三峡库区侏罗系地层推移式滑坡—抗滑桩相互作用研究

【摘要】滑坡是斜坡破坏类型中分布最广、危害最大的一种地质灾害,其演化过程包含了从孕育、发展直至消亡的整个周期活动。随着我国经济建设的蓬勃发展,大批重大基础设施建设实施过程将受到滑坡灾害的严重威胁。因此,亟需对滑坡治理方法进行系统研究,并据此为工程实践提供科学依据。抗滑桩是滑坡治理的主要措施之一,具有抗滑能力强、适用条件广、施工安全简便、能核实地质条件等突出优点,得到了极为广泛的应用。但目前抗滑桩设计的理论方法还不成熟,抗滑桩承载特性、桩-土相互作用机理以及荷载传递规律等尚未十分明确。为此,深入开展抗滑桩与滑坡相互作用研究是当前迫切需要解决的应用课题之一。在建立滑坡地质力学分析模型并阐明滑坡基本演化特征的基础上,结合三峡库区侏罗系地层岩层结构特征,重点开展了基于推移式滑坡-抗滑桩体系演化过程的桩土相互作用研究,据此延伸出了相关抗滑桩优化设计方法并运用于工程案例。取得的主要研究成果如下：(1)基于“三段式”滑动模式的力学模型,对推移式滑坡与牵引式滑坡的力学成因机制进行了对比研究,讨论了两者的差异性。从地形地貌、地层岩性、地质构造、水文地质等方面分析了推移式滑坡的基本形成条件。总结了三峡库区典型推移式滑坡—新滩滑坡的变形破坏过程和裂缝配套体系的发展规律。从滑坡形态特征、物质组成、结构组成、动力因素四个方面,建立了推移式滑坡概化地质力学模型。提出了模拟渐进推移式滑坡演化过程的推力控制法以及适用于模拟突变推移式滑坡的位移控制法。总结了三峡库区侏罗系地层岩性特征和分布规律,对比分析了软、硬岩层物理力学性质的差异性,提出了软硬相间岩层概化分析模型。(2)采用室内物理模型试验方法模拟了推移式滑坡的演化过程。利用三维激光扫描技术监测滑坡不同演化阶段模型表面点云数据,揭示了滑坡演化规律和裂缝体系的分期配套特征。根据坡表代表性监测点位移时程曲线,采用广义关联维方法,分析了滑坡演化过程中多重分形维数变化规律,并以此为依据,将推移式滑坡演化过程划分为后缘压缩阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段。其中,后缘压缩阶段对应的位移多重分维数呈降维特征,匀速变形阶段时多重分维数整体呈先减后增的变化趋势,加速变形阶段多重分维数表现出增维趋势。运用数值模拟方法再现了推移式滑坡的演化过程,计算结果与模型试验结果基本吻合,验证了推移式滑坡演化过程的阶段性,揭示了滑坡演化过程中稳定性系数的非线性衰减规律。(3)提出了兼顾滑坡自身特征和桩土相互作用的“半模型”试验方法,重点阐述了桩前滑体概化步骤；研发了一种多工况框架式滑坡地质力学模型轻便试验装置,利用该装置可模拟多工况条件下滑坡变形破坏特征与滑坡-抗滑桩相互作用过程；配套研发了一种模拟库水位升降过程的试验设备,可实现水位波动的自动化模拟；提供了一种滑坡物理模型试验多场信息监测方法,能实现滑坡演化过程中位移场、应力场、温度场多场变化特征的精确测量；考虑到干扰信号对试验监测数据的影响,采用LabVIEW程序开发平台,编程实现了基于Butterworth低通滤波器的可视化试验数据滤波软件。(4)通过物理模型试验方法研究了抗滑桩悬臂段与推移式滑坡相互作用过程。①抗滑桩改变了滑坡的演化过程,导致滑坡主要变形阶段占整个演化过程的比例增大,初始阶段比例减小,主要变形阶段的增长量与初始变形阶段的缩短量相当,而破坏变形阶段所占比例基本保持不变；主要变形阶段,抗滑桩发挥了加固效果,将加载作用通过抗滑桩和桩后滑体变形吸收,无桩条件下则通过大范围滑体变形来吸收推力作用；进入破坏变形阶段后,桩后滑体达到了极限承载能力,从桩顶附近剪出破坏,无法继续通过抗滑桩支挡吸收更大荷载,而未植入抗滑桩的滑坡沿着鼓胀变形前缘轮廓线发生剪切破坏。