路堑边坡动态优化设计与精细化施工控制研究

摘要

传统的路堑边坡设计模式存在一些弊端，表现为设计、开挖、支护等环节中的问题，无法准确掌握路堑边坡在开挖过程中的时效变形、演化特征，无法动态的应对路堑边坡开挖过程中的各种突发状况和边坡病害。本文结合川东红层地区巴中—达州—万州高速公路修建中典型研究素材与关键技术难题，采用工程地质过程机制分析、损伤力学研究法、非饱和土力学研究法相结合的研究思路，具体应用工程地质跟踪调研、室内流变试验、数值计算、位移监测等多种分析手段，对各种典型坡体结构路堑边坡（节理岩体边坡、堆积层边坡）的变形破坏模式、开挖过程动态稳定性、开挖变形破坏特征进行了较为系统的研究，在此基础上对路堑边坡动态优化设计模式、典型坡体结构路堑边坡优化设计组合模式与施工控制要点进行了研究和总结，具体取得了如下一些进展:
　　(1)将川东红层地区路堑边坡的典型坡体结构类型分为平缓层状边坡、倾斜层状边坡和堆积层边坡三大类，每一大类又进一步细分。这套边坡类型的划分方案为后续研究的模型化奠定了良好基础。
　　(2)结合路堑边坡卸荷变形机理，将其变形破坏模式分为卸荷回弹型和卸荷回弹—蠕变型。卸荷回弹型变形破坏包括:陡倾节理面张裂、节理面张剪开裂和堆积层局部滑塌;卸荷回弹—蠕变型包括:下陷式（弧形）滑塌、平缓层状滑移、顺层滑移、圆弧形堆积层滑移和平缓堆积层滑移。
　　(3)为准确把握路堑边坡在开挖过程中的时效变形演化特征、力学特性的时效劣化特征及坡体的动态稳定性，在伯格斯黏弹塑模型基础上引入了描述岩体节理几何特征的初始损伤张量，将岩体在初始损伤影响下产生的黏塑性偏应变增量用作损伤演化的计算，实现节理岩体等效黏弹塑损伤模型的开发。在此基础上，结合室内岩石流变试验结果，对典型坡体结构节理岩体边坡开挖过程进行了黏弹塑损伤分析。结果表明:不同坡体结构类型边坡、在逐级开挖下，具有不同的变形演化特征和损伤演化特征;对于平缓层状边坡而言，损伤的积累主要为易损部位在卸荷回弹阶段的塑性损伤，时效黏塑性损伤积累相对较小，表现为最大损伤演化值随开挖阶段的逐渐增大，以及蠕变速率随开挖阶段的逐渐增大;对于顺向层状边坡而言，变形和损伤的发展具有更大的量值，损伤的积累除了来自卸荷回弹阶段的塑性损伤外，还有不可忽略的时效黏塑性损伤。表现为蠕变速率在同一开挖阶段的持续增大，位移曲线最终发展为上凹状。
　　(4)对堆积层边坡渗流场特征和开挖变形特征进行了模拟。结果表明，堆积层边坡开挖变形失稳特征或变形破坏模式与其自身的水力条件特征关系明显，在不同水力条件下，同一堆积层边坡可能出现不同的变形破坏模式，且根据堆积层边坡实际的地质、环境条件，变形破坏模式又会有所不同。
　　(5)以巴达高速公路平昌连线EK0+430～510四级高边坡（上硬下软型）为例，采用工程地质跟踪调研、位移实时监测以及黏弹塑损伤数值计算三种手段，对该边坡逐级开挖过程中的动态信息进行获取，并对边坡开挖过程动态稳定性和稳定性影响因素作用效应进行了反馈分析。最后，结合典型路堑边坡反馈分析实例，对基于信息反馈的路堑边坡动态优化设计模式进行了阐释和总结。
　　(6)对典型坡体结构路堑边坡施工控制原则进行了概括。对平缓层状边坡应做到“软岩坡段精开挖、深埋浅埋齐支护、不利结构另加固”;对倾外层状边坡应做到“精开挖早支护，中倾趋势预支护”;对各种类型堆积层边坡的支护应注重排水措施，且应优先进行，后续支护措施可视排水后坡体变形发展施作。最后，对典型坡体结构路堑边坡优化组合模式与施工控制要点进行分析和总结，为各类坡体结构路堑边坡提供优化设计范本。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据与研究意义

