岩土工程师论文提纲

2022-11-15

论文题目：毕威高速乌木铺高边坡锚索支护模拟及效果评价

摘要：边坡稳定性分析是一种通过分析法或经验法来评价天然或开挖的土岩边坡在动态或静态条件下稳定性的方法。边坡稳定性指的是岩土体在斜坡上抵抗滑动的条件,作为土力学、岩土工程和工程地质学研究的课题,其目的是分析滑坡产生原因及可能存在的滑坡、诱发条件。中国幅员辽阔,拥有960万平方公里的国土面积,但多为山区丘陵地质条件,平原较少。在气候条件、地壳运动和人类活动的影响,泥石流、崩塌、滑坡风化剥落等各种边坡地质灾害层出不穷,给人民群众生命财产安全和正常生活工作需要造成严重危害。近年来,中国特大边坡地质灾害频繁发生,对严重威胁到国民的人身财产安全,近年来,随着中国经济的不断增长,大量的基础设施和能源工程投入建设,这个过程中遇到的边坡灾害问题亟需解决。中国中西部地区大兴告诉公路建设,且高速公路在设计和施工中强调公路线形,与普通道路采用的避山建设的方法存在一定的差异;在市政管理方面,随着房地产业的繁荣,城市土地逐渐成为稀缺资源,住房依山而建时也要考虑边坡灾害防治;其他方面,如新建的山区铁路、水电站、矿山等,由于项目本身建设难度较大的特点,也面临着高陡边坡地质灾害治理的问题。公路边坡的失稳不仅影响交通安全,而且通常还会掩埋公路、中断交通,迫使公路废弃,造成不可估量的经济损失。近年来中国各地因公路边坡稳定引发的惨剧警示我们,公路边坡的安全不容忽视。因此对公路边坡的稳定性和防护方法进行探讨和研究显得尤为必要。中国城市和经济的发展与道路系统的改善息息相关。自2008年以来,中国公共道路网建设范围呈上升趋势,截至2019年中国共有501万公里公路投入使用。中国公路网由各类公路组成,即国道、省道、县道和乡道。截至2018年,中国国道总长36.3万公里,乡道总长110多万公里,其公路密度可达到每100平方公里区域里有50公里以上公路线路分布。随着公路里程的增加,公路边坡的安全问题引人担忧,灾害造成的人员伤亡和财产损失在逐年增加。例如,2012年2月7日,甘肃省永靖县盐果峡镇临山公路发生滑坡,山体滑坡发生后,两辆在高速公路上行驶的汽车坠入黄河,车上的伤亡情况不详。2011年9月23日,湖北恩施利川在建矿区一条公路突然发生滑坡,参与施工的6名工人中,有5人不幸被埋,1人在避难时受伤。2010年8月23日,由于连续暴雨,重庆市城口县太和二路突然坍塌,两名路过的学生遇难。2009年9月15日,兰州市城关区沿石高速公路小大子坪路口发生滑坡,滑坡造成约5000立方米土石方,路面土层厚约3米,40多米的路面被掩埋,造成3人死亡。2007年11月20日,湖北省巴东县高羊寨318国道K1405段边坡发生特大塌方灾害,一辆经过的公交车被坍塌的坡体掩埋,车上31人全部遇难。2007年11月25日,重庆至涪陵高速公路K42+400段发生特大落石事故,落石量近4000立方米,交通中断10小时。2003年10月12日,甘肃省红谷区民门路上一块体积约4.5万立方米的危岩体开裂,从山顶坠落,掩埋了数十辆车辆。2003年5月11日,贵州省三穗县三穗至凯里高速公路施工过程中,山体发生坍塌,塌方总体积约20万立方米,无人生还。2001年5月1日,重庆市武隆县坡北公路高切坡坍塌,一栋9层居民楼被破坏掩埋,造成了79人死亡,4人受伤,震惊中外。如上所述,随着国民经济与公路交通建设的快速发展,公路沿线边坡工程的安全稳定与人民生命财产安全息息相关。公路边坡的防护与治理已成为一个前所未有的重要而紧迫的研究课题。通过对近年来公路边坡失稳的案例进行分析,发现边坡失稳的形式多种多样,边坡失稳的原因也较为复杂。