顺层岩质高边坡开挖过程变形失稳演化机制及预测评价研究——以织金石化场区边坡为例

摘要

顺层岩质边坡在自然界最为常见，也是在工程建设中发生变形失稳最多的边坡类型，开展顺层岩质边坡工程特性的研究于人类工程建设具有重要意义。由于工程建设改变坡体条件或地质环境从而导致顺层岩质边坡变形失稳的案例更是数不胜举，其中不乏一些造成了极大破坏性后果。例如，1961年3月6日的中国湖南柘溪水库的塘岩光滑坡;1963年10月9日的意大利瓦依昂滑坡和2003年7月13日的中国三峡水库千将坪滑坡。在实际工程建设中，开挖顺层岩质边坡一般是稳定性较差，易沿着层面发生滑移失稳，尤其是对于含有层间软弱夹层的边坡，受降雨影响更为明显。目前，关于顺层岩质边坡预测评价的成果丰富且取得了有意义的成果，但大都是建立在较为理想的地质模型基础上，而工程中坡体的实际变形演化过程却极为复杂，岩土体发生物理、化学变化更是具有明显的非线性、复杂性等特征，故对边坡的预测评价需要更多地研究思路和方法。
　　本文主要以贵州省织金县某石化场地开挖顺层岩质边坡为研究对象，开展工程地质系统调查，通过室内外试验，获取岩土体力学参数;总结分析边坡变形破坏演化机制;建立定性定量相结合的预测评价模型;通过室内大型物理模型试验，研究分析了顺层岩质高边坡在差异开挖条件下变形失稳演化特征，并根据试验数据推导开挖边坡失稳范围的预测评价公式。论文取得的主要成果和结论如下:
　　(1)基于研究场区边坡软弱夹层的差异形成演化机制，将其进行工程地质分类，即3大类:构造型、风化型和溶蚀填充型;其中构造型软弱夹层分为4个亚类:岩屑岩块型、岩屑岩块夹泥型、泥夹岩屑岩块型和泥质型;通过室内外试验，分析了夹层物理、化学组成，重点是进行了力学性质的试验，为边坡的预测评价提供了基础资料。力学性质试验主要包括:室内直剪试验、中型剪切试验以及现场大型剪切试验，其成果显示软弱夹层具有明显的软化特征:夹层随含水率增加(w=10％～30％)而强度参数非线性降低:ψ=20.8×ln(w)-6.8，(R=0.986);c=24.8×ln(w)-12.2，(R=0.990);层间的薄层夹层或泥膜在降雨前后力学性质差异较大，降雨前取值:fp=3.5～4.5;fr=2.5～3.5;降雨后取值:fp=2.0～2.6;fr=1.2～1.6，其参数降低幅度约22.2％～65.6％。
　　(2)分析总结了场区开挖边坡的失稳模式，主要包括:滑移—拉裂破坏模式、平面滑动破坏模式、滑移—弯曲破坏模式、雨水侵蚀冲刷破坏模式、表层剥落破坏模式;基于边坡变形失稳起始部位以及坡体演化过程的地质力学特征，建立边坡失稳破坏的3种演化机制:推移式渐进演化机制;牵引式渐进演化机制以及整体式渐进演化机制。
　　(3)基于目前大量研究成果，首先综合分析场区边坡在开挖过程中的变形失稳模式及特征，并进行工程地质评价;其次，甄选工程地质条件（岩体结构特征、岩石抗压强度、坡体结构特征）、坡型几何特征（开挖高度、开挖坡比、原始坡度与开挖坡度差）、外部环境条件（单次过程降雨、坡体渗透特征、地下水特征）影响所涉及的10个关于边坡稳定性的具体指标，以定性结合定量的方法进行粗糙集层次分析法和熵值法组合赋权，通过未确知测度与云模型计算方法进行边坡稳定性的预测评价。
　　(4)针对边坡具有的不同的岩体结构特征和开挖条件等，建立了相应的失稳范围预测评价方法;包括通过室内大型框架物理模型试验，获取框架物理模型边坡的位移数据，基于坡体内部位移特征值，设置失稳范围确定的位移阈值α=5.0mm;并绘制失稳范围;甄选边坡开挖高度(H)、岩层倾角(α)、开挖坡比(β)、软弱夹层的间距(h)以及内摩擦角（φ）为预测计算指标，通过试验数据推导边坡开挖后失稳范围的预测评价公式:Lh=[h+2h0tan(α-φ)]tan10·[6.2+0.02(H-h)]-h·c tanβ+aa=4.57h≤30.0m a=-7.45h＞30.0m}(R=0.963)
　　(5)以场区开挖试验边坡为研究对象，对所建立的预测评价方法进行检验及佐证。结果显示建立的预测评价方法科学，合理，能够准确的对开挖边坡稳定性等级及失稳范围进行判定。以单次过程差异降雨量为重要指标，对场区拟开挖顺层边坡(P1～P7)的稳定性进行预测评价，结果显示:边坡稳定性等级C3、C4分别约占44.8％、27.6％，即边坡开挖后通常为稳定性一般～稳定性较差;坡项的最大失稳长度为开挖边坡高度的0.6H～0.8H，最大失范围位于边坡开挖高度的0.4H～0.6H段。

