边坡开挖工程活动对环境影响研究

摘要

重大工程灾害与防治成为21世纪核心科学问题之一，必须从可持续发展的战略高度研究“重大工程灾害与防治”。国家已把铁路和高等级公路等交通干线建设作为实施西部大开发的重要举措，并已列入国家建设的优先领域。西部地区工程建设条件复杂，生态环境脆弱，环境条件对道路建设严重制约，道路工程对环境影响问题严重，其中道路边坡开挖活动问题尤为突出。由此，研究边坡开挖工程对山区环境影响作用具有重要意义。我国西部山地环境灾害是地球内外动力耦合作用的产物，边坡开挖对山地环境影响表现为影响了山地动力系统及山地动力系统作用的环境，从而加速山区环境演变和引发山地边坡灾害。 开挖引起的强扰动区范围是工程活动影响山地环境演化进程和评价工程开挖活动对环境影响的一个重要指标。由于开挖坡体在应力松弛情况下，其变形、损伤均是一个逐渐积累的过程，当变形或损伤达到一定程度后，坡体单元结构会发生明显的破坏或损伤发生突变。边坡土体的变形模量是其抗变形能力的一个综合反映，因此进行了基于边坡土体变形模量的损伤分析，提出把引起边坡单元发生损伤突变的围压作为确定强扰动区边界的判别标准，并给出了确定开挖边坡强扰动区范围的方法。 施工时序是一个不断变化的过程，不同的开挖、支挡顺序对边坡岩土体变形有很大的影响，进而影响边坡稳定性。应用离心模型试验定量地分析了不同施工时序对边坡稳定性的影响，并直观地比较了边坡的变形破坏程度。数值计算分析了不同施工时序的作用机理：及时支护程度越高，坡体开挖面剪应力集中程度越低，坡面最大剪应力连通程度越差，从而有利于坡体稳定；及时支护，坡体单元应力历史(应力路径)过程为应力由大逐渐减小至平衡，而开挖完成后再支护(滞后支护)应力变化过程为先急剧降低，发生较大程度的应力松弛，随支护的进行应力逐渐增大至平衡，但最后应力值小于及时支护应力值，即滞后支护造成坡体发生较大的不可恢复损伤，坡体强度参数降低，且坡体开挖面剪应力集中程度大，结果对坡体稳定不利。坡体开挖及时支护有利于边坡稳定，但对于超高边坡开挖，及时支护由于受下级开挖应力调整影响，上级支护结构受力变大而可能失效。通过数值模拟分析，建议对于超高边坡上级开挖及时进行一定强度的临时支护，下级开挖后及时永久支护，开挖完成后根据坡体稳定性情况再进行上级永久支护，这样既能发挥类“新奥法”原理，又能保证坡体稳定，还可以降低坡体支护成本。 我国西部山区环境脆弱，边坡开挖不但会对开挖坡体自身稳定性产生影响，而且还会造成临近坡体环境受到影响，即临近坡体受到开挖坡体变形或破坏的迁移式影响。本文首次研究了边坡开挖迁移式影响，通过离心模型试验得出了以下结论：原边坡稳定性较低，局部开挖后不支护或不及时支护容易造成临近坡体受迁移式影响发生大规模整体性破坏；稳定性较高坡体局部开挖，可能造成临近坡体形成坡顶弧形拉裂破坏；松散型边坡容易形成开挖面的浅层滑塌破坏并发展。工程中，对于低强度土质边坡和结构较差岩石边坡开挖必须考虑迁移式影响作用对临近坡体环境的影响；对于强度较高的土质边坡和结构完好的岩石边坡开挖，对临近坡体产生的迁移式影响较小，可以不考虑。 开挖临时边坡在工程施工中大量存在，临时边坡失稳现象经常发生，降雨是临时边坡失稳的一个主要原因，应用离心模型试验研究了含水量变化对土质临时边坡影响，结果表明，土体含水量不同，土质临时边坡将发生两种破坏模式：一种是坡体含水量大，边坡发生整体性滑塌破坏；另一种是含水量小，边坡形成坡顶拉裂破坏。可采用造成边坡土体损伤发生突变的含水量进行判别两种破坏模式。 边坡演化具有自组织特征，即随坡体开挖强度不断增大、边坡开挖后随时间的推移，其变形(不可逆流)与下滑力(不可逆力)逐渐呈非线性关系，即开挖边坡有利于自组织过程的形成。自组织的形成过程，就是坡体由无序变形趋势向有序发展或由较低的有序向较高的有序发展过程。熵是系统有序度的一种度量，应用信息熵定量地分析了边坡自组织过程的形成(减熵过程)，并提出了开挖边坡灾害防治对策：及时支护，阻断开挖坡体自组织过程的形成。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1本课题研究的背景、目的和意义