既有自然环境突变因素,也有人类工程活动影响因素。下文对导致公路边坡破坏的主要因素进行了总结。1、水文地质条件通常由地下水的赋存、补给、径流和排泄条件组成。气候条件和水文地质条件决定了地下水的富集程度。地下水富集程度的增加,一方面导致边坡下滑力增大,另一方面降低了结构面和软弱夹层的抗剪强度,增加了孔隙水压力,大大降低了边坡滑动面上的有效法向应力,降低了滑动面的抗滑力。由此可知,地下水富集程度的变化是边坡稳定性变化的重要影响因素。中国与国际上大量文献对边坡水文条件恶化引起的边坡失稳进行了描述,许多边坡加固工程由于改善了其水文地质条件,往往取得了明显的效果。2、21世纪以来,全球极端气候频发,由此引发的公路边坡失稳灾害频繁发生。其中,降雨对边坡失稳的影响最为严重。中国幅员辽阔,各地气候不同,降雨量也各不相同,即使在其他条件相同的情况下,边坡的稳定性也因地区降雨量的不同而不同。特别是暴雨、长期降雨和融雪后,边坡容易发生滑动、坍塌等失稳灾害。近年来,由于降雨引起的大量滑坡、泥石流等边坡灾害对边坡稳定性影响很大。降雨和融雪极大地增加了地下水补给,一方面增加了孔隙水压力,降低了岩土体强度;另一方面减少了土颗粒之间的摩擦,增加了边坡的滑动力,降低了边坡的稳定性。同时,由于气候因素的影响,岩土体的风化速度、风化层的厚度以及风化后岩石的力学和化学性质变化,都会引起边坡稳定性的变化。风化作用主要削弱了岩土体的抗剪强度。边坡岩土体的严重风化会使岩土体中的裂隙增长和扩展,使边坡和坡形发生变化;边坡渗透性的增加使地下水更容易渗透,改变了地下水的动态等。3、随着国家基础设施建设的快速发展,人类工程活动对边坡稳定性的影响越来越直接与明显。近年来,由于人类工程活动引起的边坡失稳事故频发,这增加了人们对边坡稳定性的关注。大量工程实例和边坡失稳实例表明,人类活动对边坡稳定性造成不利影响。针对公路边坡失稳破坏的具体原因和自身的工作特点,长期以来,广大岩土工程师积累了大量的工程实践和科学研究经验,制定了最常用的工程防治措施,其中预应力锚杆（锚索）是最为常见的。边坡加固是矿山、公路、铁路、水电等工程中保证工程边坡稳定和安全的常用方法。目前广泛采用的边坡加固措施有排水、锚索支护、抗滑桩支护、坡顶卸荷、坡脚支墩等。其中,锚索用于边坡稳定的应用由来已久。西方国家从19世纪末开始在各种大型工程中使用锚索,特别是20世纪30年代以后,锚固技术得到了迅速的发展。中国利用锚索进行边坡支护始于建国后的50年代末,并在80年代以来有所改进。在边坡灾害防治方面,中国与国际主要研究机构对锚索的改进均进行了大量研究。本研究以福建省毕威高速公路乌木铺高边坡加固为工程背景,采用大型有限差分软件FLAC3D进行数值模拟,分析支护结构在施工各阶段的受力机理和工作性能,为设计和施工提供参考。乌木铺边坡ZK93+680段是本文研究工作的重点。本研究的主要目的如下:1、详细介绍了FLAC3D软件的主要特点、应用特点、求解流程和分析过程。分析了程序中各结构单元的基本原理和实际边坡加固工程中各构件的可靠性。2、主要介绍了边坡加固的具体处理措施,总结了适应性锚索的施工工艺及施工过程中的注意事项。计算模型选用Mohr-Coulomb准则作为本构关系。3、研究了边坡加固前后支护结构的稳定性。详细分析了边坡水平位移和竖向位移的发展趋势、锚杆的应力、边坡剪应变增量的变化以及边坡的安全系数。边坡在进行开挖后,岩体破碎,节理裂隙与崩塌、溶洞发育,出现了平均宽15cm、长60m的倾斜裂缝,部分锚孔渗漏。由于边坡倾角大,且爆破开挖方法不合理,导致岩体崩落松动,边坡的稳定性极差。为了保证高边坡的安全和抗震要求,采用了自适应锚索对高边坡进行加固。