1．2 国内外研究现状及评述

1．2．1 边坡动态稳定性评价方法研究

1．2．2 岩体流变损伤模型研究

1．2．3 非饱和土边坡研究

1．2．4 路堑边坡防护措施的动态优化设计研究

1．2．5 边坡工程精细化施工控制研究

1．3 研究主要内容、技术路线及研究思路

1．3．1 研究主要内容

1．3．1 技术路线与研究思路

第2章 红层地区路堑边坡坡体结构类型及变形破坏模式研究

2．1 概述

2．2 研究区的地质环境条件

2．1．1 气象、水文

2．1．2 地形地貌

2．1．3 地层岩性

2．1．4 地质构造

2．1．5 水文地质条件

2．1．6 地震

2．3 路堑边坡坡体结构类型分类

2．3．1 平缓层状边坡

2．3．2 倾斜层状边坡

2．3．3 堆积层边坡

2．4 路堑边坡变形破坏模式研究

2．4．1 卸荷回弹型变形破坏模式

2．4．2 卸荷回弹—蠕变型变形破坏模式

2．5 路堑边坡坡体结构类型与变形破坏模式关系

2．6 小结

第3章 节理岩体路堑边坡开挖过程动态稳定性的数值模型研究

3．1 概述

3．2 岩石流变特性的试验研究

3．2．1 试验设备与试验方法

3．2．2 试验结果

3．2．3 岩石蠕变变形破坏特征

3．2．4 流变本构模型及参数辨识

3．3 节理岩体等效黏弹塑损伤模型的研究

3．3．1 节理几何特征的损伤张量描述

3．3．2 含一组平行节理的损伤张量

3．3．3 含一组非正交节理的损伤张量

3．3．4 应变等效原理及其有效应力

3．3．5 有效应力对称化

3．3．6 损伤张量演化

3．3．7 FLAC3D本构模型运行原理及其二次开发方法

3．3．8 基于Cvisc模型的黏弹塑损伤本构方程

3．3．9 黏弹塑损伤模型二次开发的程序流程

3．4 典型坡体结构节理岩体边坡开挖过程的黏弹塑损伤分析

3．4．1 平缓层状上硬下软型边坡

3．4．2 平缓层状软硬互层型边坡

3．4．3 平缓层状整体较软型边坡

3．4．4 平缓层状上软下硬型边坡

3．4．5 中倾顺向坡

3．4．6 缓倾顺向坡

3．4．7 陡倾顺向坡

3．5 小结

第4章 堆积层边坡开挖变形的数值模型研究

4．1 概述

4．2 堆积层非饱和土体基本理论

4．2．1 非饱和孔隙介质渗流特性

4．2．2 非饱和渗流微分方程

4．2．3 非饱和土的摩尔—库伦理论

4．3 典型坡体结构堆积层边坡开挖稳定性分析

4．3．1 厚层平缓堆积层边坡

4．3．2 薄层平缓堆积层边坡

4．3．3 厚层倾斜堆积层边坡

4．3．4 薄层倾斜堆积层边坡

4．4 小结

第5章 基于信息反馈的路堑边坡动态优化设计研究

5．1 概述

5．2 路堑边坡施工期主要动态信息获取途径分析

5．3 基于动态信息的典型路堑边坡反馈分析实例

5．3．1 第四、三级边坡开挖分析

5．3．2 第二级边坡开挖分析

5．3．3 第一级边坡开挖分析

5．4 基于信息反馈的路堑边坡动态优化设计模式

5．5 小结

第6章 典型坡体结构路堑边坡防护措施的优化组合模式与施工控制要点研究

6．1 概述

6．2 各类工程支护措施及其适宜性研究

6．2．1 支挡工程

6．2．2 锚固工程

6．2．3 排水工程

6．2．4 坡面防护工程

6．3 各类生态防护措施及其适宜性研究

6．3．1 三维网喷播植草

6．3．2 挖沟植草法

6．3．3 土工格栅(网)植草绿化

6．3．4 骨架及土工格室绿化

6．3．5 基材挂网喷播绿化法

6．3．6 垂直绿化法

6．4 典型坡体结构路堑边坡“工程支护+生态防护”的优化组合模式与施工控制要点

6．4．1 平缓层状边坡施工控制原则概述

6．4．2 倾坡外层状边坡施工控制原则概述

6．4．3 堆积层边坡施工控制原则概述

6．5 典型路堑边坡优化设计实例分析

6．5．1 K1段边坡防护措施优化设计

6．5．2 K2段边坡防护措施优化设计

6．5．3 K3段边坡防护措施优化设计

6．5．4 K4段边坡防护措施优化设计

6．6 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果