1.2本课题研究现状分析

1.2.1道路工程对环境影响研究

1.2.2边坡开挖对环境的影响

1.2.3边坡开挖对环境的扰动研究

1.2.4水对边坡环境影响研究

1.3研究思路、研究内容及技术路线

1.3.1研究思路

1.3.2主要研究内容

1.3.3技术路线

第2章边坡开挖对山地动力系统影响分析

2.1山地环境灾害的地球内外动力耦合作用

2.2山地动力系统组成及相互关系

2.2.1山地动力系统与地球动力系统

2.2.2山地动力系统组成及相互关系

2.3边坡开挖与山地环境灾害

2.3.1西攀高速公路边坡地质情况

2.3.2边坡开挖直接引起的环境灾害

2.3.3边坡开挖对山地环境演变的中长期影响

2.4边坡开挖对山地动力系统作用影响

2.5本章小结

第3章边坡开挖引起的强扰动区分析

3.1边坡开挖扰动区分析情况

3.1.1边坡开挖扰动区研究现状

3.1.2坡体开挖后应力与变形及扰动区确定原理

3.2应力松弛与边坡土体损伤

3.2.1损伤力学理论

3.2.2应力松弛与土体微结构变化

3.2.3应力松弛对边坡土体损伤趋势分析

3.2.4不同卸载程度对土体损伤过程验证

3.3基于开挖损伤的扰动区分析

3.3.1边坡开挖应力场求解确定强扰动区

3.3.2数值计算求解强扰动区

3.4强扰动区例子分析

3.4.1分步开挖强扰动区确定

3.4.2不同支挡措施强扰动区分析

3.4.3不同施工时序强扰动区分析

3.5本章小结

第4章边坡不同施工时序离心模型试验及数值计算研究

4.1边坡不同施工时序研究现状

4.2边坡不同施工时序离心模型试验

4.2.1离心模型试验设备

4.2.2离心模型试验设计

4.2.3离心模型试验结果

4.2.4坡体内部应力测试离心模型试验

4.3边坡不同施工时序数值模拟

4.3.1不同施工时序边坡应力场、位移场比较

4.3.2不同施工时序应力、位移变化过程分析

4.4应力松弛土体损伤与支护时机分析

4.5特别高大(超高)开挖边坡支护分析

4.5.1边坡坡高增大与变形

4.5.2边坡开挖与支护受力

4.5.3超高边坡开挖支护数值分析

4.6本章小结

第5章边坡开挖迁移式影响离心模型试验研究

5.1边坡开挖迁移式影响现象及研究的必要性

5.2边坡开挖迁移式影响基本原理

5.3边坡开挖迁移式影响离心模型试验

5.3.1试验设计

5.3.2离心模型试验破坏模式

5.3.3迁移弧形拉裂变化趋势

5.4受迁移式影响坡体的应力分布

5.4.1迁移弧形拉裂应力测试

5.4.2坡顶拉应力分布数值模拟

5.5迁移式影响模式分析

5.5.1迁移式影响模式损伤积累分析

5.5.2迁移式影响模式断裂力学分析

5.6本章小结

第6章水对临时边坡影响离心模型试验研究

6.1水对临时边坡的影响

6.2含水量对土体强度参数的影响

6.3水对临时边坡破坏影响离心模型试验

6.3.1离心试验模型设计

6.3.2试验结果分析

6.4水入渗条件下边坡稳定性数值分析

6.4.1水入渗条件下边坡应力场分析

6.4.2水入渗不同深度边坡稳定性分析

6.5水入渗边坡破坏损伤力学分析

6.5.1水入渗边坡土体微观单元的粘塑性模型

6.5.2水入渗土边坡破坏损伤分析

6.6本章小结

第7章开挖边坡自组织特性及灾害防治对策研究

7.1开挖边坡演化的自组织特性分析

7.1.1开挖边坡演化自组织过程的定性描述

7.1.2开挖边坡演化自组织特性的定量描述

7.2开挖及外界扰动对不可逆力影响力学分析

7.2.1开挖对不可逆力影响力学分析

7.2.2外界作用对不可逆力影响力学分析

7.3开挖边坡演化自组织过程的熵描述

7.3.1信息熵原理

7.3.2开挖高度增加情况

7.3.3坡角增大情况

7.3.4水入渗深度增加情况

7.3.5扰动区增大情况

7.4开挖边坡灾害及防治对策分析

7.4.1开挖边坡失稳实例及分析

7.4.2边坡开挖灾害防治对策

7.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目及发表论文