②采用三维激光扫描与计算机辅助检测技术,获取了坡体表面位移场信息,捕捉到了滑坡演化过程中产生的土拱效应现象。③通过桩后与桩间不同埋深处的土压力监测数据的分析,得到了应力土拱的演化规律：随着滑坡后部推力的增大,应力土拱的影响范围扩大,在水平方向表现出土拱拱高的增大,在竖直方向上表现出土拱效应影响范围的扩展；当滑坡由初始变形阶段过渡至主要变形阶段时,应力土拱空间形态变化明显；当滑坡由主要变形阶段过渡至破坏变形阶段时,应力土拱效应变化趋势不明显;滑体达到承载极限后,滑坡模型发生破坏,土压力迅速降低,应力土拱现象消失。④推移式滑坡演化过程中,桩后滑坡推力作用点位置是不断变化的；滑坡推力作用点变化规律与滑坡的演化阶段一一对应；推移式滑坡-抗滑桩体系处于初始变形阶段时,滑坡推力大小缓慢上升,滑坡推力作用点逐渐上升,相同埋深处抗滑桩受到的水平应力值彼此接近；主要变形阶段时,滑坡推力呈线性增长趋势,滑坡推力作用点逐渐下降;破坏变形阶段时,破坏前滑坡推力呈线性增长趋势,但增长速率小于主要变形阶段,滑坡推力作用点缓慢下降并趋于恒定。(5)通过物理模型试验方法研究了抗滑桩嵌固段与推移式滑坡相互作用过程。①抗滑桩桩侧土压力、嵌固段弯矩演化特征呈先增大、后逐渐趋于恒定的变化趋势。嵌固段弯矩、桩侧土压力对加载响应的敏感性随着距离滑带埋深的增大而减小。②抗滑桩嵌固段桩前土压力呈上大下小倒三角形分布规律；抗滑桩嵌固段桩后土压力总体较小,桩底附近土压力较大；抗滑桩悬臂段土压力分布规律呈抛物线型分布。相同加载条件下,嵌固段不同埋深处土压力值变化幅度与滑床岩性有关,以硬岩为主的滑床结构受到的最大土压力值大于以软岩为主的滑床结构,嵌固段发生弯曲变形的中心位置也较高。③抗滑桩嵌固段弯矩值总体满足随距离滑面埋深增加而减小的变化规律；相同岩性条件下,嵌固段最大弯矩值随着岩层倾角的增大而增大；不同岩性条件下,滑带附近以硬岩为主的滑床结构所对应的嵌固段弯矩值大于以软岩为主的滑床结构。(6)桩后滑坡推力分布规律不仅与滑体介质有关,还应该由滑坡演化阶段、地质结构特征、几何形态、岩土体性质以及抗滑结构的受力变形特征等诸多因素综合确定。滑坡推力分布形态总体满足抛物线型分布规律。随着滑体抗剪强度参数的增大,滑坡推力逐渐减小,作用点逐渐上升；滑体内摩擦角对滑坡推力分布的影响比粘聚力敏感；悬臂段中上部,桩身受到的水平应力与坡角、滑带厚度呈负相关关系,而与滑面坡度呈正相关关系；悬臂段中下部,抗滑桩桩身受到的水平应力与坡角、滑带厚度呈正相关关系,而与滑面坡度呈负相关关系；抗滑桩嵌固长度对滑坡推力分布规律的影响较小。滑床岩体结构特征对抗滑桩嵌固段受力与变形影响显著：①滑床岩层倾向为顺倾向时,岩层倾角对抗滑桩受力和变形影响显著,滑床岩层为逆倾向时,影响较小；顺倾向条件下,随着倾角的增大,抗滑桩悬臂段和嵌固段受到的内力绝对值呈增大趋势,桩顶水平位移呈增大趋势,最大弯矩值点、最大剪力值出现的位置呈下降趋势,抗滑桩变形范围逐步扩大。②当层厚比较大时,抗滑桩受力与变形特征由硬岩控制,软岩起辅助作用；当层厚比较小时,受力特征主要取决于软岩,硬岩起辅助作用；随着层厚比的增大,抗滑桩嵌固段承受的最大弯矩绝对值、最大剪力绝对值呈增长趋势,桩顶位移呈减小趋势,抗滑桩发生明显变形的长度减小。③岩层厚度相似比越小,抗滑桩嵌固段单位长度穿越的软弱层位越多,对桩身受力和变形影响越大；岩层厚度相似比达到一定大小后,抗滑桩穿越的硬岩达到一定层厚,桩身受力与变形特征由硬岩控制。