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云南普宣高速公路顺层岩质边坡稳定性分析与开挖控制

【摘要】:本文以云南省普(立)宣(威)高速公路顺层路堑岩质边坡为研究对象,针对目前国内外在顺层岩质边坡稳定性影响因素及边坡开挖、支护技术等方面普遍存在的一些问题,结合国家自然科学基金[51374163]与云南省交通运输厅科技专项[云交科2010(A)07-a]课题,从顺层岩质边坡稳定性、结构面特性、稳定性计算方法、爆破开挖以及支护优化设计等方面做系统的研究和探讨。主要工作内容如下:(1)完成了云南普(立)宣(威)高速公路第一合同段顺层岩质边坡地质调查,按岩体性质、岩层结构面特征、破坏模式及稳定性等方面进行了系统归类,初步评价了边坡稳定性,预测边坡工程存在的问题。(2)基于顺层岩质边坡现场工程地质特性,将结构面按形成划分为四种类型,并通过自制的加载装置对结构面在自然状态下的一类结构面进行压剪试验,利用最小二乘法线性拟合得到结构面抗剪强度指标值,同时与基于JRC-JCS等效摩尔-库仑抗剪强度法对比,验证装置可行。根据边坡结构面不同类型分别从考虑填充厚度、填充物的含水率等因素进行多次剪切试验研究,获取结构面抗剪强度参数,试验结果对正确评价结构面特性及在后阶段对顺层岩质边坡的稳定性计算提供相应数据,研究成果为现场结构面强度参数取值提供简便试验方法。(3)针对多层状的顺层岩质边坡,基于极限分析上限法理论,运用体积力增量法,考虑单层滑动面极限分析模型的缺陷,建立考虑含结构面的多岩层错动的任意块体模型,利用岩块体在外荷载作用下达到极限破坏时,外荷载做的功与岩体消耗的功相等为基础建立等式方程,由此推导得到此类边坡稳定系数的计算公式。在分析典型边坡算例的基础上,对比离散元数值模拟结果,验证该方法的可行性和适用性。对典型顺层岩质边坡进行计算,其稳定系数接近离散元数值模拟结果,对两者计算结果存在的差异进行分析,为此类边坡稳定性评价提供一种新的计算方法。(4)针对顺层岩质边坡爆破开挖对坡体的损伤影响,在现场进行了试验研究,利用声波测试结合监测振动速度的方法,获取坡体不同深度岩体的声速变化及不同位置的质点振速,在不同药量作用下分析单次和多次爆破对坡体的损伤范围以及振动波的传播衰减规律。研究表明,损伤范围随振动速度增大而增加,爆破区域任意点处的振动速度与坡体损伤深度存在对应的关系,对单次爆破呈线性,而多次重复爆破呈非线性关系,以声速降低率10%作为损伤界限,损伤深度作为爆破控制值时,分别获取单次及多次爆破对应的振动临界速度和损伤半径,并根据萨道夫基公式得到两种方式的最大起爆控制药量计算式,为现场顺层岩质边坡爆破安全控制提供了指导。(5)针对顺层岩质边坡工程中锚杆(索)支护不考虑岩层走向与坡面走向不一致的影响,研究了岩层走向与坡面走向不同夹角下锚索支护的最佳水平角,建立考虑走向夹角的支护计算模型,推导得到相应的关系式。算例结果表明:考虑锚索最佳方向角的支护能够更有效地限制边坡的应力与变形,能提高边坡的稳定性,可为类似边坡的加固设计提供参考。(6)顺层边坡在开挖施工时常出现失稳现象,针对存在开挖失稳风险的顺层岩质边坡,提出预留开挖区先进行预支护,再进行逐层开挖的方法,给出了具体分析流程,并结合现场算例进行了验证。

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