目录

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摘要

第1章 前言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 边坡软弱夹层研究

1．2．2 边坡渐进演化机制研究

1．2．3 边坡稳定性及失稳范围预测评价研究

1．2．4 存在问题及研究趋势

1．3 研究内容、关键科学问题、技术路线及创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 拟解决的关键科学问题

1．3．3 技术路线

1．3．4 创新点

第2章 研究区地质环境背景

2．1 自然地理条件

2．1．1 位置与交通

2．1．2 气象水文

2．2 地质背景条件

2．2．1 区域地形形成及演化概况

2．2．2 地形地貌

2．2．3 地层岩性

2．2．4 地质构造

2．2．5 水文地质条件

2．3 场区研究边坡概况

2．4 小结

第3章 岩土体结构特征及力学性质研究

3．1 边坡岩体结构特征

3．1．1 岩体结构面分级

3．1．2 岩体结构面发育特征及规律

3．1．3 岩体结构类型及特征

3．2 坡体结构类型

3．2．1 坡体结构

3．2．2 坡体分类目的、原则及因素

3．2．3 坡体结构类型

3．3 软弱夹层工程地质分类

3．3．1 Ⅰ类 构造型

3．3．2 Ⅱ类 风化型

3．3．3 Ⅲ类 溶蚀充填型

3．4 软弱夹层物理力学性质

3．4．1 室内试验

3．4．2 现场大型剪切试验

3．5 本章小结

第4章 开挖边坡变形失稳特征及演化机制研究

4．1 开挖边坡变形失稳模式及特征

4．1．1 变形失稳模式及特征

4．1．2 滑带及失稳边界特征

4．2 演化机制概念模型

4．3 现场大型开挖试验边坡

4．3．1 牵引式渐进演化机制

4．3．2 推移式渐进演化机制

4．3．3 整体式渐进演化机制

4．4 室内底摩擦试验

4．4．1 试验设备及材料

4．4．2 试验过程及演化机制

4．5 渐进演化机制分析

4．5．1 渐进演化机制分析

4．5．2 演化机制总结

4．6 本章小结

第5章 开挖顺层高边坡预测评价方法研究

5．1 预测评价研究内容与方法

5．2 基于定性定量相结合的稳定性预测评价

5．2．1 预测评价指标甄选

5．2．2 未确知测度模型理论

5．2．3 云模型理论

5．2．4 组合赋权及等级划分

5．3 开挖边坡失稳范围的预测

5．3．1 边坡失稳范围

5．3．2 工程经验类比预测

5．4 边坡失稳范围物理模型试验研究

5．4．1 边坡概况

5．4．2 拟开挖设计方案

5．4．3 建立试验模型

5．4．4 试验方案一

5．4．5 试验方案二

5．4．6 试验方案三

5．5 边坡失稳范围计算模型

5．5．1 试验各参数分析

5．5．2 失稳范围计算模型

5．6 预测方法准确性检验

5．6．1 边坡预测评价

5．6．2 边坡变形失稳特征

5．7 本章小结

第6章 场区拟开挖顺层边坡的预测评价

6．1 边坡预测评价

6．1．1 边坡概况及工程地质分析

6．1．2 稳定性预测评价

6．1．3 边坡失稳范围预测评价

6．2 分析及建议

6．2．1 预测评价成果分析

6．2．2 开挖及支护措施建议

6．3 本章小结

7．1 研究成果

7．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果