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大别山区坡积土公路边坡渗流特性及稳定性分析

时间:2015-12-11 17:54来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是公路工程论文,本文利用室内实验对大别山区典型非饱和坡积土的颗粒组成特性进行了分析,并在直剪实验基础上得出非饱和坡积土总抗剪强度参数与土体含水量之间的定量关系

第一章 绪论


1.1研究背景及意义
在我国南方山区,随着高速公路的大量修建,产生了大量的高速公路边坡,因施工扰动、岩土特性、自然天气原因而引起的边坡失稳数量居高不下[1]。同时,边坡失稳也一直是山区常见的自然灾害之一。高速公路线长面广,沿线多为山地,地质构造复杂,兴建过程中也形成了一定量的坡积土边坡,这类边坡由于土体密实度、均匀性和稳定性难以控制,在遭遇长持时降雨或短时暴雨后经常出现瞬态失稳的现象,排水系统布设不当或排水设施失效引起的边坡雨后滑塌尤为突出[2]。坡积土是位于山坡上方的碎屑物在水流和重力作用下顺着山坡运移形成的堆积土,一般分布在坡腰或者坡脚,上部与残积土相接。坡积体一般具有明显的分选现象,下部多为碎石、角砾石,上部多为细粒土,土体结构和成分上下不均一,土质疏松,具有较高的压缩性,土层厚度变化大。坡积土边坡极易出现沿下卧残积层或基岩面滑动等不稳定问题[3]。多雨的大别山区地形以中、低山为主。主要源于花岗岩、各类片麻岩的风化、(残)坡积与冲积等成因而形成的积层(覆盖层),普遍分布于山坡、山间谷地及冲沟等区域,积层厚度 1~10m;积层下方通常为砂或砾状的强风化岩层。在正常情况下,坡积土体多是该山区农田的主要来源,人造梯田一般采取垒块石进行加固,加之土体植被覆盖,自然状态下,坡积体较为稳定,坡体失稳多由强大降雨诱发,但若该土体开挖形成公路路堑边坡,在开挖过程中破坏了边坡内部的应力平衡和原有植被,施工中又遭遇暴雨冲刷,路堑边坡很容易出现滑塌失稳。降雨诱发的坡积体失稳时有发生,并造成了大量的人员伤亡和经济损失[4]。2005 年9 月 2 日至 3 日,大别山深山区岳西县突降特大暴雨,造成特大地质灾害,部分地区发生山体滑坡和泥石流等地质灾害,全县累计受灾 21 万人,致 19 人死亡。2012 年 7 月12 日至 14 日,岳西县境内持续降雨,13 日转大到暴雨,累计降雨达 233mm,五河镇某村发生坡地滑坡灾害,造成 1 人死亡,多人受伤。2014 年 7 月 3 日,岳西县境内持续降雨,造成冶溪镇司空山村一处山体出现裂缝,山顶严重塌陷和山体局部垮塌,幸而人员转移及时,未造成人员伤亡。这类地质灾害和隐患威胁着城镇、交通工程建设,日益成为影响和制约地方经济发展的重要因素之一。
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1.2国内外研究现状
经典岩土力学理论基本是构建于土体饱和基础上,早期的渗流场理论研究也仅局限于对饱和渗流的研究,然而在实际工程中,我们越来越多的遇到非饱和土问题。18 世纪Darcy 通过试验研究提出了线性渗流理论,该理论为后续渗流理论研究奠定了坚实的基础。在此后很长一段时间内,广大学者在 Darcy[6]的研究基础上开展了大量更为深入的研究。1931 年,Richards[7]基于达西的线性渗流理论和质量守恒定律提出了非饱和渗流方程,将线性渗流理论发展为饱和-非饱和渗流理论,70 年代左右,CHOW V T[8]、草深守人[9]等人对非饱和渗流解析解进行了大量研究,在这些渗流计算分析中,通常只是研究了浸润线以下的饱和区域,忽视了非饱和与饱和区间的耦合,将浸润面视为活动自由面,计算时需要进行反复迭代,计算结果并没有考虑非饱和区基质吸力的影响,因此不能完全准确的表征土体内渗流场特性。大量研究人员从上世纪 70 年代开始将饱和区和非饱和区联合起来考虑,对此进行了扩展研究,研究中一般将饱和区的存在正的压力水头,非饱和区为负压力水头,饱和区与非饱和区的分界面处为 0 压力水头,研究结果得到广泛认可[10]。
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第二章 降雨入渗下边坡稳定基本理论


非饱和土分布极为广泛,工程实践中涉及的地表土几乎都是非饱和土。“非饱和“等同于”部分饱和“或”包气“,即土体的孔隙水饱和度低于 100%,而因为降雨、蒸发、地下水位等形成的地表土中水流形态,则在工程上分为饱和渗流和非饱和渗流,饱和渗流过程中土体中任一点的水头和渗透系数都是一个稳定值,非饱和渗流过程中,土体中任意一点的渗透系数、水头和体积含水量等参数都是与渗流时间相关的变量。降雨条件下,部分雨水通过地表土下渗,边坡土体出现暂态饱和区,为描述饱和区的发生发展过程,进而展开对降雨入渗下的边坡稳定性分析,为分析各个时刻的渗流状态,研究饱和-非饱和基本理论显得尤为重要。


