紅層軟巖開挖邊坡致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)研究

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1、西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文紅層軟巖開挖邊坡致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)研究姓名：程強(qiáng)申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：周德培20081201西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第1頁摘要本文針對(duì)紅層軟巖地區(qū)公路等工程建設(shè)項(xiàng)目中突出的開挖邊坡災(zāi)害問題，結(jié)合四川、重慶、云南等省幾個(gè)高等級(jí)公路建設(shè)項(xiàng)目，綜合運(yùn)用調(diào)查研究、地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)研究、現(xiàn)場試驗(yàn)研究及長期監(jiān)測、數(shù)值模擬、經(jīng)驗(yàn)類比等方法，深入研究了紅層軟巖巖體結(jié)構(gòu)及巖體力學(xué)性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上研究了近水平地層、傾斜地層紅層軟巖開挖邊坡災(zāi)害形成機(jī)理及防

2、治技術(shù)，以及紅層軟巖風(fēng)化剝蝕災(zāi)害機(jī)理及防治技術(shù)。主要研究成果有：(1)本文研究按照紅層軟巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，分類研究其致災(zāi)機(jī)理和失穩(wěn)破壞模式。通過對(duì)四川、重慶、云南、甘肅等省等多條高速公路紅層軟巖邊坡工程的廣泛調(diào)研，按地質(zhì)特征將其分為近水平地層、傾斜地層和斷(層卜褶(曲)破碎地層三個(gè)大類以及12個(gè)亞類。根據(jù)邊坡工程的特點(diǎn)，進(jìn)一步提出了紅層軟巖邊坡巖體結(jié)構(gòu)的分類體系，劃分為5個(gè)大類和11個(gè)亞類。論述了各類巖體結(jié)構(gòu)特征、控制性結(jié)構(gòu)面和坡體變形破壞模式。(2)采取紅層軟巖典型巖樣，進(jìn)行了抗壓、抗剪和蠕變試

3、驗(yàn)研究。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場大剪試驗(yàn)，研究了紅層軟巖結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度特性。根據(jù)結(jié)構(gòu)面的充填性將其分為張開少充填、閉合無充填、薄層充填和厚層充填四類。選取各類結(jié)構(gòu)面進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，總結(jié)了典型結(jié)構(gòu)面在剪切荷載下的變形特性，給出了典型結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度和變形參數(shù)參考值。(3)紅層軟巖結(jié)構(gòu)面特別是軟弱夾層的流變性顯著，通過軟弱夾層長期強(qiáng)度與短期強(qiáng)度試驗(yàn)資料分析，建議軟弱夾層長期剪切強(qiáng)度可取短期剪切強(qiáng)度的75％。(4)通過原位監(jiān)測、室內(nèi)崩解試驗(yàn)和調(diào)查研究揭示了紅層軟巖風(fēng)化崩解機(jī)理。紅層軟巖的風(fēng)化崩解是溫度和水共同作

4、用的結(jié)果，僅溫度或水環(huán)境的改變并不能引起其快速風(fēng)化崩解。(5)邊坡風(fēng)化剝蝕的原位監(jiān)測表明：氣溫高溫差大時(shí)，泥巖邊坡的風(fēng)化剝蝕速率大，反之則小。中等雨強(qiáng)以上降雨次數(shù)對(duì)泥巖邊坡的風(fēng)化剝蝕量影響較大，二者呈負(fù)指數(shù)關(guān)系，小雨強(qiáng)降雨次數(shù)的影響不顯著。泥巖在高溫時(shí)的反復(fù)浸水失水情況下具有很強(qiáng)的風(fēng)化崩解性，因此泥巖邊坡的風(fēng)化剝蝕主要發(fā)生在氣溫高降雨多的夏季。四川盆地東部某原位監(jiān)測工點(diǎn)的數(shù)據(jù)表明，泥巖邊坡5月～9月的風(fēng)化剝蝕量為19．19kg／m2，占年風(fēng)化剝蝕量(29．9kg／m2)的64．2％。第1I頁西南

5、交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文(6)近水平紅層軟巖開挖邊坡災(zāi)害模式主要有滑坡、巖體拉裂變形、崩塌落石等。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算分析表明，近水平紅層軟巖邊坡滑坡災(zāi)害以軟弱夾層或?qū)用鏋榈谆?，陡傾節(jié)理為后邊界，裂隙水壓力對(duì)滑移破壞有推動(dòng)作用，本文結(jié)合實(shí)例給出了開挖松動(dòng)區(qū)確定方法。在分析近水平紅層軟巖流變性對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響的基礎(chǔ)上，提出了坡體穩(wěn)定性的流變力學(xué)分析的決策方法。(7)傾斜地層的紅層軟巖開挖邊坡災(zāi)害主要是層面與節(jié)理切割巖體的滑移失穩(wěn)，破壞模式取決于層面與開挖面的空間關(guān)系(詳見本文第二章、第六

6、章)。針對(duì)順層結(jié)構(gòu)紅層軟巖邊坡的滑移一拉裂型破壞，提出了基于巖層失穩(wěn)長度的開挖松動(dòng)區(qū)確定方法。(8)提出了深挖路塹邊坡工程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法：在工前進(jìn)行詳細(xì)的勘察，查明邊坡巖體結(jié)構(gòu)特征，分析控制邊坡穩(wěn)定的主要結(jié)構(gòu)面；對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行正確的判斷并進(jìn)行合理的開挖和防護(hù)工程設(shè)計(jì)；施工期間進(jìn)行施工監(jiān)測和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；在施工完成后進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)歸納。(9)通過生態(tài)防護(hù)前后的現(xiàn)場模擬降雨試驗(yàn)和坡體溫度和水分的長期監(jiān)測與研究，揭示了紅層軟巖邊坡生態(tài)防護(hù)后能有效防止坡體表層風(fēng)化剝落災(zāi)害的機(jī)理。紅層邊坡采用生態(tài)防護(hù)技

7、術(shù)，能有效地消除表層的濺蝕和沖蝕、延遲坡面產(chǎn)生徑流的時(shí)間、減小坡體雨水的滲透深度；同時(shí)具有減小同氣溫對(duì)坡體溫度的影響深度、降低坡表溫差(包括日溫差和年溫差)以及高氣溫時(shí)的降溫和低氣溫時(shí)的保溫等作用；還能使坡體淺層巖土含水量保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。這些優(yōu)點(diǎn)使生態(tài)防護(hù)后的紅層軟巖邊坡能有效防止表層風(fēng)化剝落和水土流失災(zāi)害。(10)針對(duì)紅層軟巖開挖邊坡致災(zāi)機(jī)理和破壞模式，提出了不同形式的加固防護(hù)技術(shù)，包括生態(tài)防護(hù)和工程防護(hù)有機(jī)結(jié)合的方法。提出了適用于紅層軟巖邊坡工程的生態(tài)防護(hù)設(shè)計(jì)原則，以及基于合理坡比的生態(tài)

8、防護(hù)技術(shù)。關(guān)鍵詞：紅層軟巖；開挖邊坡；巖體結(jié)構(gòu)；力學(xué)性質(zhì)；災(zāi)害機(jī)理；防治技術(shù)西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文第1II頁AbstractThisarticle，Inviewoftheprominentcuttingslopehazardsofconstructionprojectsintheareaofredbedssoftrock，combininganumberofhigh—gradehighwayconstructionprojectsofSichuan，Chongqing，YunnanPro