滑坡抗滑樁嵌固機(jī)理與優(yōu)化控制

第1章 三峽庫區(qū)秭歸盆地滑坡成因機(jī)制與分布規(guī)律 1

1.1 秭歸盆地自然地理與地質(zhì)環(huán)境概況 2

1.1.1 地理位置與交通 2

1.1.2 地形地貌 3

1.1.3 氣象與水文 4

1.1.4 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性 4

1.1.5 水文地質(zhì) 6

1.2 秭歸盆地滑坡數(shù)據(jù)庫建立 6

1.2.1 秭歸盆地滑坡調(diào)查 6

1.2.2 秭歸盆地典型滑坡 7

1.3 秭歸盆地滑坡影響因素 10

1.3.1 地層巖性影響 10

1.3.2 坡體結(jié)構(gòu)因素影響 11

1.3.3 庫水位因素影響 11

1.3.4 降雨因素影響 12

1.3.5 人類工程活動影響 13

1.4 秭歸盆地滑坡成因機(jī)制 13

1.5 秭歸盆地滑坡分布規(guī)律 15

1.5.1 影響因子的定量化 15

1.5.2 滑坡在地形因素上的分布規(guī)律 16

1.5.3 滑坡在地層巖性上的分布規(guī)律 18

1.5.4 滑坡在人類工程活動上的分布規(guī)律 18

1.6 秭歸盆地滑坡防治措施 19

1.6.1 滑坡治理工程 19

1.6.2 滑坡監(jiān)測預(yù)警 20

第2章 軟硬相間地層巖體試驗(yàn)與測試 21

2.1 回彈儀試驗(yàn) 22

2.1.1 回彈儀儀器 22

2.1.2 回彈儀野外數(shù)據(jù)采集 24

2.1.3 回彈儀數(shù)據(jù)分析 28

2.2 承壓板試驗(yàn) 30

2.2.1 承壓板試驗(yàn)設(shè)備與過程 30

2.2.2 泥巖承壓板試驗(yàn) 31

2.2.3 石英砂巖承壓板試驗(yàn) 33

2.3 縱波波速測試 36

第3章 軟硬相間地層強(qiáng)度劣化機(jī)理 39

3.1 巖塊力學(xué)性質(zhì)及強(qiáng)度劣化 40

3.1.1 巖塊單軸壓縮試驗(yàn) 40

3.1.2 巖塊強(qiáng)度劣化 44

3.2 巖體結(jié)構(gòu)劣化 46

3.2.1 巖體結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)模擬 46

3.2.2 分形方法估計(jì)巖體強(qiáng)度 58

3.2.3 巖體強(qiáng)度劣化公式的確定 62

3.3 基于地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 法的巖體劣化公式驗(yàn)證 63

3.3.1 地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)GSI 法 63

3.3.2 侏羅系砂巖劣化參數(shù)的驗(yàn)證 65

3.4 江水干濕循環(huán)致巖體多尺度劣化 66

3.4.1 樣品描述和準(zhǔn)備 67

3.4.2 試驗(yàn)與統(tǒng)計(jì)方法 68

3.4.3 試驗(yàn)結(jié)果 70

3.4.4 江水干濕循環(huán)致巖石多尺度劣化機(jī)理 77

3.5 考慮水致劣化與結(jié)構(gòu)特征的巖體參數(shù)量化表征 78

第4章 軟硬相間地層抗滑樁嵌固機(jī)理物理模型試驗(yàn) 81

4.1 相似理論與相似依據(jù) 82

4.1.1 模型試驗(yàn)相似現(xiàn)象 82

4.1.2 模型試驗(yàn)相似原則 82

4.2 抗滑樁-滑坡物理模型裝置 83

4.2.1 抗滑樁-滑坡模型框架 84

4.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 84

4.2.3 自動加載系統(tǒng) 85

4.3 雙層軟硬相間地層抗滑樁嵌固機(jī)理物理模型試驗(yàn) 86

4.3.1 模型試驗(yàn)材料 86

4.3.2 試驗(yàn)方案 87

4.3.3 測試與加載方式 88

4.3.4 測試結(jié)果與分析 89

4.4 三層軟硬相間地層抗滑樁嵌固機(jī)理物理模型試驗(yàn) 94

4.4.1 模型試驗(yàn)材料 94

4.4.2 試驗(yàn)方案 95

4.4.3 測試與加載方式 96

4.4.4 測試結(jié)果與分析 97

