红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术研究

论文摘要

本文针对红层软岩地区公路等工程建设项目中突出的开挖边坡灾害问题,结合四川、重庆、云南等省几个高等级公路建设项目,综合运用调查研究、地质力学模型试验、室内试验研究、现场试验研究及长期监测、数值模拟、经验类比等方法,深入研究了红层软岩岩体结构及岩体力学性质,并在此基础上研究了近水平地层、倾斜地层红层软岩开挖边坡灾害形成机理及防治技术,以及红层软岩风化剥蚀灾害机理及防治技术。主要研究成果有：(1)本文研究按照红层软岩地质结构特征,分类研究其致灾机理和失稳破坏模式。通过对四川、重庆、云南、甘肃等省等多条高速公路红层软岩边坡工程的广泛调研,按地质特征将其分为近水平地层、倾斜地层和断(层)—褶(曲)破碎地层三个大类以及12个亚类。根据边坡工程的特点,进一步提出了红层软岩边坡岩体结构的分类体系,划分为5个大类和11个亚类。论述了各类岩体结构特征、控制性结构面和坡体变形破坏模式。(2)采取红层软岩典型岩样,进行了抗压、抗剪和蠕变试验研究。通过室内试验和现场大剪试验,研究了红层软岩结构面抗剪强度特性。根据结构面的充填性将其分为张开少充填、闭合无充填、薄层充填和厚层充填四类。选取各类结构面进行抗剪强度试验,总结了典型结构面在剪切荷载下的变形特性,给出了典型结构面强度和变形参数参考值。(3)红层软岩结构面特别是软弱夹层的流变性显著,通过软弱夹层长期强度与短期强度试验资料分析,建议软弱夹层长期剪切强度可取短期剪切强度的75%。(4)通过原位监测、室内崩解试验和调查研究揭示了红层软岩风化崩解机理。红层软岩的风化崩解是温度和水共同作用的结果,仅温度或水环境的改变并不能引起其快速风化崩解。(5)边坡风化剥蚀的原位监测表明：气温高温差大时,泥岩边坡的风化剥蚀速率大,反之则小。中等雨强以上降雨次数对泥岩边坡的风化剥蚀量影响较大,二者呈负指数关系,小雨强降雨次数的影响不显著。泥岩在高温时的反复浸水失水情况下具有很强的风化崩解性,因此泥岩边坡的风化剥蚀主要发生在气温高降雨多的夏季。四川盆地东部某原位监测工点的数据表明,泥岩边坡5月～9月的风化剥蚀量为19.19kg/m2,占年风化剥蚀量(29.9 kg/m2)的64.2%。(6)近水平红层软岩开挖边坡灾害模式主要有滑坡、岩体拉裂变形、崩塌落石等。地质力学模型试验和数值计算分析表明,近水平红层软岩边坡滑坡灾害以软弱夹层或层面为底滑面,陡倾节理为后边界,裂隙水压力对滑移破坏有推动作用,本文结合实例给出了开挖松动区确定方法。在分析近水平红层软岩流变性对边坡稳定性影响的基础上,提出了坡体稳定性的流变力学分析的决策方法。(7)倾斜地层的红层软岩开挖边坡灾害主要是层面与节理切割岩体的滑移失稳,破坏模式取决于层面与开挖面的空间关系(详见本文第二章、第六章)。针对顺层结构红层软岩边坡的滑移—拉裂型破坏,提出了基于岩层失稳长度的开挖松动区确定方法。(8)提出了深挖路堑边坡工程系统的动态设计方法：在工前进行详细的勘察,查明边坡岩体结构特征,分析控制边坡稳定的主要结构面；对边坡稳定性进行正确的判断并进行合理的开挖和防护工程设计；施工期间进行施工监测和动态设计；在施工完成后进行系统地总结归纳。(9)通过生态防护前后的现场模拟降雨试验和坡体温度和水分的长期监测与研究,揭示了红层软岩边坡生态防护后能有效防止坡体表层风化剥落灾害的机理。红层边坡采用生态防护技术,能有效地消除表层的溅蚀和冲蚀、延迟坡面产生径流的时间、减小坡体雨水的渗透深度；同时具有减小日气温对坡体温度的影响深度、降低坡表温差(包括日温差和年温差)以及高气温时的降温和低气温时的保温等作用；还能使坡体浅层岩土含水量保持相对稳定的状态。这些优点使生态防护后的红层软岩边坡能有效防止表层风化剥落和水土流失灾害。(10)针对红层软岩开挖边坡致灾机理和破坏模式,提出了不同形式的加固防护技术,包括生态防护和工程防护有机结合的方法。提出了适用于红层软岩边坡工程的生态防护设计原则,以及基于合理坡比的生态防护技术。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 概述
