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三峡库区秭归县由于集镇迁移重建,需要修建许多公路、房屋建筑和港口码头等大规模建设工程,由此形成了大量的人工高边坡急需治理。本文首先深入分析了工作区地形地貌、地层岩性、地质构造和水文地质条件,统计归纳了高切坡地层结构特征和岩土体物理力学性质,掌握了秭归县屈原镇和郭家坝镇境内33处高切坡的工程地质特征。
在总结前人研究成果的基础上,分析了各种因素对边坡稳定性的影响。对控制边坡岩体变形失稳破坏的岩土体力学特征、岩体结构特征、地形地貌条件、岩体应力、地下水、地震作用等主要因素进行了重点分析。分析结果表明:(1)软弱面的粘结力C值仅取决于软弱夹层的性质及其粗糙度,其折减方法与岩石强度的折减方法完全不同,按经验其折减系数一般取0.5,软弱面的内摩擦角φ值也取决于夹层的性质和软弱面的粗糙度,折减系数一般取0.85:(2)岩体中结构面降低了岩体的整体强度,增大了岩体的变形性能,加剧了岩体的流变特性和其它时间效应,并加深了岩体的不均匀性、各向异性和非连续性等性质;(3)人工开挖常常诱使边坡失稳,这主要是由于开挖使得边坡初始应力得到释放,出现应力重分布现象,分析认为边坡岩体的变形、失稳破坏与岩体应力重分布存在着一定的关系;(4)岩质边坡失稳与坡角和层面倾角相对大小有关,层面倾角小于坡角,发生破坏的可能性较大,相反则岩层面滑移的可能性很小,但随着层面倾角增大、边坡变陡,发生倾倒破坏,若节理发育,则发生深层失稳破裂的可能性也较大:(5)水在斜坡中的作用包括软化作用、冲刷作用、静水压力和动水压力作用等,这些作用均不利于斜坡稳定;(6)三峡水库蓄水后,由库水位变化引起的诱发地震是一种常见的地质现象,其对边坡的稳定性的影响较大;(7)爆破荷载对边坡岩体的作用时间非常短暂,目前难以理论计算其对边坡稳定性的影响,在数值模型中也难以实现,一般均不予以考虑。
同时本文也分析了新集镇岩质高切坡破坏的几种典型类型,并研究了顺层边坡滑动、斜交边坡破坏、反倾边坡破坏以及碎裂散体岩体边坡破坏的机理。(1)顺层边坡滑动必须符合三个基本条件:第一个条件是山坡地必须是同倾向边坡;第二是地层或不连续面的倾角要小于坡角:第三个条件是地层或不连续面的倾角要大于潜在滑动面的内摩擦角。顺层滑动的破坏过程可分为四个阶段:蠕动阶段,挤压阶段,滑动阶段和暂时稳定阶段;(2)斜交坡破坏模式和层面、结构面、坡面的空间组合有很大关系,不同的组合型式,有不同的破坏模式。如沿某结构面或几组结构面的复合面发生滑移、拉裂而后滑落、先转动后滑移和先滑移后转动最后倾倒破坏等;(3)反倾边坡主要表现为弯曲倾倒破坏,其破坏过程大致可划分:坡脚破坏、岩体弯曲变形、岩体折断变形和破坏四个阶段。(4)碎裂散体结构边坡大多是由岩体风化而成或受构造强烈影响的保留或部分继承了原岩的结构面的土体物质或破碎岩体物质构成。岩体多为不均一的散体或塑性、弹塑性体,岩体强度和完整性很低。碎裂散体结构边坡稳定性很差,一般受岩体整体强度和特性所控制,可与土质边坡相似对待,滑动面一般呈圆弧状。最后根据研究归纳的结论分析了秭归县新集镇33处高切坡的潜在破坏模式。
从分析归纳结果中得出,本工作区内高切坡的地质条件复杂,破坏模式多样,可以归纳出以下特点:1.在斜交坡和横向坡中最普遍的破坏方式是节理切割的块体崩落、滑移和风化剥落;2.在顺向坡中,最普遍的破坏方式是的是顺层面或层面与节理裂隙的组合面滑移;3.第四系坡积物和覆盖层较厚的所有边坡类型都有沿岩土接触面滑移的可能;4.风化强烈,岩层软弱破碎的逆向坡还会发生切穿岩层的圆弧形滑动。其中后三类破坏规模大、后果较严重的,必须进行重点研究分析,制定合理的防治措施。
本文选择了位于志留系地层,潜在破坏方式为反向坡切层滑动、第四系堆积体内圆弧滑动的ZG0046聚桂路高切坡,位于侏罗系地层,破坏方式为顺向坡顺层滑动、反向坡切层滑动的ZG0053千担湾高切坡的典型剖面,首先利用传统的刚体极限平衡法进行了稳定性分析,然后利用有限元数值分析软件(ANSYS和FI,AC<3D>),建立有限元数值模型,研究分析了边坡开挖和地震力作用对边坡稳定性的影响,并采用有限元强度折减法计算这三个高切坡典型剖面的稳定性系数,将分析结果与刚体极限平衡法计算结果进行对比,发现二者结果间的误差处于可以接受的范围内。而且有限元法能够模拟岩土体的失稳破坏过程,进一步验证边坡变形破坏机制,可以根据边坡材料的破坏准则、应力场、位移场和边坡应力集中区及塑性区的贯通来确定边坡的潜在滑动面,还可研究边坡的逐步破坏过程和机理,跟踪边坡内塑性区的开展情况,因此有限元强度折减法是分析边坡稳定性、研究边坡破坏机理的有效手段。但其也存在缺陷,一般认为C受外界因素影响比Ф大,而强度折减法是等比例折减C、Ф值,且未对其它力学参数进行折减,与实际存在一定差异。
在工作区高切坡工程地质特征分类、破坏模式分类、破坏机理分析和稳定性分析的基础上,分析了本工作区高切坡治理的三种主要治理措施及其加固机理:锚喷网、抗滑挡土墙和格构加固。并以聚桂路和千担湾两处高切坡为例,介绍了其治理措施。