4.5 含正交節(jié)理軟硬相間地層抗滑樁嵌固機(jī)理物理模型試驗(yàn) 101

4.5.1 模型試驗(yàn)材料 101

4.5.2 試驗(yàn)方案 102

4.5.3 測試與加載方式 104

4.5.4 測試結(jié)果與分析 105

第5章 軟硬相間地層抗滑樁嵌固機(jī)理數(shù)值模擬 111

5.1 不同巖性層厚比抗滑樁嵌固機(jī)理數(shù)值模擬 112

5.1.1 ABAQUS 有限元軟件 112

5.1.2 數(shù)值試驗(yàn)計(jì)算模型構(gòu)建及參數(shù)選取 112

5.1.3 數(shù)值結(jié)果與分析 114

5.1.4 物理模型試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)對比 119

5.2 含正交節(jié)理滑床中抗滑樁嵌固機(jī)理數(shù)值試驗(yàn) 122

5.2.1 3DEC 離散元軟件 122

5.2.2 數(shù)值模型建立 122

5.2.3 參數(shù)選取 123

5.2.4 物理模型試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)對比 124

5.2.5 不同線密度正交節(jié)理抗滑樁變形特征 129

5.3 二維線密度正交節(jié)理滑床中抗滑樁嵌固機(jī)理 131

5.3.1 二維正交節(jié)理線密度定義 131

5.3.2 模型建立 131

5.3.3 二維正交節(jié)理滑床中抗滑樁嵌固效果 133

5.4 含正交節(jié)理滑床中抗滑樁*小嵌固深度 137

5.4.1 地質(zhì)背景與概化模型 138

5.4.2 基本工況嵌固機(jī)理 141

5.4.3 含不同線密度正交節(jié)理抗滑樁嵌固深度 148

第6章 軟硬相間地層抗滑樁嵌固深度與樁位優(yōu)化 151

6.1 軟硬相間地層抗滑樁受力計(jì)算方法 152

6.1.1 均質(zhì)滑床抗滑樁內(nèi)力計(jì)算 152

6.1.2 剛性樁嵌固段受力計(jì)算 153

6.2 軟硬相間地層抗滑樁變形計(jì)算 155

6.2.1 理論計(jì)算方法 155

6.2.2 馬家溝滑坡驗(yàn)證 156

6.3 合理嵌固深度的確定 157

6.3.1 樁身變形與嵌固深度相關(guān)性 157

6.3.2 合理嵌固深度定義 158

6.3.3 馬家溝滑坡合理嵌固深度 159

6.4 抗滑樁合理嵌固深度參數(shù) 159

6.4.1 基本計(jì)算模型 159

6.4.2 上部硬巖厚度對抗滑樁嵌固比的影響 161

6.4.3 上部硬巖地基系數(shù)對抗滑樁嵌固比的影響 163

6.4.4 下部軟巖地基系數(shù)對抗滑樁嵌固比的影響 165

6.4.5 滑坡推力對抗滑樁嵌固比的影響 168

6.4.6 上部硬巖厚度對抗滑樁內(nèi)力的影響 170

6.5 軟硬相間地層中樁位優(yōu)化 174

6.5.1 理論計(jì)算模型 174

6.5.2 基于簡化雙圓弧模型抗滑樁設(shè)計(jì)推力的確定 175

6.5.3 基于雙圓弧擬合的剩余推力法的推導(dǎo) 176

6.5.4 工程實(shí)例 181

第7章 復(fù)雜滑坡推力條件下抗滑樁群平面布設(shè)優(yōu)化 187

7.1 基本理論 188

7.1.1 改進(jìn)的非規(guī)則滑坡推力計(jì)算模型 188

7.1.2 抗滑樁合理布設(shè)范圍的確定 189

7.1.3 合理樁間距的確定 190

7.2 工程案例 191

7.2.1 工程地質(zhì)條件 191

7.2.2 滑坡體基本特征 192

7.2.3 滑坡穩(wěn)定性評價 192

7.3 抗滑樁群平面布設(shè)方案優(yōu)化設(shè)計(jì) 193

7.3.1 傳統(tǒng)的抗滑樁平面布設(shè)方案 193

7.3.2 滑坡推力分布表達(dá)式的計(jì)算 193

7.3.3 優(yōu)化后的抗滑樁平面布設(shè)方案 194

7.3.4 計(jì)算的理論和實(shí)測位移的對比 194

參考文獻(xiàn) 1972100433B