2.1土中应力状态
非饱和土是气-水-土三相体系,水-气分界面(收缩膜)存在着表面张力,收缩膜承受着着孔隙气压力和孔隙水压力,基质吸力为孔隙气压力au 与孔隙水压力wu 的差值,基质吸力是用于描述非饱和土的力学性质的重要参数之一。任意两种液体交界面的几何形状取决于作用在该两边力的平衡,在非饱和中的水-气交界面,则要使该体系中的气压水压以及水相的表面张力分量能满足力的平衡方程[52]。表面张力可以定义为展开或收拢物质相交界面上单位面积时所需要的能量,因此,表面张力的单位为2J /m ,等价于 N /m。为了数学计算方便,常把液-气交界面上的表面张力视为是沿着交界面分布的集中力,实际上的表面张力可能并非如此。水的表面张力大小还取决于温度的高低,通常会随着温度的升高而降低。
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2.2土-水特征曲线模型
土-水特征曲线是非饱和土力学中的基础本构关系,描述了土体基质吸力与土体含水量之间的曲线关系,常用于描述非饱和土的强度和渗透特性。它与非饱和土土颗粒结构、土颗粒组成成分、孔隙分布、土壤水分变化等因素有关,也可以用以阐述土体吸湿或脱湿过程,是描述土水作用的重要关系曲线。土水特征曲线获取方法主要是直接量测试验法和数学表达(预测)法,用于直接测量土-水特征曲线的试验方法,通常提供了揭示吸力和含水量之间关系的一系列离散数据点,这种方法耗时、费力,而且测量数据仅构成了吸湿状态土样土-水特征曲线的一部分。本文仅在此对预测法中的常用数学模型进行归纳和描述。图 2-2 为典型的土-水特征曲线,图中给出了饱和含水量s 、残余含水量r 与进气压力值b 的大致位置。
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第三章 大别山区坡积土工程特性实验研究.......27
3.1 坡积土室内实验概况...... 27
3.2 坡积土颗粒分析.... 29
.3 坡积土物理性质试验...... 31
3.4 坡积土力学性质实验...... 33
3.5 含水量对土坡稳定性影响的算例分析... 38
3.6 本章小结...... 39
第四章 降雨作用下坡积土边坡渗流特性.......40
4.1 降雨作用下坡积土路堑边坡渗流场分析.... 40
4.2 数值模拟结果分析..... 46
4.3 本章小结...... 63
第五章 坡积土边坡水分运移规律及变形现场...65
5.1 监测系统布设... 65
5.2 监测数据分析... 72
5.3 坡积土边坡稳定分析与边坡稳定防护措施..... 80
5.4 本章小结...... 81


第五章 坡积土边坡水分运移规律及变形现场监测与分析


5.1监测系统布设
边坡工程监测的目的在于获取边坡变形与力学性质的真实信息,以判断边坡变形的趋势和进行边坡稳定性预测预报,结合地下水、降雨量、土体含水量、孔隙水压力等动态特征信息监测,表征坡体变形与其他动态特征信息间的联系,为坡体稳定性预测提供依据。在进行了充分的理论分析后,对不同阶段边坡体变形、降雨量、土体孔隙水压力等进行了持续观测研究及分析。监测剖面布设原则:监测剖面应布设在近期变形较为显著且对国民经济发展构成严重威胁的不稳定地质体上;监测剖面应尽量沿灾害体变形主体方向布设,以监测总体变形并检验仪器的适用性[65]。监测点布置原则[66]:监测点应布置在滑动面或地表变形显著部位;监测仪器设施的安装需按有关要求、说明严格执行;监测点布置应考虑电力、通讯、交通等运行条件及其解决方案;监测点布置应尽可能降低建设成本;为相互印证对比,从安全方面考虑,监测点成组分布构成现场站。


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结论


大别山区坡积土边坡分布广泛,易产生由降雨诱发的滑坡。究其原因,主要是坡积土边坡浅层土体松软,为非饱和土,因降雨入渗,土体饱和度增加,基质吸力骤减导致土体抗剪强度大幅下降,当雨水达一定入渗深度时,可能诱发边坡失稳。为研究大别山区坡积土边坡在降雨影响下的渗流和稳定规律,本文从饱和-非饱和渗流理论出发,对典型大别山区坡积土进行取样,分析了坡积土在不同含水量下的抗剪强度参数,为该地区坡积土边坡稳定研究提供了经验参考,应用渗流分析程序对不同降雨条件和坡体排水条件下的边坡渗流场进行了数值分析;并将渗流分析结果与极限平衡法结合,对坡积土边坡的稳定性进行了分析,研究了不同降雨条件、坡体排水环境下的边坡渗流场分布规律以及对边坡稳定性的影响,并结合实体工程研究了边坡降雨入渗规律对坡体稳定变形规律的影响,并对边坡综合支护体系进行了阐述。
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参考文献(略)
 

(责任编辑:gufeng)
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