边坡的稳定性分析考虑两个强化的过程

文摘

强度降低方法嵌入到一个截然不同的元素代码被用于分析在煤炭矿区边坡的稳定性,增强两次,主要是与桩挡土墙,紧随其后的是多孔铬钢管无聊灌浆。主要强化的安全系数进行了计算,确定滑动面和破坏机制,损害的现象主要详细分析了钢筋。失败的时候没有进一步加强边坡预测通过应用一种新的定量方法基于监测位移数据。边坡失稳主要强化阶段被这些分析验证。第二加固,效果评估相结合的新因素的安全性和最后的监控数据,验证边坡稳定。特别是,位移和安全系数的变化由于水影响进行了分析。通过这个过程,一个系统性的方法对边坡安全性评价和提出了保证,供工程实践参考。

1。介绍

坡的土壤和岩石材料通常是多孔的不饱和或饱和媒体(1],边坡的稳定性有很大的土壤和岩石材料强度的关系,强化措施,水的影响,地震,和外部负载(2,3]。过程中由于干扰引起的基础设施建设,在雨季降雨,脆弱的地质和地形的变化、土地滑动更经常发生。在工程实践中,山体滑坡,对人类生活和交通安全的潜在威胁不断监测确定,人们可以安全地疏散和财产损失可以最小化或消除。因此,边坡稳定性仍然是一个问题,需要详细分析。在过去的几十年中,研究人员开发了丰富的方法进行边坡稳定性分析。作者建议边坡稳定和安全评估应包括尽可能多的因素。

一般来说,安全系数(FOS)提交计算是一个适当的和方便的方式来评价边坡的稳定性。作为一个传统的和行之有效的方法,极限平衡法(LEM)是广泛使用的由岩土工程师,不仅因为它的简单与更少的输入数据估计安全系数也能够适应复杂的几何形状和变量水土压力条件(4]。例如,刘等人。5)开发出一种高效直接蒙特卡洛模拟(MCS)方法,称为自适应MCS,边坡系统可靠性分析基于LEM;王等人。6)提出了一种三维边坡稳定性分析方法的基础上,锅的最大原则,登月舱的框架下。登月舱尽管所有的好处,有一些关键的不足,如忽略了应力-应变关系的假设许多任意滑面安全系数计算,不能代表一个现实的破坏机理。极限分析方法(LAM),包括上、下边界方法,已被许多研究人员使用和提高边坡稳定性分析自德鲁克和普拉格7应用土力学的塑性极限定理。陈(8有系统地回顾了理论。赵et al。9]提出了一种新的参数反分析方法相结合的2 d / 3 d上界LAM和可靠性理论来准确确定三维边坡的抗剪强度参数与单一的破坏面。采用有限元素和线性规划,斯隆(10,11和金等。12]下界和上界进行分析。虽然LAM是严格意义上的静态容许应力场为下界分析和动容许速度场上界分析,在复杂的实际问题中的应用仍然是有限的,很少用于常规设计。强还原法(SRM)已经被用于边坡稳定性分析早在1975年由Zienkiewicz et al。13]。后来,许多研究人员(14- - - - - -18应用它。SRM的主要优点是,通过减少选择确定临界滑动面强度参数在重力负载,直到发生故障。因此,便于在工程实践中使用SRM为边坡稳定分析。

此外,斜率的故障时间(FTS)是基于监测位移数据的另一个重要的定量方法分析边坡的稳定性。考虑复杂的边界条件,怀疑触发失败机制,geomaterials的异质性,它非常难以预测FTS采用流变理论和岩石断裂力学。实证方法是广泛的首选,这是源自于加速蠕变阶段,从根本上使用位移或形变率的指标。大多数的这些经验方程是基于权力和指数法(19]。根据边坡位移与时间测量失败采取三级蠕变曲线的形式,Terzaghi [20.]表明,蠕变和山体滑坡之间存在联系。斋藤(21,22]结论FTS预测方法在稳态蠕变应变率的实验室测量使用load-controlled三轴测试。Broadbent Zavodni和(23]介绍了一个方程来预测两个阶段的蠕变和失败的时间。Fukuzono [24)通过一个小规模的边坡模型试验研究发现加速度的对数位移与速度的对数成正比的表面位移斜率。后来,Fukuzono [24,25)提出了一个逆速度法预测失败的时候。基于研究Fukuzono [24,25),通过对幂律蠕变理论分析在不同加载条件下,沃伊特[26]推导出速度的相关性,预测时候,失败的时间。重新安排齐藤的方程(21和比较它与Fukuzono [24逆速度法,Mufundirwa [27)发明了一种新的方法称为FTS的SLO预测的方法。