滑坡是我國*主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一，滑坡防治研究是當(dāng)前工程地質(zhì)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。作為滑坡防治領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要抗滑結(jié)構(gòu)措施，抗滑樁在復(fù)合多層地層滑坡中的嵌固機(jī)理研究尚不夠系統(tǒng)和深入?！痘驴够瑯肚豆虣C(jī)理與優(yōu)化控制》重點(diǎn)選取三峽庫區(qū)侏羅系軟硬相間地層為研究對象，綜合采用野外調(diào)查、原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)等手段，研究軟硬相間地層結(jié)構(gòu)與力學(xué)參數(shù)的劣化規(guī)律；建立軟硬相間地層地質(zhì)力學(xué)模型，采用物理模型試驗(yàn)、數(shù)值試驗(yàn)和理論分析等方法，研究軟硬相間地層滑坡抗滑樁嵌固機(jī)理，提出軟硬相間地層滑坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，開展相關(guān)工程應(yīng)用研究。研究成果對滑坡防治工程具有一定的理論意義與工程應(yīng)用價值。

考慮到土石混合體非均質(zhì)和非連續(xù)性，研究土石混合體真實(shí)力學(xué)特性且從細(xì)觀力學(xué)角度探討松散堆積體抗滑樁拱效應(yīng)的存在條件、形成和發(fā)展演化過程，可以為抗滑樁設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)，服務(wù)于滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)。本項(xiàng)目擬選取三峽庫區(qū)典型松散堆積體滑坡抗滑樁治理工程為重點(diǎn)研究對象，分析了奉節(jié)生基包堆積層滑坡體變形破壞機(jī)制；在系統(tǒng)分析土石混合體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，并結(jié)合巖土體散體材料介質(zhì)特性的描述，建立和完善砂土顆粒、土石混合體中塊石形貌特征信息庫，實(shí)現(xiàn)了不同類型顆粒幾何形態(tài)和空間表述；塊石元局部應(yīng)變系數(shù)為土石混合體代表單元中各介質(zhì)元細(xì)觀微應(yīng)變與體積平均應(yīng)變的橋聯(lián)系數(shù)，與土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、初始圍壓直接相關(guān)。隨著含石率的增大，土石混合體的抗剪強(qiáng)度也隨之增大，塊石元的結(jié)構(gòu)支撐效應(yīng)越明顯。在散體材料宏細(xì)觀參數(shù)之間的聯(lián)系方面，材料的峰值抗壓強(qiáng)度直接受控于顆粒的粘結(jié)強(qiáng)度和顆粒的摩擦系數(shù)，另外顆粒摩擦系數(shù)直接影響材料峰后力學(xué)特性。在室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬散體材料和抗滑樁相互作用機(jī)理方面，采用離散元的方法對非連續(xù)、非均質(zhì)介質(zhì)的土拱效應(yīng)進(jìn)行深入的研究，從細(xì)觀層面上分析土石混合體自身性質(zhì)（含石率、塊石分布、塊石形態(tài)等）以及樁間距對樁后土拱形成、演化、破壞的力學(xué)機(jī)制；同時，我們發(fā)現(xiàn)：樁位顯著影響樁固邊坡的安全系數(shù)，樁充分發(fā)揮性能得到最大安全系數(shù)的最小嵌巖比為0.12。嵌巖比影響樁的加固性能，嵌巖比增大，樁的撓度顯著減小，彎矩和剪切力也會隨之減小，彎矩與剪切力的峰值位置略高于滑動面位置。對不同模式的模型檢驗(yàn)表明，嵌巖樁長比大于臨界值時，邊坡安全系數(shù)、樁的撓度、彎矩和剪力處于穩(wěn)態(tài)。隨樁距減小，樁的性態(tài)類似于連續(xù)材料，土拱效應(yīng)也更為明顯。當(dāng)樁間距增大時，各樁的承載區(qū)增大，其最大彎矩值和剪切力會增加，因此安全系數(shù)下降。以上研究結(jié)果系統(tǒng)研究了抗滑樁拱效應(yīng)形成和發(fā)展演化過程，揭示了抗滑樁與松散堆積體滑坡相互作用宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。