自适应锚索除了具有抗震效果外,也是一种适用于大变形边坡的新型锚索,它允许边坡发生大变形,保证锚索结构不受破坏。为了评价自适应锚索的支护效果,采用FLAC3D有限差分技术。FLAC3D是美国ITASCA公司开发的三维快速拉格朗日分析程序。在FLAC3D中,建立合理的分析计算模型是保证求解结果准确性的首要前提。FLAC3D中通过划分单元网格来定义模型的几何形状,一般来说,网格越细,模拟分析越精确,程序越耗时。本构模型是通过大量岩土试验、岩土塑性理论和一些补充假设得到的应力应变关系,是岩土材料力学性能的经验描述,应根据材料的力学性能和模型的适用特点合理选择。在数值模拟过程中,结构单元和相应材料参数的设置是决定求解是否正确的关键步骤。此外,应根据实际情况设置边界条件和初始条件。建立模型后,求解获得模型达到平衡时的初始状态,然后根据工程的实际情况,进行开挖或者改变其他模拟条件来进行模型的模拟求解,当模型再次达到平衡后,选取各结构单元的力学响应情况来进行分析判断。对于动态分析、多场耦合等复杂问题,可以根据这一求解过程进行分析计算。与ANSYS、ADINA、ABAQUS等有限元软件相比,FLAC3D有限差分法更为有效。本软件的优点和优势是显而易见的:1、采用混合离散法来模拟结构材料的破坏和塑性流动特性。这种方法与有限元法中常用的降阶积分法相比更为准确与合理。2、利用动态运动方程来分析和求解静态系统,使静态问题转化为动态。这种方法在模拟振动、失稳、大变形等物理不稳定过程方面具有独特的优势。采用显式差分法求解微分方程。在显式求解过程中,非线性应力应变关系与算法中的线性本构关系基本一致。与隐式解法相比,节省了大量的计算时间。无疑,作为岩土工程数值模拟软件,FLAC3D更具实用性和专业性,在工程实践和分析中得到了广泛的认证。但不可否认的是,在分析计算的过程中,FLAC3D也存在很多不足,主要体现在以下几个方面:3、网格尺寸对模型的求解时间有很大的影响。对于一般弹塑性问题,FLAC3D的求解时间与网格尺寸成正比,第一次模拟求解的时间对网格尺寸非常敏感,同一模型使用不同尺寸的网格单元,求解时间会有很大的不同。与其他有限元软件相比,FLAC3D在求解线性问题时运行速度较慢。由于考虑了物理过程的时间效应,FLAC3D求解固结过程、长期动力效应、材料流变等时变物理过程所需时间较长。4、FLAC3D的收敛速度由最长自然周期与最短自然周期的比值决定。当计算模型的单元尺寸或材料的弹性模量相差很大时,系统仿真分析的效率较低。地质灾害的数值模拟分析是近几十年来边坡工程研究领域的一个重要课题。各种计算方法和软件系统应运而生。研究者采用这些方法对边坡破坏进行了一系列的模拟研究,取得了大量的研究成果。随着计算机技术和数值模拟技术的不断进步,有关滑坡的数值计算方法得到了迅速发展。此外,数值计算结果的可视化技术使数值模型更加丰富和直观。目前,根据滑移类型的不同发展了一系列数值方法,如Finite Difference（FDM）、Finite Volume（FVM）等,以及一些模型与数值控制方法,如Discrete Element（DEM）、Discontinuous Deformation（DDA）、DAN、Smooth Particle Flow（SPH）、Particle Flow Program（PFC）、Tsunami（Tsunami Ball）等。有限差分法在数理分析及相关仿真软件中得到了广泛的应用。有限差分强度折减理论的原理是保持岩体中的重力加速度不变,FLAC3D有限差分软件将上述理论应用于边坡稳定性分析中。它的优点是能充分考虑到边坡开挖引起的应力重分布和协调变形,能够快速准确地找到滑动面位置。