实例表明桩体所受的最大下滑推力出现在坡体开挖结束后，且实测最大下滑推力与计算值相当，而在开挖结束的一段时间后，下滑推力相应减少。预埋桩的间距可通过大、小土拱理论进行计算，所能确定的间距是不一样的，采用大土拱所确定的桩间距小于小土拱所确定的桩间距。因此，为了增加桩间土体的稳定性，可采用桩间大土拱来确定桩间距。6．在开挖边坡坡面控制措施中，为了减少锚固体所受的下滑推力，根据情况调整每级的开挖高度会对有利于控制锚固体所受的下滑力。对于每级开挖的边坡进行预加固时，考虑的下滑推力应兼顾下一级开挖后边坡产生的下滑推力。压力(分散)型锚索因其锚固力大，分布合理，能灵活的应用于各种施工场地以及施工阶段，成为边坡预加固的常用措施。文中通过试验总结了压力型锚索的受力特性，说明压力型锚索锚固段的侧壁剪应力分布特点；采用弹性和理想弹塑性模型确定锚固段长度，并讨论了规范中给出的锚固段长度计算方法和弹性方法之间的差异，当按规范中确定的锚固段长度小于按弹性理论确定的锚固段长度时，则未达到锚固要求的安全效果，当大于按弹性理论确定的锚固段长度时，则会造成无效锚固段。7．采用地质模型试验对开挖边坡的位移特征进行监测，通过在不加支挡开挖下的位移和边开挖边支挡下的位移对比，以及逐级开挖下位移的变化，说明开挖边坡中渐进性破坏存在，以及为了防止在开挖边坡中出现渐进性破坏，采用预加固措施的必要性。

