（岩土工程专业论文）埋入式双排抗滑桩加固大型顺层滑坡体设计计算.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 _ i i i 皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼! ! 曼 摘要 随着工程建设的增多，大型顺层滑坡不断涌现，当滑坡体产生的滑坡推力巨大时， 单排抗滑桩往往不能满足设计要求。而双排桩在治理大型顺层滑坡中已大量采用，其 作用机理认识不清，对于滑坡推力在不同排桩间如何分配、不同排桩的抗滑桩之间的 相互影响等问题缺少较系统的相关研究，工程实际中缺少成熟的设计和计算方法。本 文采用模型试验、数值计算和理论分析相结合的方法对双排桩加固顺层滑坡体进行研 究讨论。 ( 1 ) 对顺层滑坡进行现场调研，总结并分析影响顺层边坡稳定的各主要因素， 并从影响因素出发对顺层边坡按照顺倾角、地层岩性及其组合特征进行分类，并对大 型顺层滑坡破坏模式进行分类分析。 ( 2 ) 采用室内大型模型试验对双排支护顺层滑坡进行试验研究，通过调整排桩间 距分析得出：后排抗滑桩受荷段后侧坡体压力( 滑坡推力) 呈抛物线三角形组合 分布，前排抗滑桩受荷段后侧坡体压力( 滑坡推力) 一般均为三角梯形分布，后 排桩和前排桩桩前抗力均呈三角梯形分布。后前排桩滑坡推力分担比随着桩间距 的增大而减小。 ( 3 ) 经数值计算与模型试验进行比较分析，得出当双排桩间距小于5 h ( h 为桩 截面高度) 时前后排桩具有良好的传力效果，并分别计算桩间距为1 h 1 0 h 时后前排 桩滑坡推力分担比。分析并提出前排桩刚度宜大于等于后排桩刚度，当刚度比小于 1 j 一时降低后排桩桩体刚度值对于提高滑坡推力分配比效果比较明显。同时提出双排 4 | j | 桩施工时，在条件允许情况下优先施工后排桩。 关键词：大型滑坡；顺层；双排桩；有限元；模型试验；设计计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 - - i i i_ m i一曼i 皇曼! ! 曼曼曼 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gp r o j e c t s ，l a r g e s c a l eb e d d i n gl a n d s l i d ea p p e a r sn o wa n dt h e n w h e nt h ep u s hc r e a t e db yl a n d s l i d ei st o os t r o n g ，s i n g l e - r o wa n t i - s l i d ep i l e sd on o tm e e t t h es a t i s f a c t i o na n ym o r e t h o u g hd o u b l e r o wp i l e sh a v ef r e q u e n t l yb e e na p p l i e dt o b e d d i n gl a n d s l i d e ，i t sf u n c t i o nh a sy e tn o tb e e nk n o w na n dr e l e v a n ts y s t e m a t i cr e s e a r c h t o w a r d ss u c hp r o b l e m sa sd i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n tr o w so fl a n d s l i d ep u s h ，m u t u a li n f l u e n c e i nd i f f e r e n tr o w so fl a n d s l i d ea r el a c k e da n dm a t u r ed e s i g na n dc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r e l a c k e di np r o j e c t s t h i st h e s i sa d o p t sm e t h o d st h a tc o m b i n em o d e lt e s ta n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o nw i t ht h e o r e t i c a la n a l y s i st os t u d yd o u b l er o wa n t i s l i d ep i l e ss t r e n g t h e n i n g b e d d i n gl a n d s l i d e ( 1 ) s i t es u r v e yo nb e d d i n gl a n d s l i d e ，s u m m a r i z ea n da n a l y z em a i nf a c t o r st h a t i n f l u e n c eb e d d i n gs l i d es l o p es t a b i l i t y , c l a s s i f