• 1.1 问题的提出
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 综述
• 1.2.2 红层软岩岩体结构特征及岩体力学性质
• 1.2.3 红层软岩开挖边坡灾害机理分析及防治技术
• 1.3 主要研究内容及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第2章 红层软岩边坡岩体结构及灾害型式
• 2.1 红层软岩的建造与改造
• 2.1.1 红层软岩的建造特征
• 2.1.2 红层软岩的建造类型
• 2.1.3 红层软岩的岩性组合特征
• 2.1.4 层岩体的改造
• 2.2 层软岩结构面类型及特征
• 2.2.1 红层软岩结构面类型
• 2.2.2 红层软岩结构面特征
• 2.2.3 根据结构面强度的结构面类型划分
• 2.3 红层软岩边坡结构面及结构体分级
• 2.4 层软岩边坡岩体结构类型划分
• 2.4.1 根据地质构造特征和岩性组合特征的岩体结构类型划分
• 2.4.2 红层软岩边坡岩体结构类型的划分
• 2.5 红层软岩边坡灾害类型及灾害机理的岩体结构分析
• 2.5.1 近水平红层软岩开挖边坡破坏模式
• 2.5.2 倾斜红层软岩开挖边坡破坏模式
• 2.5.3 红层软岩边坡的风化剥蚀灾害
• 2.6 几处典型工点边坡岩体结构特征
• 2.6.1 南渝高速公路K56深挖方边坡
• 2.6.2 成南高速公路K73深挖方边坡
• 2.6.3 云南安宁至楚雄高速公路K90+010～K90+170边坡
• 2.6.4 云南安宁至楚雄高速公路K93+620～K93+780右侧边坡
• 2.6.5 云南安宁至楚雄高速公路K101+510～101+700左侧边坡
• 2.7 本章小结
• 第3章 红层软岩岩体力学性质
• 3.1 红层软岩岩体力学性质的影响因素
• 3.1.1 红层软岩岩石力学性质的影响因素
• 3.1.2 红层软岩结构面的基本力学性质及影响因素
• 3.1.3 边坡岩体结构特征及赋存环境因素的影响
• 3.2 红层软岩抗压强度与变形特性
• 3.2.1 单轴压缩荷载下红层软岩的强度与变形
• 3.2.2 三轴压缩荷载下红层软岩的强度与变形
• 3.3 剪切荷载下红层软岩岩石强度与变形
• 3.4 剪切荷载下红层软岩结构面的强度与变形
• 3.4.1 张开少充填结构面
• 3.4.2 闭合无充填结构面的抗剪强度
• 3.4.3 薄充填和厚充填结构面的抗剪强度
• 3.4.4 水对结构面抗剪强度的影响
• 3.4.5 结构面的现场大剪试验研究
• 3.5 红层软岩流变特性
• 3.5.1 红层软岩结构面软弱夹层剪切蠕变性质
• 3.5.2 红层软岩岩石剪切流变性质
• 3.6 本章小结
• 第4章 红层软岩的水理与风化特性
• 4.1 红层软岩渗透性
• 4.2 水对红层软岩力学性质的影响
• 4.3 红层软岩的风化崩解
• 4.3.1 红层软岩边坡风化剥蚀的现场调查研究
• 4.3.2 红层边坡风化剥蚀的现场监测
• 4.3.3 红层岩块风化崩解的室内试验研究
• 4.3.4 红层边坡风化崩解机理分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 近水平红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术