④抗滑桩冗余嵌固长度随顺倾向岩层倾角的增大而减小,逆倾向岩层的影响不显著；抗滑桩冗余嵌固长度随层厚比w、岩层厚度相似比v的增大而增大,有效嵌固深度则随之减小；当层厚比w、岩层厚度相似比v分别增大到一定值后,抗滑桩冗余嵌固长度趋近均质硬岩滑床所对应的冗余嵌固长度,有效嵌固长度趋于恒定。(7)基于弹性力学理论,建立了桩后滑体应力分析模型,得到了不同时间(演化阶段)、不同空间位置、任意桩数条件下的桩后滑体应力分布函数,并由此开展了不同桩数、桩间距、桩截面尺寸下桩后滑体的土拱效应研究。探讨了该应力分布函数在抗滑桩设计中确定最大桩间距的运用,以及在物理模型试验中估测滑体空间应力的方法。以滑坡推力及其作用点位置函数关系为基础,提出了基于模型试验结果求解滑坡推力作用位置的方法,据此计算得到了更符合抗滑桩真实受力条件的弯矩值。针对滑床岩体结构特征,对传统线弹性地基系数法“K”法进行了修正,提出了一种软硬相间滑床岩体结构条件下抗滑桩嵌固段内力与位移的计算方法。该方法中引入了岩层倾角α、层厚比w、岩层厚度相似比v0岩层结构特征参数,属于抗滑桩嵌固段内力、位移计算的矩阵分析方法。基于极限平衡理论,给出了一种适用于评价三峡库区侏罗系复合层状岩质斜坡稳定性的方法及实现的技术路线图。该方法综合考虑了岩层几何特征、岩体强度参数的空间变异性,能求解复合层状岩体稳定性系数和搜索最危险滑动面位置。(8)选择三峡库区秭归县马家沟滑坡为研究对象,结合区域地质环境背景,在系统总结研究区工程地质条件的基础上,进行了滑坡稳定性评价和稳定性影响因素分析。以滑坡物理模型试验成果为依据,确定了滑坡推力作用点的区间范围。通过岩层厚度相似比、层厚比、倾角等岩体结构参数,细化了抗滑桩嵌固段与滑床岩层的接触关系。通过与假设滑坡推力呈矩形分布、未考虑滑床岩体结构特征的常规设计方法比较,认为基于滑坡推力作用点位置和考虑滑床岩层结构特征的优化设计方法,更能真实反映抗滑桩悬臂段与嵌固段的受力特征,得到的弯矩和剪力更加合理。对马家沟滑坡防治工程而言,抗滑桩常规设计方法与优化设计方法相比,设计方案偏于危险。本文的主要创新点是：(1)从滑坡力学成因机制出发,建立了推移式滑坡概化地质力学模型,采用室内物理模型试验方法模拟了推移式滑坡的演化过程,揭示了滑坡演化规律和裂缝体系的分期配套特征,根据位移多重分形维数变化规律,将推移式滑坡演化过程划分为后缘压缩阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段。(2)通过物理模型试验方法研究了抗滑桩与推移式滑坡相互作用过程,基于试验多场信息对比分析了抗滑桩对滑坡演化过程的影响。探讨了滑坡演化过程对抗滑桩受力、变形的影响,揭示了推移式滑坡演化过程中桩后滑坡推力变化规律,分析了滑坡推力作用点变化规律与滑坡演化阶段的对应关系。从理论上详细推导了不同演化阶段、不同空间位置、任意桩数条件下桩后滑体应力分布函数。(3)结合三峡库区侏罗系软硬相间岩层特点,提出了复合层状岩质斜坡稳定性评价方法。从岩层倾角、层厚比、岩层厚度相似比方面系统研究了滑床岩体结构特征对抗滑桩受力、变形和有效嵌固深度的影响。基于滑坡推力作用点和滑床软硬相间岩层结构特征,提出的优化设计方法为抗滑桩设计提供了参考依据。
【作者】雍睿；
【导师】唐辉明；
【作者基本信息】中国地质大学，地质工程，2014，博士
【关键词】推移式滑坡；演化过程；抗滑桩；桩土相互作用；模型试验；

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