yb e d d i n gs l i d es l o p e sa c c o r d i n gt ot h e i r a n g l e s ，f o r m a t i o n l i t h o l o g y a n dt h e i r c o m b i n i n gm e t h o d s ， a n da n a l y z ed e s t r u c t i v e s t e r e o t y p eo fl a r g ec o n s e q u e n tl a n d s l i d es e p a r a t e l y ( 2 ) w ed or e s e a r c ho nd o u b l er o wb e d d i n gl a n d s l i d eb ya d o p t i n gi n n e rl a r g em o d e l t e s t ，a n dt h r o u g ht h es p a c eb e t w e e np i l e s ，w ec a nc o n c l u d et h a tb a c ka n t i s l i d ep i l e st a k e t h es h a p eo fp a r a - c u r v e - t r i a n g l ed u et ot h ep u s hf r o mt h eb a c ks l o p e ，f r o n ta n t i s l i d ep i l e s u s u a l l yt a k et h es h a p eo ft r i a n g l e t r a p e z o i dd u et ot h ep u s hf r o mt h ef r o n ts l o p e ，a n dt h e r e s i s t i n gf o r c eb e t w e e nf r o n ta n db a c kp i l e st a k e st h es h a p eo ft r i a n g l e - t r a p e z o i d t h ep u s h f r o mf r o n ta n db a c kp i l es l o p e sd e c r e a s e sa st h es p a c eb e t w e e np i l e si n c r e a s e s ( 3 ) b y n u m e r i c a lc a l c u l a t i o na n dc o m p a r a t i v e l ya n a l y s i st o w a r d sm o d e lt e s t ，w ec a n c o n c l u d et h a tw h e nt h es p a c eb e t w e e np i l e si sl e s st h a t5 h ，f r o n ta n db a c kp i l e sc a ng e t g o o df o r c ee f f e c t sa n dw ec a na l s oc a l c u l a t et h ep e r c e n t a g eo ff r o n ta n db a c ks l o p e s s e p a r a t e l yw h e nt h es p a c eb e t w e e np i l e si sb e t w e e n1h a n dio h w ec a na l s op u tf o r w a r d t h a tt h er i g i d i t yo ff r o n tp i l e ss h o u l da d v a n c et h er i g i d i t yo fb a c kp i l e s ，a n dw h e nt h e p e r c e m a g eb e t w e e n 厅。n ta n db a c kp i l e si sl e s st h a n 才丐，d e c r e a s i n gt h er i g i d i t y 。fb a c k p i l e si sb e t t e rf o ri m p r o v i n gt h ed i s t r i b u t i o ne f f e c t so fh i g hs l o p ep u s h m e a n w h i l e ，f r o n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 t i 页 p i l e ss h o u l db ec o n s t r u c t e di na d v a n c ei fp o s s i b l ei nc o n s t r u c t i n gd o u b l er o wp i l e s k e yw o r d s ：l a r g e - s c a l el a n d s i d e ，b e d d i n g ，d o u b l er o wp i l e s ，f i n i t ee l e m e n t ，m o d e lt e s t ， d e s i g na n dc a l c u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名 日期： 口k 毕、乙g 7 氰燧引訇砝 日期：知口、年钟 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 参加模型试验方案制定、元器件埋设、数据采集和资料分析工作。 