• 5.1 地质力学模型试验
• 5.1.1 研究内容及原型工点概况
• 5.1.2 模型设计
• 5.1.3 开挖后不加固防护的试验结果分析
• 5.1.4 边开挖边加固的试验结果分析
• 5.2 数值分析
• 5.2.1 南渝路K56工点的数值分析
• 5.2.2 成南路K73工点的数值分析
• 5.3 近水平红层软岩开挖边坡岩体稳定性分析
• 5.3.1 影响坡体稳定性的因素
• 5.3.2 稳定分析
• 5.4 近水平红层软岩边坡灾害防治技术
• 5.4.1 近水平红层软岩边坡防护与加固技术
• 5.4.2 近水平红层软岩边坡施工监测与动态设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 倾斜红层软岩开挖边坡致灾机理及防治技术
• 6.1 地质力学模型试验
• 6.1.1 研究内容及原型工点概况
• 6.1.2 模型设计
• 6.1.3 开挖后不加固防护的试验结果分析
• 6.1.4 边开挖边设加固防护的试验结果分析
• 6.2 倾斜红层边坡致灾机理的数值分析
• 6.2.1 模型的建立与参数的选取
• 6.2.2 数值计算结果分析
• 6.3 倾斜地层红层软岩边坡的稳定性分析
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 砂泥岩互层的红层软岩边坡稳定性分析
• 6.4 倾斜地层边坡灾害防治技术
• 6.4.1 倾斜地层红层软岩边坡灾害防治原则与方法
• 6.4.2 顺层结构边坡开挖及防护与加固方法
• 6.4.3 反倾结构边坡开挖及防护与加固方法
• 6.4.4 斜交结构边坡开挖及防护与加固方法
• 6.5 本章小结
• 第7章 红层软岩边坡风化剥蚀灾害防治技术
• 7.1 试验研究方法
• 7.1.1 依托工程工点选择及试验槽设计
• 7.1.2 生态防护前后模拟降雨试验设计
• 7.1.3 边坡温度场及水环境特性监测设计
• 7.1.4 红层软岩风化剥蚀规律原位监测
• 7.2 红层软岩边坡浅层温度场
• 7.2.1 红层软岩边坡生态防护前后温度场日变化规律
• 7.2.2 红层软岩边坡温度场的年变化规律
• 7.3 红层边坡边坡的水环境条件
• 7.3.1 客土和浅层岩土样的含水量沿坡体深度的变化
• 7.3.2 生态防护对浅层岩土样含水量变化的影响
• 7.4 红层软岩边坡生态防护前后的降雨冲蚀试验研究
• 7.4.1 无植被防护条件下的模拟降雨试验
• 7.4.2 植被防护条件下的模拟降雨试验
• 7.4.3 对比分析
• 7.5 生态防护对红层边坡浅层稳定性的增强作用及生态防护机理
• 7.5.1 生态防护对红层边坡表层风化碎屑冲蚀的控制作用
• 7.5.2 生态防护对红层边坡表层风化的影响
• 7.5.3 红层软岩边坡生态防护机理分析
• 7.5.4 红层边坡生态防护的效益
• 7.6 红层软岩边坡生态防护技术
• 7.6.1 红层软岩边坡生态防护设计原则
• 7.6.2 单一生态防护边坡合理开挖坡比及生态防护技术
• 7.6.3 生态防护与工程防护相结合的方法
• 7.6.4 红层软岩边坡生态防护工程后期养护管理
• 7.7 本章小结
• 第八章 结论
• 8.1 结论
• 8.2 下一步研究建议
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果
• 1 攻读博士学位期间发表的论文
• 2 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 附件:典型照片