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边坡是人类生存的重要环境,也是工程建设的重要组成部分。在资源开发和基础设施的建设中,出现了大量的岩质边坡。岩质边坡稳定性问题及其工程处理往往由于其复杂的地质结构特征而成为边坡工程中的重点和难点。工程建设中不断发生的岩质边坡失稳事件,导致了人民生命和财产的严重损失,由此带来的间接损失更是不可估量。
随着大量边坡病害得到防护处理,人们迫切想了解其加固措施是否起到了有效的稳定边坡的作用,边坡的稳定效果如何,因此研究边坡防护措施发挥的作用对进一步完善边坡防护设计理论、优化边坡防护设计具有指导作用。目前,对边坡防护的具体工程措施虽有验收方法,但对于稳定效果的评判和综合评价则研究很少。为了能更好地优化边坡防护方案,检验防护工程设计的合理性以及评价施工质量状况,实践中急需一套合理、有效和实用的防护效果评价体系。
针对上述问题,结合湖北省自然科学基金课题和三峡库区二期地质灾害专项科研课题,在导师指导下,拟定了“云沱段巴东组岩质边坡防护工程稳定效果分析”为学位论文选题。主要研究目标为:(1)巴东组岩质边坡变形破坏机理;(2)边坡防护方案优化设计;(3)稳定效果评价体系。
为了实现上述研究目标,本论文所采用的研究思路如下:首先采取野外实地调研的方法并查阅有关的资料,从地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件等方面,分析库区巴东组岩体构成的典型边坡的变形破坏机理:其次,概括评价并比较边坡常见的五大类防护工程措施,采用数理统计学中的正交试验设计方法进行边坡防护方案的优化设计;然后,在大量有关边坡的调查、检测和监测数据的基础上,确定稳定效果评价因子和指标,建立适宜的评价指标集,采用合理的评价方法,建立稳定效果综合评价体系。最后,以云沱段岩质边坡为例实现了上述稳定效果评价研究。
因此,本论文的主要研究内容包括:
1、巴东组岩质边坡变形破坏机理的研究。通过野外实地调研并查阅有关边坡的资料,首先对库区巴东组岩体构成的典型边坡的地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件等进行概括分析,同时结合边坡所处的环境,从风化作用、重力作用、降雨与地下水作用、河流作用、人类工程活动这5个主要的动力诱因出发,分析边坡地质模型与变形破坏机理。据此分析得出巴东组构成的岩质边坡的变形破坏模式主要以蠕滑—拉裂、滑移—弯曲和弯曲—拉裂三种为主。
2、论文对边坡常见的五大类防护工程措施进行了概括评价。从施工难易程度、受力合理性、结构复杂性及可利用岩土体自身强度等方面做了对比,明确提出了在针对边坡地质特征和变形状况的基础上,采用数理统计学中的正交试验设计方法进行边坡防护方案的优化设计,才能保证防护方案的合理性。分析得出工程实例云沱段岩质边坡防护的最优锚固方案为锚杆长度15m、锚杆间距3.0m、预应力值600kN。
3、论文对构成边坡工程的因素进行了层次分析,确定了稳定效果的基本评价因子和指标。稳定效果包括坡体防护功效和工程结构物稳定性两个方面。具体的评价指标主要包括工程结构物外观评价、施工规范基本要求、支护措施实测项目、边坡变形与应力状况、地下水位与水压力变化状况、结构物应力状况和结构物变形状况。
4、研究认为,适宜于稳定效果评价的方法主要有:数值模拟方法、模糊综合评判方法、监测与预测评价法和统计分析法。对前三种评价方法做了详细介绍,本论文的稳定效果评价主要采用了数值模拟评价方法和模糊综合评判方法实现。
5、在建立了基本的评价指标集和确定了采用的评价方法以后,本论文建立了边坡防护的稳定效果评价体系。首先以边坡的稳定性为中心,进行主体指标和次要指标类型的划分,再采用合理的评价方法,进行边坡防护的稳定效果评价。边坡防护的稳定效果是评价的目标,所有的多项指标又可以归纳为工程结构物质量和边坡防护功效两类子目标。
6、评价方法中的数值模拟方法能充分考虑边坡结构的复杂性和坡体演化的动态性。采用数值模拟软件 FLAC<3D>对云沱段巴东组岩质边坡进行仿真研究,结果表明,在天然状态下,边坡存在潜在失稳破坏的问题。采用削方和锚固方案治理以后,边坡前缘的运动速率明显减缓,变形得到了有效控制,坡体内未出现拉应力区,发生剪切破坏的区域也明显减小。因此,锚固措施对整个边坡的变形破坏具有控制作用,防护的稳定效果较好。
7、由于评价系统具有模糊性的特征,因此采用模糊综合评判法作稳定效果分析。通过边坡勘察、设计资料整理和实地调查,根据本论文提出的评价指标和评价体系,通过专家咨询及实践经验,得到稳定效果各评价指标的量化结果。在求各评价指标的权重分配时,本论文提出对“功能重要度系数法”进行改进,采用“0-1-2”评分法来计算。最后通过二级综合评判分析得出工程实例云沱段岩质边坡防护的稳定效果为“良”。
8、论文建议在进行具体边坡的稳定效果评价时,采用本论文提出的综合评价体系,应以提高边坡稳定性为核心,首先必须分析边坡的地质特征和防护方案的适宜性,再进行工程结构物质量评定,是否有效的检验标准应反映在边坡的防护功效上,它包括两方面内容:(1)边坡的稳定性系数改变状况、边坡的变形与应力状态:(2)工程结构物的变形和应力状态。同时,在工程施工完成后,应以实际监测信息进行反馈分析稳定效果。
论文的特色之处在于:(1)从较复杂的边坡防护工程系统中,选取防护工程稳定效果评价因子和指标;(2)在建立了基本的评价指标集和确定了采用的评价方法以后,建立了包含坡体防护功效和工程结构物稳定性的边坡防护工程稳定效果综合评价体系。