2 对顺层滑坡进行现场调研，分析影响顺层边坡稳定的各主要因素，并对大型顺 层滑坡破坏模式进行分析。 3 对模型试验数据进行分析，并总结得出了双排抗滑桩桩体受荷段压力分布规律。 4 利用数值计算软件对双排抗滑桩加固顺层滑坡进行分析，得出当双排桩间距小 于5 h ( h 为桩截面高度) 时前后排桩具有良好的传力效果，并分别计算桩间距为 1 h 1 0 h 时后前排桩滑坡推力分担比。分析并提出前排桩刚度宜大于等于后排桩刚度， 1 当刚度比小于圭时降低后排桩桩体刚度值对于提高滑坡推力分配比效果比较明显。 4 | j | 同时提出双排桩施工时，在条件允许情况下优先施工后排桩。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 锡露纱 q 日期： z ，寸i 。够力纱 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 顺层边坡是指岩层走向与线路方向一致、岩层倾向与边坡坡向相同的层状结构岩 体边坡【1 2 34 】，自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的三分之二( 我国占7 7 3 ) ， 许多变质岩也具有层状构造特征。1 9 9 5 年，蒋爵光等对国内1 2 条铁路干线的岩石边坡 进行了详细的调查统计后指出：铁路岩石滑坡比较多见到的类型为层状结构岩体的顺 层滑坡，凡是顺层路堑边坡地段，不论边坡坡度陡缓，只要边坡坡度大于岩层倾角， 而岩层倾角大于1 5 。的情况下，几乎都发生了顺层滑塌或顺层滑动的破坏现刻5 1 。根 据铁道部2 0 0 9 年出台的铁路中长期规划到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 2 万 公里以上，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上。规划“四纵四横 等客运专线 以及经济发达和人口稠密地区城际客运系统，建设客运专线1 6 万公里以上。以扩大西 部路网规模为主，形成西部铁路网骨架，完善中东部铁路网结构，规划建设新线约4 1 万公里【6 】。按照国家公路发展总体目标，到2 0 1 0 年公路通车总里程将达1 6 0 万h ，高 速公路通车里程8 万h ，其中西部地区高速公路将达2 万l q l l 【。7 1 。所以我国在今后工程建 设中不可避免的将遇到大量顺层滑坡问题需要处理，而大型顺层滑坡往往成为一个影 响工程造价和工期关键因素之一。 抗滑桩作为治理滑坡的有效构筑物被广泛的采用，它与其他支挡结构相比，它具 有圬工数量少、施工扰动破坏小和布置灵活便利等优点而被广泛用于治理大型顺层滑 坡当中。如万梁高速公路k 3 8 k 5 2 段为砂、泥岩顺倾地段，长约1 4b ，发生顺层岩 石滑坡3 1 处，累计延长约3 7k i n ，占高速公路里程的2 6 7 。采取的主要结构类型有： 抗滑桩，锚索抗滑桩，桩板墙等，但当滑坡推力过大时卑桩治理截面达到了3 4 米， 其工程圬工量较大，或者采取双排桩支护，但设计采取后排桩抵挡后级滑坡推力，前 排桩稳定前级滑坡推力，并未考虑排桩间的相互影响【4 】。新建林歹至织金铁路对于大型 顺层滑坡治理时，采取加大抗滑桩截面来满足设计要求，或者滑坡采取分级支挡，不 考虑前排桩对后排桩的影响，这与实际不符，治理效果不理想。 双排桩在治理大型顺层滑坡中已大量采用，但对于滑坡推力在不同排桩间如何分 配、不同排桩的抗滑桩之间的相互影响等问题缺少较系统的相关研究，工程实际中没 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 有较成熟的设计和计算方法【8 】【9 】【l o 】。针对实际工程中存在的问题，本文基于多排、埋 入式抗滑桩加固大型滑坡体模型试验研究项目为基础，总结分析双排桩受力计算， 结合有限元计算软件m i d a s g t s 对双排桩加固大型滑坡作用机理进行研究，分析滑 坡推力在双排桩之间的分配关系、排桩合理位置等，从而提出双排桩相应的设计理论 和计算方法。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定研究现状 边坡稳定性分析和评价是边坡稳定研究的核心，同时它也是涉及数学、力学、地 质学等多学科一研究课题。人们对边坡稳定性的关注最早是从滑坡现象开始。1 7 7 6 年 库伦( c o u l o m b ) t 1 1 】在分析挡土墙的稳定性时，提出了土体线性破坏准则，即 f 2 c + 盯t a n c p ，这一准则奠定了边坡稳定分析的基础。经过长期的发展，特别是计算 机技术的引入给边坡稳定分析带来了新的活力。到目前为止边坡稳定分析研究已发展 成多种方法，现归纳起来可以主要分为：定性分析方法、定量分析方法、非确定性分 析方法、物理模型方法和现场监测分析方法。