考慮到土石混合體非均質(zhì)和非連續(xù)性，研究土石混合體真實(shí)力學(xué)特性且從細(xì)觀力學(xué)角度探討松散堆積體抗滑樁拱效應(yīng)的存在條件、形成和發(fā)展演化過程，可以為抗滑樁設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供重要的理論基礎(chǔ)，服務(wù)于滑坡災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)。本項(xiàng)目擬選取典型松散堆積體滑坡抗滑樁治理工程為重點(diǎn)研究對象，結(jié)合詳細(xì)的野外地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測資料，科學(xué)分析重點(diǎn)堆積層滑坡體變形破壞機(jī)制，構(gòu)建其工程地質(zhì)力學(xué)模型；在系統(tǒng)分析土石混合體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，建立和完善土石混合體中塊石形貌特征信息庫，實(shí)現(xiàn)塊石顆粒幾何形態(tài)空間表述；借助現(xiàn)代影像處理和數(shù)值模擬技術(shù)，在室內(nèi)和現(xiàn)場模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，開展土石混合體真實(shí)力學(xué)特性研究；利用三維離散-連續(xù)耦合數(shù)值分析技術(shù)，重點(diǎn)剖析松散堆積體滑坡抗滑樁細(xì)觀尺度下工作特性，分析塊石結(jié)構(gòu)特征和空間分布規(guī)律對拱存在條件和形態(tài)特征的影響，系統(tǒng)研究抗滑樁拱效應(yīng)形成和發(fā)展演化過程，揭示抗滑樁與松散堆積體滑坡相互作用細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。

承臺式抗滑樁結(jié)構(gòu)，整個樁體后的滑坡推力首先直接作用于后排樁和承臺上，然后再通過承臺及樁排間巖土體傳到前排樁上，最后形成后排樁、承臺、樁排間巖土體、前排樁這四位一體共同抵抗滑坡推力，另外，承臺式抗滑樁結(jié)構(gòu)前側(cè)的坡體也起著阻礙結(jié)構(gòu)變形而間接抵抗滑坡推力的作用，這樣就改善了單根抗滑樁單獨(dú)承擔(dān)大的滑坡推力時的弱點(diǎn)。歸納起來，承臺式抗滑樁抵抗滑坡推力主要分為結(jié)構(gòu)本體的作用、前后樁間巖土體和結(jié)構(gòu)前坡體抗力作用這2大部分 。

(1)承臺式抗滑樁結(jié)構(gòu)本體的作用。由于前排樁與后排樁之間通過上部承臺聯(lián)系在一起而成為一個整體結(jié)構(gòu)，因而當(dāng)滑坡推力直接作用在承臺和后排樁上時，就表現(xiàn)為承臺式抗滑樁整體結(jié)構(gòu)聯(lián)合抵抗滑坡推力。作用在后排樁上的滑坡推力，先傳遞到上部承臺，后由上部承臺再傳遞到前排樁上，三者形成受力共同體。其在滑面以上部分主動抵抗滑坡推力，使前后樁變形并產(chǎn)生內(nèi)力，再向下傳遞到穩(wěn)定的中風(fēng)化巖層中，從而使整個結(jié)構(gòu)整體直接抵抗滑坡推力。

(2)承臺式抗滑樁樁前土體抗力作用。若前排樁前側(cè)有坡體，則在樁向前變形擠壓前側(cè)土體時，土體就對承臺式抗滑樁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗力作用 。該抗力作用在承臺式抗滑樁上，通過承臺式抗滑樁結(jié)構(gòu)間接抵抗滑坡推力。