同时,应用FLAC3D的后处理模块可以动态显示广义剪应变增量和塑性区的演化过程。本文基于有限差分强度折减法并借助FLAC3D软件,根据边坡的位移特征、塑性区分布和剪应变等条件,获得了边坡的安全情况。FLAC3D内置了12个本构模型,以满足各种工程分析和研究的需求。其中包括1个空模型、3个弹性模型（各向同性、各向异性和横观各向同性模型）和8个塑性模型（Mohr-Coulomb模型、Drucker-Prager模型、Hoek-Brown模型等）。其中Mohr-Coulomb模型是广泛应用于岩土工程中的本构模型,适用于在剪应力下屈服的岩土材料。Mohr-Coulomb模型中使用了两个参数,即黏聚力c和内摩擦角φ。由于这两个参数可以准确便捷地由实验室测试确定,因此Mohr-Coulomb模型在岩土工程中得到了广泛的应用和推广。本文采用Mohr-Coulomb模型对边坡加固进行数值模拟分析。假定边坡材料满足弹塑性屈服准则和相应的流动规律。弹性模量和泊松比也是描述边坡材料力学性能的两个重要参数。本工程边坡采用10排共30根自适应锚索支护,锚索最大长度35m,间距4m,预应力为1400～1638k N,平均锚固长度为10m,采用FLAC3D的锚索结构单元对其进行模拟。在岩土工程领域,对岩土体与结构相互作用的研究是非常普遍和重要的。然而,由于结构材料的多样性以及各自性能的不同,对其进行研究一直是岩土工程数值模拟中的一个难题。FLAC3D作为岩土工程领域专业软件,提供了丰富而强大的结构单元模型,保证了对结构单元工作性能更为真实准确的模拟。FLAC3D中内置的结构单元包括梁单元、锚索单元、桩单元、壳单元和初衬单元。在边坡加固的数值模型中,可以采用锚索单元模拟土钉支护和预应力锚杆,壳单元模拟喷混凝土面,梁单元模拟框架梁柱。FLAC3D中的结构单元是对实际工程中各结构体系的近似,即为了简化应用,使用单一单元来代替复杂的结构。在软件的结构单元中将圆桩简化为若干个结构节点,并将它们组合成一个桩单元。在结构单元中形成的节点可以与周围的网格或其他结构节点相连,通过这些节点,结构可以与岩土或其他结构相互作用。FLAC3D中提供了锚索结构单元的计算,采用锚索结构单元可以用来模拟实际锚索或螺栓。每个锚索结构单元由其几何参数、材料参数和灌浆特性定义。假设锚索单元是位于两个节点之间的具有相同横截面和材料参数的直线段,锚索表现为弹塑性材料,可以在拉伸和压缩中屈服,但不能抵抗弯矩,可对锚索进行灌浆使力沿其长度发展,以响应锚索和网格之间的相对运动。水泥浆为弹塑性材料,其峰值强度取决于围压,并在破坏后没有强度损失。锚索适用于模拟结构支撑构件,其拉伸能力很重要,可与岩土体发生轴向摩擦相互作用。FLAC3D中锚索的输入一般采用坐标形式,每根锚索根据输入命令生成相应的ID号和节点ID号,锚索节点自动与周围岩土体形成连接,并自动生成连接的ID号。每个连接自动生成一个ID,且每个连接的ID与结构节点的ID不同。计算模型包括边坡岩体、土体和支护结构。大量的仿真分析表明,边界条件的设置范围对仿真结果有一定的影响。一般情况下,前界至坡脚的距离应为坡高的1.5倍,后界至坡脚的距离应为坡高的2.5倍,坡项至底界的距离应为坡高的2倍。为了保证计算的准确性,减少不必要分析计算所耗费的时间,土钉支护和框架预应力锚杆锚固区的网络划分比较密集。模型中有3876个分区,有3876个网格点。计算模型底面固定,采用固定铰支护,坡面和坡顶面为自由边界,左右两侧边界采用滑动铰支护,水平方向受约束,垂直方向不受约束,因此可以产生竖向位移。该模型的建立过程如下:首先将边坡土体材料的本构模型设置为弹性模型,将体积模量和剪切模量设置为较大值,然后生成初始地应力场。