但工程中运用较多的还是定量分析中的 极限平衡法和数值分析法，定性分析中的地质类比法、图解法和历史分析法。 ( 1 ) 极限平衡法【1 2 1 9 】 极限平衡法起源于1 9 1 5 年瑞典人k p e t e t r o s n 对矽= 0 的粘性土坡提出的即瑞典条 分法。它是当前国内外应用最广的边坡稳定分析法。也是传统边坡稳定分析方法的代 表。极限平衡法是在已知滑移面上对边坡进行静力平衡计算，从而求出边坡稳定安全 系数。当滑移面为一简单平面时，静力平衡计算可采用解析法计算，因而可获得解析 解。著名的库仑公式就是一列，一直沿用至今。当滑移面为一圆弧、对数螺旋线、折 线火任意曲线时，无法获得解析解，通常采用条分法求解，此时坡体为一静不定问题， 通过对某些未知量作假设，使方程的数目与未知数数目相等从而使问题成为静定，该 方法十分简便，其计算结果能满足工程要求而被广为运用。由于假设条件与运用方程 不同，条分法分为非严格条分法与严格条分法。在非严格条分法中，通常只满足一个 平衡条件，而不管另外一个平衡条件。它有两个未知数( 安全系数和条间力的作用方 向) ，但只有一个方程，因而尚需作一个假定。非严格条分法通常是假定条问力的方向， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 m m l l l 一 一一一； il_i i i 曼曼曼曼皇曼蔓曼舅 由于假定不同而形成各种方法，有瑞典法、简化b i s h o p 法、简化j a n b u 法、陆军工程 师团法、罗厄法、s a r m a r ( i ) 法、传递系数法等。严格条分法满足所有力的平衡条 件，它有三个未知数( 安全系数、条间力作用方向和作用点) 和两个方程，因而也要 做一个假定。如果假定合理，其解答十分接近准确解。由于所用的假设不同，有 m o r g e n s t e r n p r i c e 法、s p e n c e r 法、j a n b u 法、s a r m a r ( i i ) 法、s a r m a r ( i i i ) 法和c o r r e i a 法等。 ( 2 ) 数值分析法 随着岩土本构模型研究的进步、计算机数值模拟技术的发展和岩土测试技术的提 高，数值计算方法在岩土工程中得到了迅速发展，并取得了巨大的成就，使之成为目 前岩土力学计算中普遍使用的分析方法1 2 0 2 5 1 。现主要有以下数值计算方法【2 5 3 川：有限元 法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 、快速拉格朗日分析法( f l a c ) 、数值流形元 ( n u m e r i c a lm a n i f o l dm e t h o d ，简称n m m ) 、边界元法( b o u n d a r ye l e m e n tm e t h o d ，简称 b e m ) 、离散元( d i s t i n c te l e m e n tm e t h o d ，简称d e m ) 、刚体有限元法( r i g i df i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，简称r f e m ) 、滑移线理论与特征线方法( c h a r a c t e r i s t i c sl i n em e t h o d ，c l m ) 及各种耦合分析法。 有限元法适用范围广，可以采用精确的本构关系，因而具有优越性。其他数值方 法如边界元法、离散元法和差分法等也有运用，但应用不广【12 1 。岩土的本构模型十分 复杂，但边坡稳定分析一般只要求得到应力，不要求得到位移，因而采用理想弹塑性 模型计算，精度就已足够。2 0 世纪6 0 年代初克拉夫( c l o u g h ) 教授首次提出结构力学 计算有限元概念。1 9 6 5 年冯康发表了论文“基于变分原理的差分格式”，这篇论文是国 际学术界承认我国独立发展有限元方法的主要依据。1 9 6 8 年邓肯( d u n c a n ) 和古德曼 ( g o o d m a n ) 把有限元方法引入到边坡稳定性计算中，开创了边坡稳定性分析的数值计算 时代【2 6 1 。邓颖人等【3 1 】在有限元强度折减法力| 面作了卓有成效的研究。有限元强度折减 法利用不断降低岩土强度，使边坡处于极限平衡状态，从而建立了一种极限平衡有限 元法，它可直接求出滑裂面位置与边坡稳定安全系数，使有限元进入实用阶段。上世 纪8 0 年代f l a c 法首先由c u n d a l l 提出并将其程序化。数值计算经过长期的发展和实 践，现已开发出许多实用的商业软件：通用有限元计算软件如a n s y s 、a b a q u s 、 a d i n a 、m a r c 、n a s t r a n 等、岩士专用有限元软件如m i d a s g t s 、g e o s l o p e 、 p h a s e 2 、p l a x i s 等、有限差分软件f l a c 等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 但对于数值计算而言，由于对物理机制的认识尚不充分，加之很难精确确定各个 因素的影响，因此数值计算至今还不能完全取代比较成熟的物理模型试验。