在本文中,作者分析了稳定的边坡加固两次,主要是与桩、挡土墙和第二多孔铬钢管无聊灌浆。使用地质数据,主要强化条件下的安全系数是计算通过通用离散单元代码(模拟)配备剪切强度还原法(SRM),它能够自动定位临界失效面。随后,FTS的SLO方法预测了Mufundirwa [27]。之后,第二次加固效果评价相结合的监测数据和数值模拟结果。此外,由于水变化的位移和安全系数影响进行了分析。通过这个过程中,边坡安全性评价的系统方法,提出了保证今后工程实践参考。

2。工程背景

55米宽斜坡位于煤炭矿区,也是K18 + 170里程附近的京珠高速公路在中国的南部。斜率,由三个步骤组成的,主要是钢筋桩和挡土墙。第一步是由桩和钢筋5米高挡土墙(图1)。覆盖着一个保护框架,第二个是10米高。第三步10米高的保护框架和一排桩顶部。上面的自然斜坡位于这些结构。第二个和第三个步骤与土壤回填为了降低斜坡率从1:0.75 - 1:1。

2.1。工程地质

确定工程地质特征和滑动面,四个勘探孔钻沿滑动方向的斜率。详细的勘探结果表明,边坡的岩性层从上到下由上覆第四纪土(我人工填土,II第四纪冲积层图层0 - 4.8米),高度风化灰岩(4.8 - -6.5米),泥炭层(6.5 - -10.0米),中等风化灰岩(10.0 - -13.75米),碳质页岩(13.8 - -21.0米),其次是薄而微风化砂岩和碳质页岩互层(21.0 - -30.5米)。

地质力学分析方法的基础上,工程师认为潜在的滑动面发生在泥炭层的接口。一个工程地质剖面如图1。

2.2。钢筋结构损伤

2003年10月,约35米的弯曲裂缝后面发现了成堆的第三步(图2(一个))。其形成的裂纹三年之后如图2 (b)。除了这个裂缝外,另一个宽1.5厘米横裂出现在中间第三保护框架,增长30厘米的宽度在2006年1月到了这样一种程度,保护表面的砂浆废墟放松和水泄漏。

2.3。边坡的位移

外貌的相当大的变化,工程师们推断,边坡的位移速率大。由于这条高速公路的原因是交通动脉在中国的南部和背后的煤炭矿区位于斜率,在边坡破坏的情况下,将是一个严重威胁人类生命和运输安全。稳定采取了许多行动,包括安全监测、稳定性分析,rereinforcement,效果评价。位移与时间曲线和位移深度如图3是通过监测位移在表面和深度。大幅增加位移因暴雨发生在2006年5月至2006年7月。指出最大表面位移是约80毫米,而不同的位移变化深度范围从6.5米到8.5米的泥炭层。潜在的滑动面如图1。

3所示。稳定性分析与SRM基于离散单元法

3.1。材料本构模型和接触

莫尔-库仑破坏准则(方程(1)是用来描述块材料的失败。接触是库仑滑动模型的本构模型和残余强度(方程(2)和(3),图4)用于控制接触的反应在正常和剪切方向(28]。 在哪里抗剪强度,是凝聚强度,法向应力,的摩擦角块。 在哪里和分别是正应力和剪切应力,和分别是正常的刚度和剪切刚度,和分别是正常的位移和剪切位移,是联系重叠宽容,和抗拉强度和重叠宽容强度,分别接触的抗剪强度,和内聚强度和残余粘结强度,分别和分别摩擦角和残余摩擦角,然后呢剪切位移增量。

3.2。理论背景SRM的模拟

模拟是一个二维数值程序基于discontinuum造型的离散单元法(28]。力量还原法,选择强度属性是减少直到故障和计算安全系数。该方法通常应用莫尔-库仑破坏准则。在这种情况下,安全系数的定义是根据以下方程: 在哪里的试验值是凝聚力,是审判的价值因素,是凝聚力,摩擦角的试验值,摩擦角。

岩石和土壤的原始强度参数(如和 )调查过程中被测试评估。当进行强度数值模型还原法,选择和小道的强度参数值是通过方程(4和5)。进行了一系列的模拟使用的试验值因素减少凝聚力和摩擦角直到边坡发生故障时(注意,如果最初斜率是不稳定的,和增加,直到找到限制条件)。一项技术找到失败的爆发强度值对应是单调减少(或增加)的强度参数增量,直到找到一个故障状态。

3.3。基本模型

横向和垂直维度的数值模型 ,分别。网格由可变形的三角形区域。较低的边界被认为是固定的,而垂直边界在左边,右手边是假定为在辊,使土壤/岩层的运动。

桩和挡土墙是由一块与相应的材料强度和桩帽刚度是免费的。斜率由两排桩和钢筋挡土墙是一个3 d的问题,如图5。如果使用3 d模拟方法,数值模型将是巨大的和计算时间将增加几次比2 d模拟方法。然而,模拟的是一个2 d软件模拟单元厚度的斜率。出于这个原因,需要做一些桩等效转换。