由于模型没有位移边界条件,在平衡过程中可能产生较大的位移。此后通过清除各节点的速度和位移,模拟初始应力场下的静力平衡状态。利用FLAC3D软件对锚索加固前后的边坡稳定性进行分析。将锚索按其预应力分为1400k N、1500k N和1600k N三组,模拟了它们对边坡稳定性的影响。数值模拟结果表明,原始边坡潜在滑动面上方土体在大范围区域内沿滑动面方向向外滑出,由于边坡中下部位移最大,因此在施工过程中应注意监测其位移变化。一级边坡采用1400k N锚索加固后,由于锚索的作用,坡顶沉降减小,但边坡中下部的滑动趋势仍然明显。采用1500k N和1600k N锚索对二级交叉边坡进行加固,边坡完全加固后的位移云图表明,在锚索联合锚固下的边坡,其滑动趋势基本消除,二级边坡顶部竖直沉降量和中下部水平位移量均很小,整体趋于稳定。边坡加固前后的水平位移等值线图表明,在加固过程中,边坡的最大水平位移集中于加固前;在安装1400k N和1500k N锚索后,位移量由边坡边缘向边坡内侧逐渐减小;在所有锚索安装后,水平位移量明显减小,从坡顶到坡底表现为逐渐减小的趋势。边坡的竖向沉降主要集中于边坡的中上部以及坡顶。当边坡充分加固后,垂直沉降则仅存在于边坡顶部。在FLAC3D中,采用了强度折减法来计算边坡的安全系数。基于强度折减法理论,FLAC3D对边坡的黏聚力和内摩擦角两个重要的强度参数进行了调整,使之达到边坡破坏的极限平衡状态。此时,边坡可能滑动面的位移和塑性应变将由原来的定值改变为一个动态变化的值,这使得程序难以实现静力平衡,满足应力应变关系与强度指标。另外,由于系统是从力或位移的平衡标准来考虑的,数值计算也无法收敛。为了验证采用自适应锚索支护后边坡的安全性和稳定性,以及不同施工阶段边坡安全系数的变化和发展趋势,采用FLAC3D程序“Solve-fos”命令求解边坡的安全系数。安全系数计算分为三个阶段,即无锚索、仅安装第一组锚索以及安装所有锚索。可以看出,在安装锚索之前,安全系数为1.06,在安装1400 k N和1500 k N锚索之后,安全系数增加到1.13。安装所有锚索后,安全系数增加到1.29。结果表明,边坡分级加固后的自适应锚索的锚固效果较好,边坡基本稳定。验证了自适应锚索分级支护方法在乌木铺高边坡K93+680段加固中的适用性和可行性。同时,基于FLAC3D强度折减法来求解边坡安全系数更为科学合理,为准确确定边坡的真实应力状态提供了理论依据和数值参考。最后,对数值模拟结果和现场位移监测结果进行了讨论。在边坡不同位置处安装锚索测力计,以监测边坡的实际情况以及锚索应力变化的总体趋势。分析表明,K93大桩号边坡开挖支护完成后,开挖卸荷引起的岩体卸荷回弹和应力松弛得到了有效控制,边坡应力调整趋于稳定。监测数据结果分析表明,K93边坡趋于稳定,采用自适应锚索加固后的边坡达到了预期效果。

关键词：边坡稳定性;锚索;数值模拟;FLAC^3D;安全系数;位移分析

学科专业：地质工程

致谢

摘要

Abstract

变量注释表

1 绪论1 Introduction

1.1 公路边坡安全问题(Safety Problems of Highway Slope)

1.2 公路边坡失稳的主要因素(Main Factors of Highway Slope Instability)

1.3 公路边坡主要支护措施(Main Support Measures for Highway Slope)

1.4 研究背景(Research Background)

1.5 研究内容与技术路线(Research contents and Technical Route)