在今后相 当长的时间里，模型试验将与数值模拟并存，两者可以相互验证。模型试验还会继续得 到发展。 顺层边坡，在自然状态下一般是处于稳定和较稳定状态，它是由岩层倾向与坡向 大体一致的层状结构的岩体组成，类似若干层薄板叠加在一起而处于共同稳定的状态。 当外部因素发生变化时就有可能会发生自身的变形及失稳活动。国内外学者对顺层边 坡做了大量研究，白云峰【3 2 1 等对顺层边坡进行了分类总结，陈志坚【3 3 】对顺层边坡稳定 性预测进行了研究，s t e a d 3 4 1 ，g o o d m a i l 【3 5 】，邓荣贵【5 1 ，李云鹏【4 】等对顺层边坡渍屈问 题做了研究。由于顺层边坡的复杂性，特别是失稳破坏产生的大型顺层滑坡，其经济 和社会影响力较大，同时对顺层滑坡进行系统分类研究国内进行的较少，现有必要对 国内大量存在的顺层滑坡工程破坏模式和稳定进行研究。 1 2 2 双排抗滑桩研究现状 西方国家从1 9 世纪中叶就开始了对滑坡灾害防治的研究，但由于对滑坡的性质和 变化规律认识不深，对大、中型滑坡只能采取绕避，对小型滑坡则采取刷方减载、反 压以及抗滑挡土墙等措施进行治理。抗滑桩的使用始于2 0 世纪3 0 年代，6 0 7 0 年代， 抗滑桩得到广泛应用，欧美国家和前苏联多采用钢筋混凝土灌注桩，日本则多采用钻 孔钢管灌注桩。7 0 年代中后期，在深入研究抗滑桩的受力状态和设计理论的同时，研 究开发了双排桩等新的结构形式。 采用抗滑桩治理滑坡，国内于2 0 世纪5 0 年代开始使用。1 9 5 4 年宝成线史家坝4 号隧道北口左侧灰岩边坡产生顺层坍塌，采用钢筋砼榫桩治理( 只考虑抗剪作用) 。l9 6 5 年川黔线楚米铺堆积层滑坡采用沉井及打入式管桩，按材料力学方法计算锚固深度， 施工时不易深入基岩内。1 9 6 6 年铁道部第二勘测设计院在成昆铁路沙北l 号滑坡及甘 洛车站2 号滑坡中首次采用钢筋砼挖孔桩来加固稳定边坡，全面考虑了构件的抗弯、 抗剪等作用，为滑坡治理增加了种切实可行的新手段。这种结构很快在铁路路基工 程中迅速推广，并不断完善创新，由一般抗滑排桩发展到门形钢架桩排( 1 9 7 6 年枝柳 线罗依溪滑坡，铁四院) 、h 形排架抗滑桩( 1 9 8 3 年川黔线k 1 8 0 路堤滑坡，成都饮路 局) 、预应力锚索抗滑桩( 1 9 8 4 年松藻矿务局金鸡滑坡，铁科院西北分院) 【8 91 0 】等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 双排桩的试验研究最早报道于上世纪7 0 年代，铁道部第二勘察设计院做过排架 桩与双排单桩对比模型试验，试验重点为排架桩，兼顾双排桩。何颐华等【3 6 趣过室内 模型试验分析研究了双排护坡桩的内力、变形及土压力分布特性，并在此基础上提出 了一种简化的带联系梁的双排护坡桩计算方法，得出双排桩的内力与排距关系很大，当 排距加大时，桩间土的作用增加的结论。王旭 3 7 1 等采用有限元法研究了考虑桩土相互 作用的双排桩的内力分配，计算了滑坡推力在两排桩之间的分布，通过桩土共同作 用模型得到了两排桩的弯矩和剪力，并分析了双排桩排距对桩身内力的影响。申永江【3 8 1 等从锚索双排抗滑桩的监测研究入手结合有限元分析桩间距对双排抗滑桩内力的影 响，分析出桩间距越大，后排桩的弯矩和剪力也就越大，而前排桩的弯矩和剪力越小 的结论，建议排桩距取2 h ，以保证前后两排桩都能起到较好的抗滑作用。 中铁西北科学研究院结合全埋式双排桩室内模型试验，对双排桩受力问题进行了 探讨，得出了如下结论【3 9 j ： 在滑体中，第一排桩受到的桩前滑体抗力与第二排桩受到的滑坡推力的大小密切 相关。对于桩间距是截面宽度3 倍左右的双排桩，滑坡推力由第一排桩承担，第二排 桩用于提高第一排桩桩前抗力从而起到辅助支挡作用。当滑面水平时第二排桩受到的 滑坡推力大小约为滑坡推力的6 5 ，双排桩上的分布形式与单排桩的情况有所不同。 土类滑坡第一排抗滑桩上滑坡推力呈梯形三角形分布。第二排桩抗滑桩上滑 坡推力呈矩形分布。 桩受到的滑体桩前抗力，第一排桩上呈上大下小的倒梯形分布，第二排桩上呈矩 形分布。 综上所述国内外许多学者对双排抗滑桩做了许多较有成效的研究，采取模型试验、 现场监测和数值计算等手段，对双排桩合理桩间距、排桩受力分布和滑坡推力的分配 等问题进行了讨论，并得出了相关结论。但是这些讨论都基于边坡为土质边坡而言， 对双排桩在具有固定滑移面的顺层边坡中少有研究，同时模型试验研究滑面假定为水 平进行的而工程实际当中滑移面具有一定角度。所以随着大型顺层滑坡的大量出现， 有必要对双排桩大型加固顺层滑坡作用机理进行研究。 1 3 主要研究内容和方法 针对双排桩治理大型顺层滑坡相关研究较少，而实际当中大量的顺层滑坡工程的 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 出现，本着服务于工程实际出发。本文通过阅读有关书籍，向老师请教和学习理论知 识，并对顺层滑坡进行现场调研，室内模型试验、数值分析和理论计算相互验证和相 互对比的方法进行如下研究工作： 1 顺层边坡破坏模式研究。顺层边坡的变形与破坏与地层岩性、岩体结构、地质 构造、地形地貌、水文地质特征以及人类工程活动有密切关系。总结归纳顺层边坡工 程地质和水文地质特征，划分了工程地质岩组，按地层岩性和结构特征对其进行工程 分类，对顺层滑坡破坏模式进行总结。