全文目录

摘要  6-9
Abstract  9-17
第1章绪论  17-27
  1.1 课题的研究意义  17-19
    1.1.1 拟滑面的参数选用的问题  17-18
    1.1.2 降雨工况的稳定性分析  18
    1.1.3 竖向裂缝扩展的渐进性分析  18
    1.1.4 对渐进性破坏边坡的预加固处理  18-19
  1.2 国内外研究现状  19-24
    1.2.1 开挖边坡稳定性的研究  19-21
    1.2.2 渐进性分析的研究  21-24
  1.3 研究内容和技术路线  24-27
第2章开挖边坡应力特征和坡体材料的渐进性破坏特性分析  27-46
  2.1 引言  27
  2.2 开挖边坡的应力分布特征  27-35
    2.2.1 坡体内σ_x的应力分布特征  29-32
    2.2.2 坡体内τ_(xy)的应力分布特征  32-34
    2.2.3 开挖边坡应力分布特征的渐进性破坏影响  34-35
  2.3 边坡渐进性破坏的基本原理  35-36
  2.4 材料的渐进破坏特性  36-42
    2.4.1 材料的塑性分类  37
    2.4.2 材料的渐进破坏率△W  37-39
    2.4.3 粘土体的渐进破坏特性  39-40
    2.4.4 岩体结构面的渐进破坏特性  40-42
  2.5 开挖边坡的渐进性破坏过程分析  42-44
  2.6 本章小结  44-46
第3章基于极限平衡的开挖边坡渐进性破坏分析—分区对比法  46-84
  3.1 引言  46
  3.2 开挖边坡初始破坏范围的确定  46-53
    3.2.1 坡体应力状态分析  47-51
    3.2.2 渐进破坏材料特性曲线的简化  51-53
  3.3 渐进性破坏模式的确定  53-61
    3.3.1 边坡渐进性破坏的机理和分类  53-57
    3.3.2 单一条块的拟滑面破坏特征  57-58
    3.3.3 边坡渐进性破坏的分析  58-61
  3.4 渐进性破坏的稳定性分析  61-66
    3.4.1 稳定系数的计算  61-62
    3.4.2 坡脚局部破坏条块的失稳判断  62-63
    3.4.3 实例分析  63-66
  3.5 牵引型渐进性破坏坡体稳定性的分析  66-71
    3.5.1 牵引型渐进性破坏拟滑面的简化确定  66-70
    3.5.2 实例分析  70-71
  3.6 推移型渐进性破坏的稳定性分析  71-77
    3.6.1 推移型边坡的失稳机理  71-73
    3.6.2 推移型边坡拟滑面的确定  73-75
    3.6.3 实例分析  75-77
  3.7 拟滑面上条块的渐进破坏分析  77-82
    3.7.1 潜在滑面剪力的确定  77-78
    3.7.2 局部破坏条块的确定  78-79
    3.7.3 条块间推力的确定  79-80
    3.7.4 实例分析  80-82
  3.8 本章小结  82-84
第4章降雨对开挖边坡的渐进性影响及防护措施  84-103
  4.1 引言  84
  4.2 水对边坡的影响  84-86
  4.3 开挖边坡中一点的应力路径  86-87
  4.4 降雨入渗下边坡的稳定性分析  87-99
    4.4.1 研究现状  87-89
    4.4.2 现有计算降雨入渗深度的方法  89-90
    4.4.3 降雨入渗深度确定的简化计算  90-94
    4.4.4 考虑降雨入渗的稳定性分析和试验验证  94-99
  4.5 降雨入渗边坡的防护措施  99-102
    4.5.1 降雨的危害  99
    4.5.2 植被的防护作用  99-100
    4.5.3 对降雨影响的护坡试验研究  100-102
  4.6 本章小结  102-103
第5章近水平层状岩体边坡的渐进性失稳破坏分析  103-120
  5.1 引言  103-104
  5.2 裂纹的类型和形成  104-105
  5.3 水平拉应力σ  105-108
    5.3.1 爆破震动力  105
    5.3.2 地震惯性力  105-106
    5.3.3 开挖卸荷回弹附加力  106-108
  5.4 竖向裂缝的应力和扩展特征  108-110
  5.5 降雨入渗水压对未贯通至层面裂缝的影响  110-113
    5.5.1 单纯降雨入渗水压对未贯穿裂缝的应力计算  110-111
    5.5.2 水平拉应力和降雨入渗水压对未贯穿裂缝的影响  111-112
    5.5.3 实例分析  112-113
  5.6 竖向裂缝的渐进性破坏  113-118
    5.6.1 裂缝扩展应力准则  113-115
    5.6.2 断裂块体的剧动  115-116
    5.6.3 实例分析  116-118
  5.7 本章小结  118-120
第6章控制边坡渐进性破坏的坡脚措施—预埋桩  120-143
  6.1 引言  120-121
  6.2 预埋桩下滑推力的计算  121-124
  6.3 预埋桩在开挖过程中施工工序和土压力变化  124-129
    6.3.1 实例情况  124-125
    6.3.2 实测分析  125-129
  6.4 抗滑桩间距确定的总结  129-133
    6.4.1 规范中对桩间距的规定  129-130
    6.4.2 确定桩间距的常用方法  130-133
  6.5 预埋桩间距的确定  133-140
    6.5.1 基本假定  133-134
    6.5.2 基于小土拱拱跨的确定  134-138
    6.5.3 大土拱的分析和确定  138-140
  6.6 预埋桩的内力计算  140-141
    6.6.1 桩的非锚固段部分荷载分布  140-141
    6.6.2 非锚固段内力计算  141
    6.6.3 锚固段桩身内力以及桩侧反力的计算  141
  6.7 本章小结  141-143
第7章控制边坡渐进性破坏的坡面措施—压力(分散)型锚索  143-165
  7.1 引言  143
  7.2 压力(分散)型锚索的特点  143-144
  7.3 压力(分散)型锚索的预加固实施  144-147
    7.3.1 实施步骤  144-145
    7.3.2 开挖过程中锚索所承受的锚固力的要求  145-146
    7.3.3 锚固段长度的规范确定  146-147
  7.4 锚固段长度的受力特性  147-150
  7.5 压力型锚索的弹性模型  150-154
    7.5.1 锚固段长度的确定  150-151
    7.5.2 弹性时压力型和压力分散型的选取  151-152
    7.5.3 实例分析  152-154
  7.6 压力型锚索剪切摩阻力的弹塑性模型  154-162
    7.6.1 锚固层界面处于弹性阶段  155-157
    7.6.2 当锚固层截面部分进入塑性阶段  157-158
    7.6.3 当锚固层截面全部进入塑性阶段  158-159
    7.6.4 承载板端部的锚固力F～位移u_0曲线  159-160
    7.6.5 弹塑性下锚固段承载力和锚固段长度的确定  160-162
    7.6.6 实例分析  162
  7.7 压力型锚索锚固段长度的讨论  162-163
  7.8 本章小结  163-165
第8章开挖边坡渐进性破坏的地质模型试验  165-181
  8.1 模型试验的基本原理  165-166
  8.2 试验概况  166-168
    8.2.1 水文和工程地质条件  166
    8.2.2 设计和施工方案及材料力学参数  166-168
  8.3 模型试验设计  168-171
    8.3.1 相似设计  168-170
    8.3.2 测试内容及试验方法  170-171
  8.4 试验结果与分析  171-180
    8.4.1 开挖不设支挡结构  171-175
    8.4.2 开挖设置支挡结构  175-178
    8.4.3 对比分析  178-180
  8.5 本章小结  180-181
结论及展望  181-185
  主要研究结论  181-183
  进一步研究的展望  183-185
致谢  185-186
参考文献  186-194
攻读博士学位期间发表的学术论文  194

开挖边坡的渐进性破坏分析及桩锚预加固措施研究

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