这对顺层滑坡采取合理的施工方式、支挡加固 措施和降低工程造价均具有重要意义。 2 室内模型试验研究。以多排、埋入式抗滑桩加固大型滑坡体模型试验研究 项目为基础，对具有固定滑移面的顺层滑坡进行研究。排桩布置于滑体的具体位置以 及排桩桩间距是工程设计、施工比较关心的问题。通过分析抗滑桩在滑体的中不同位 置和不同桩间距下滑体产生的位移和桩的受力大小关系，提出合理排桩位置布置，从 而使多排、埋入式抗滑桩在治理滑坡中达到合理与经济的效果。抗滑桩受力的具体分 布是其设计计算的基础，研究双排桩受力分布是本试验研究的一重要内容之一。同时 试验结果与数值计算进行相互验证。 3 前后排桩合理刚度比。利用数值计算工作量小的优点，通过调整前后排桩刚度 比进行分析计算，从而达到桩的受力的优化。而桩的刚度与桩的尺寸有关，刚度的大 小直接关系到工程圬工量，合理的刚度比可以减少工程投资。 4 双排桩施工顺序研究。工程实际中，前排桩与后排桩的施工先后顺序带有随机 性，主要考虑施工方便与否。对于大型顺层不稳定滑坡体而言，坡体的失稳往往造成 巨大的财产损失和社会不良影响，研究合理的排桩施工顺序，降低工程施工风险是完 全必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 1 概述 第2 章大型顺层滑坡破坏模式分析 边坡病害与坡体的地质条件密切相关，坡体的地质条件不同决定了边坡具有不同 的地质特征，例如岩性分布、节理裂隙、岩层产状、地下水等。反过来坡体的不同地 质特征影响着边坡的稳定性，所以做好边坡的分类研究，弄清滑坡的破坏模式和影响 边坡稳定因素是完全有必要的。这可以更好的服务于工程勘察、设计和施工，在地质 勘察过程中能依据分类特征对边坡的类别迅速予以辨认，从而能较快掌握边坡的主要 工程地质特征；对边坡的稳定性做出初步评价，预测边坡可能出现的工程地质问题， 并对边坡处理方法提出合理性建议。 现阶段国内外对边坡的分类研究较多，建筑边坡工程技术规范对于岩边坡从岩 体力学观点出发，强调结构面的控制作用，对边坡岩体进行侧重稳定性的分类【4 0 1 。公 路、铁路、水利部门也有相应的分类标准，但对于顺层边坡大都按岩层倾角的大小简 单地将其分为缓倾坡和陡倾坡两大类进行简单的分类。孙广忠【4 l 】对顺层边坡的分类除 了考虑岩层倾角的大小外，还考虑了岩性的软硬和开挖面是否切穿岩层而进行分类。 而实际工程中，常将坡面走向与岩层走向夹角小于2 0 。、倾向接近的边坡视为顺层边 坡1 1 1 。从边坡地层岩性结构组来说，从上到下依次为：厚度不大的第四系坡残积成因 砂质粘性土；不同时代软硬相问岩层，尤其是泥岩与砂岩不等互层，泥岩、页岩夹 砂岩等。 2 2 顺层边坡稳定性影响因素 顺层边坡失稳f i 是受某一孤立因素而发，t 的，它往往是在一定条件下，受地形地 貌、地质条件、新构造运动、水文地质条件和人类活动等多种因素的影响，其稳定状 态是这些因素的综合反映。边坡稳定性各种因素构成一个相互联系、相互影响的整体， 其中任何一个因素的改变往往导致其他因素发生改变，进而引起边坡稳定状态的改变。 各因素在坡体稳定中的作用是不同的，下面对其作出分析 4 2 4 3 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 _ 一一一= 二 。i m l ：二 一： i 曼! 曼! 曼曼曼曼量曼! 曼曼曼鼍 2 2 1 岩层倾角 与其它类型的边坡相比，岩层倾角对顺层边坡的稳定性及其变形破坏形式有着极 其重要的影响。开挖路堑后，形成有效临空面，同时由于岩层走向与坡面走向或线路 方向一致，当软弱夹层在堑坡面出露时，易于形成沿软弱夹层滑动的顺层滑坡。一般 而言，当岩层倾角较缓时，不稳岩体的下滑力较小，开挖后边坡较为稳定。除极个别 弱面抗滑力极低并受地下水影响的边坡能形成蠕滑性顺层滑坡外，大多数边坡具有普 通边坡的变形破坏特征，即主要为受节理裂隙及层面影响的小规模失稳滑动：中等倾角 时，不稳岩体的下滑力增加，边坡的破坏形式以顺层滑动为主；倾角较大时，此时开挖 坡面角等于岩层倾角，边坡岩体没有下滑的空间、边坡一般较为稳定，其可能的变形 破坏形式则为条件合适时的顺层溃屈破坏和倾倒破坏。 2 2 2 地层岩性及其组合特征 影响工程岩体稳定性的诸因素中，岩性是各种岩石工程类型的共性与基本属性之 一。岩层的坚硬程度、抗风化和抗软化能力，抗剪切强度，颗粒大小、形状以及透水 性等这些因素都直接影响着边坡的稳定。在自然界中硬质顺层岩体往往能形成较高大、 陡立的稳定边坡，而由软岩( o h 泥岩、页岩等) 形成的顺层边坡，由于岩体强度低，遇水 软化，抗风化能力较弱，则相对比较容易失稳，其变形破坏过程相对较长，一般破坏 前会出现较大的塑性变形。 通常，边坡工程所涉及到的地层岩性往往不是单一出现的，多是由两种甚至更多 种的不同岩性的岩层所组成。不同的地层岩性组合，常表现出不同的变形和破坏特征。 因此，合理地考虑地层岩性及其不同岩性之间的组合关系，才能使边坡稳定性研究更 接近于边坡工程实际。 2 2 3 岩体应力 岩层中地应力的形成，虽仍有不同的看法，但地应力对研究岩体工程稳定的重要 意义越来越被人们接受。对与现代岩体工程稳定性有关的现代地应力的组成，主要与 两面有关：+ 一足新构造运动引起的应力，二足因为岩层臼重引起的应力。 1 构造应力岩体很少是均匀的，特别是大陆地壳中。岩体地质的变化与地质构造 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 和非均质性存在可以影响到地应力的分布和量值。坡体处于一定历史条件下的地应力 环境中，从构造上讲，顺层岩石滑坡多出现在构造作用比较轻微或不太强裂的背斜或 向斜构造地区。因此在此区域开挖时，顺层岩石滑坡则会大面积出现。 2 岩体在自重场作用下形成自重应力。当顺层边坡中存在硬质岩和软弱夹层时，由 于他们泊松比不一样，从而在相近位置所产生的水平应力不同而形成较大的蠕变性。 水平应力公式： 吒= k 唧 ( 2 一1 ) 式中：卜岩体侧压力系数，一般表示为k ：j 二 l y 2 2 4 岩层结构 岩体强度及结构面的组合决定了岩石边坡的失稳方式，许多坡体在陡坡角和几百 米高的条件下是稳定的，而许多平缓边坡高仅几十米甚至十几米就破坏了，这种差异 主要是因为当边坡体中已存在的软弱层的强度较低，而又能构成一些有利于滑动的组 合形式时，它将替代最大剪应力面而成为滑动控制面。就影响顺层边坡稳定而言，结 构面可分为非层状结构面和层状结构面。 2 2 4 1 非层状结构面及其对顺层边坡稳定性的影响 非层状结构面主要包括构造结构面、断层、劈理和节理等。它们对顺层边坡的稳 定性影响归纳如下： ( 1 ) 顺层边坡中存在断层、劈理和节理时，易改变滑体滑动方向，断层面和节理裂 隙面常构成边坡失稳滑动的前缘剪出口； ( 2 ) 规模较大的走向和斜切断层、劈理和节理常构成边坡滑动的侧向及后缘边界，o 并构成地表水下渗的通道，加速软弱夹j ，：或层间破碎带的风化和泥化； ( 3 ) 当节理裂隙极其发育时，岩体介质的力学性质亦发生了变化，原为层、块状结 构的岩体弱化为( 层状) 碎裂结构或散体结构，层面( 包括软弱夹层等) 对边坡稳定性的影 响大为减弱，边坡的破坏形式亦以层面的顺层滑动为主转化为沿层面和节理裂隙面影 响的以圆弧形滑动为主。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 曼! 曼鼍曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼蔓! 曼皇曼舅! 皇曼蔓曼! 曼曼i i 一 一 一i i ii i 曼曼! 曼! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼皇曼曼曼量曼! 鼍曼曼曼曼 2 2 4 2 层状结构面特征及其对顺层边坡稳定性的影响 1 层状结构面特征层状结构面主要是沉积结构面，也包括构造结构面和次生结构面 等。 ( i ) n n g 括不整合接触面、假整合接触面、片理面和板理面等。层面是沉积建造 或变质作用过程中所形成的物质分异面，相互间粘结较弱，是岩体中较薄弱的部位， 也是后期改造中性能最易恶化的部位。层面在空间上延续性强，般较为平整；沉积间 断面多由碎屑、泥质物质构成，可成波状；片理面则一般呈波状；板理面则多平直光滑。 ( 2 ) 软弱夹层是具有一定厚度的岩体软弱结构面。它与周围岩体相比，具有显著低 的强度和显著高的压缩性。软弱夹层在数量上虽然只占岩体中很小的比例，但却是岩 体中最薄弱部位，常常是工程中的隐患。 对顺层路堑边坡稳定性影响较大的软弱夹层通常有以下几类： 沉积软弱夹层是沉积同生的粘土、页岩、泥灰岩、石膏夹层等。其产状与岩层 相同，厚度薄，延续性好，含粘土矿物多，易风化、泥化、软化，抗剪强度低，压缩 性较大，失水干裂，遇水软化。 变质软弱夹层在沉积变质岩地区最为常见。片岩系中的云母、绿泥石和滑石片 岩等。层面抗剪强度极低，产状与岩层一致，个别呈波状弯曲。 风化软弱夹层是薄层岩体或岩体间接触面物质经风化作用形成的软弱夹层。其 产状与岩层一致，在风化带里延续性较好，随深度的增加延续性减弱。夹层物质松散、 破碎，含风化泥质物。 泥化夹层是厚度较薄的塑性岩层( 如粘土岩、粘土页岩、泥灰岩等) 受地下水作用 后溶蚀、软化而成。它延续性强，但各段泥化程度不同。泥化物质呈塑性、粒径均匀、 易压缩，抗剪强度低。 次生夹泥层是沿着层面，由地下水渗入带来并沉秋下来的 f i 土构成。这在河谷 两侧最为常见，埋藏深度仅在地下水活动的范围以内。：j 厂状受原岩层面制约，延续 性差，近地表发育。它主要为粘土物质，具塑性，压缩性很强，抗剪强度很低。 ( 3 ) 层间错动是层状岩体在水平构造力的作用下，沿层( 理) 面发生相对位移的地质 现象。由于强烈的挤压与摩擦，上下岩层接触部分或软弱夹层遭到一定程度的破坏， 形成的一些破碎产物常占有一定的空间，称之为层间错碎带。而在错碎带的上下界面 处形成的平整光滑面，则称之为错光面。层间错动具有以下特点： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 层问错动是层状结构岩体中普遍存在的地质构造现象，常产生在软、硬岩之间 的接触层面处和层与层之间的分界面处，在空间上分布较广，具有一定的规律性； 层间错动不仅降低了层间粘聚力，还使错动面物质形成定向排列，造成层间摩 擦阻力和粘结力的降低。 层间错动中抗剪强度最低的是上下错光面处，不在错碎带内部，错光面越平整 光滑，边坡的稳定性就越差。研究表明顺层边坡的失稳多沿上下错光面滑动，而很少 形成于错碎带内部： 层间错动改变了岩体的水文地质条件和风化条件，使错碎带物质更易风化和泥 化而形成风化和泥化夹层。 2 层状结构面对顺层边坡稳定性的影响 层状结构面对顺层边坡稳定性的影响取决于其受剪切时的力学效应。而层状结构 面的力学效应与层面形态、充填特征、粗糙程度及胶结程度有关。 ( 1 ) 层间充填物厚度对边坡稳定性的影响 充填物厚度对力学强度的影响较大。当充填物厚度较薄时，随着平直结构面内充 填物厚度的增加，摩擦系数迅速减小，粘聚强度迅速增加。当充填厚度达到某一数值 后，摩擦系数逐渐稳定在一定数值上，而粘聚强度也逐渐地稳定下来。 ( 2 ) 充填度对边坡稳定性的影响 对于有起伏的结构面，充填物对结构面的影响取决于结构面内充填物质厚度t 与结 构面粗糙起伏差h 之比，即t l l 称为充填度。当充填度小于1 时( u p 充填物末填满凸起 物) ，充填度对摩擦系数影响很大，以后则逐渐减小，直到充填度达1 4 0 时，曲线渐 趋稳定，此时结构面的强度己降低到充填物的强度。 ( 3 ) 结构面形态及粗糙度对边坡稳定性的影响 无充填物的结构面的力学效应与结构而的形态有关。层面的形态一般有：平直形、 波浪形、锯齿形及台阶形四种。平直型结构面的力学效应主要取决于结构面上下两表 面的岩石性质、粗糙程度和层间粘聚状态。波浪型和锯齿型结构面在受剪时，可能发 生两种力学效应：一是正应力较低时的爬坡作用，即岩体沿结构面剪切滑动时，结构 面两侧岩石沿结构面滑移而不破坏结构面上的起伏度。二是正应力较高时的剪断作用， 即沿结构面的剪切滑动破坏了结构而j 二的起伏度，剪断了两侧岩石的凸起部分。平直 形和锯齿形结构面的剪切破坏特性，根据结构面的粗糙程度不同，其破坏曲线通常 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 曼曼曼! 笪! 曼曼曼! ! 曼! 曼曼曼! i i l l 曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! 曼蔓鼍曼曼! 曼! 曼曼! ! 曼! ! 曼曼曼曼! 曼! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇鼍曼毫烹 有三种形式：光滑的、粗糙度一般的、极粗糙的。 ( 4 ) 层面胶结程度对边坡稳定性的影响 层面胶结程度一般在地质构造变动过程中，层问有无产生过层问错动有很大的关 系。层间错动剧烈且有错碎带的层面，通常其粘聚力，基本上为零，且其摩擦强度也 基本上为残余强度，对边坡的稳定性影响较大。而错动轻微或无错动的边坡岩体，其 相互之间的粘结强度高，因此边坡的稳定性较好。 2 2 5 水文地质条件 水分为地下水和大气降水两部分组成。众所周知，水对滑坡稳定性的影响是极其 重要且贯穿滑坡的全过程的。其中大气降水诱发滑坡是通过降水等地表水转化为地下 水而起作用的。 水对坡体稳定性影响的方式归纳起来有两个方面，一方面是对应力的影响，另外 一个方面是对岩石强度产生影响。在人类工程活动中，一方面，由于工程的开挖，改 变岩体内部应力的分布，从而影响岩体的结构，引起岩体中地下水性态的改变；另外 一方面，由于工程活动，改变了区域或局部地下水的补给、径流和排泄条件，形成人 工干扰下的地下水渗流场。地下水对岩体的力学作用强度和形式也发生改变，最终影 响岩体的稳定。 水与岩土之间的作用具有显著的长期性，是地下动态剧变诱发岩体失稳的前提与 基础，表现为：第一，在降低结构面及岩体强度的同时，削弱岩块之间的联系，增加 岩块的自由度及活动度，加快岩体向碎裂松散介质转化的进程，从而使岩体的强 度和变形特性发生根本性变化，第二，由于水对岩土的化学作用主要发生在坡体中软 弱夹层及其附近，可以显著提高软弱夹层附近岩体的有效空隙度，增强其贮水和导水 能力，从而提高岩体7 、蔓力场及稳定性对渗流场变化的敏感度， 2 2 6 其他因素 l 时效蠕变作用大量工程实践表明，发生严重变形、破坏的顺层岩石滑坡大都是 由于岩体中软弱层的实效蠕变引起的，即滑坡从丌始变形至最终破坏是一个时问有关 的复杂的非线性祟计过程。其中软弱央层抗剪强度是随着剪应力作用时间的延长而降 低，当剪应力超过层面的长期剪切强度时，滑体便发生不稳定蠕变，即滑坡的孕育经 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 i i , , ii i , i i , ! , 一一 i 孽蔓皇曼曼曼曼曼曼量皇皇曼曼曼皇曼! 曼 过初始衰减蠕变、等速蠕变，最后达到加速蠕变出现顺层剧滑。 2 爆破作用对岩石边坡工程广泛采用爆破施工，爆破的强度、频率、方法等会 对边坡产生程度不等的破坏作用，从而影响坡体稳定条件。爆破对边坡的破坏作用主 要表现为：爆破的动力作用，对岩体的松动和疲劳破坏作用。多数学者采用萨道夫斯 基经验公式定量计算爆破对坡体稳定性的影响。 一阿 ( 2 2 ) 式中：1 一介质质点的振动速度，锄s ； 9 一炸药量，齐发爆破取总炸药量，蚝； 卜爆源至影响岩体的距离，m ； 肛一衰减系数； r 与传播途径和地质、地形等因素有关的衰减指数。 3 风化作用 ( 1 ) 风化作用使岩体强度减弱，裂隙增加，影响斜坡的形状和坡度，使地面水 易于侵入，改变地下水的动态等。 ( 2 ) 沿裂隙风化时，可使岩体脱落或沿斜坡崩塌、堆积、滑移等。 4 气候作用岩体风化速度、风化层厚度以及岩石风化后的机械变化和化学变化， 均与气候有关。 5 地震作用地震作用除了岩体受到地震加速度的作用而增加下滑力外，在地震作 用下，岩体中的孔隙水下压力增加和岩体强度降低都对坡体的稳定不利。“5 1 2 汶