如图5,滑动在2 d成为一个单位总数的3 d滑动的力量。因为桩的分布是不连续的,桩的抗弯刚度也应该等价转换,这意味着弹性模量和惯性矩应该改变从三维到二维的条件。多诺万et al。29日)提出了一个简单而方便的方法将相同的距离分布结构的材料参数服从有限元分析的等效转换规则。同样,Zhang et al。30.提出了桩的转换方法,本文使用。

桩的长度(1)的上部是28米,和(2)桩的长度是12米的脚趾斜率,分别。桩的截面(1) 每6.5米距离的两桩,桩(2)的部分 6.0 m桩之间的距离。作为桩的一部分(2)插入一个连续挡土墙,很难区分他们。所以只有桩的桩(1)和(2)转换,和桩的插入部分的材料参数(2)被认为是一样简单的挡土墙。指的是张的方法等。30.),桩的宽度(1)和(2)桩3米和2米,分别,这两个的厚度为1米的数值模型。桩的相应参数计算如下:

对桩(1)

的部分桩(2)并没有插入到挡土墙

桩的泊松比为0.2,所以体积和剪切模量可以获得使用以下方程。 在哪里的等价转换弹性模量桩(1)在二维情况下,的弹性模量桩(1)和(2)在三维情况下,的惯性矩是桩(1)在三维情况下,的惯性矩是桩(1)在二维情况下,是两个桩之间的水平距离(1),体积弹性模量,弹性模量,的泊松比(1)和(2)桩,桩和剪切模量。

表1总结了用于分析材料参数。莫尔-库仑本构模型是用于每一层。本研究中使用的土壤或岩石属性最初来自地质勘探。

为了得到不同层之间的联合参数。原位剪切试验应进行或完整的联合应采取斜率和样品在实验室进行测试。然而,上述测试没有进行原位剪切试验的难度和带着完整的样本层之间的联合。从保守的角度,摩擦角和凝聚力的两层之间的联合是假定为一样弱层,接头抗拉强度是不考虑。联合正常和剪切刚度计算使用以下公式(28),等于另一个。 在哪里是最小的相邻区域的正常宽度方向。

3.4。仿真结果

3.4.1。安全系数计算

为了减少左边界对土壤和岩层倾向的影响,我们已经添加了左边的矩形块边界。矩形块具有多层结构和材料参数的值是相同的土壤和岩层倾斜。失败的速度箭头标识使用SRM分析表明,最小安全系数为1.06(图6)。显然,速度第一层的轮廓和桩头大于其他层。坡面运动是主要由前三层引起的,因为这三个高度风化层的模量和强度参数很小。

3.4.2。位移

在横向位移斜率是描绘在图7。它可以证实,有大型表面位移在第二个和第三个步骤中,最大值约为0.3米和0.35米,分别。桩的位移很大的限制,在斜坡的上部,这意味着桩的抗弯刚度是不够的。因此,这种现象是逻辑的方式保护表面灰浆废墟放松在这些步骤。第二步与桩之间,有一个位移差异背后的桩在图所示7。这个仿真结果可以解释为什么桩背后的裂纹增长(如图2)。

3.4.3。滑动面

根据最大剪切应变轮廓如图8层,剪切应变的浮动范围从0.04到0.1由黄色和红色是得出的滑动面。是泥炭层和薄弱层的斜率。此仿真结果坚持深层位移监测数据如图3。边坡的破坏机理是第一个两层滑沿着最弱的泥炭层的强度受水的影响很大。

从仿真结果表现出小安全系数和监测数据证实了大位移率,作者推断出这坡不是安全的主要强化过程和桩挡土墙没有达到期望的目标。指的是数据7和8,可以得出结论,如果斜率运动继续增加,桩将变得不稳定(抗弯刚度不满足要求)和斜率会失败。

4所示。失败时间预测没有第二个强化

在这一节中,作者分析了表面位移监测数据显示在图3并采用SLO方法预测边坡的故障时间(FTS)以来,安全系数非常小。

4.1。理论和预测方法的背景

早在1950年,Terzaghi [20.)得出结论,有一些岩石的蠕变之间的连接或土壤质量和滑坡。之后,许多研究已经发现边坡破坏特征进行相应标准的蠕变曲线。一些研究人员证实,斜坡会变得不稳定边坡的滑动速度加速或位移与时间曲线类似于第三蠕变曲线。有几个法律描述在第三级蠕变位移与时间的关系可以用来预测边坡破坏的时间。这些方法被提出的斋藤(21,22],Fukuzono [24,25],沃伊特[26),福井和大久保31日],Mufundirwa [27),如表所示2。

在表2,在那里是应变速率或速度,是应变或位移, , , ,和是常数,是失败,是时间,是位移, 是速度。

摘要SLO方法用于故障时间预测提出了Mufundirwa [27]。后用位移而不是压力区分福井和大久保的方程31日),方程(9)推导出。

通过重新整理方程(9),方程(10)。 在哪里失败的斜率时间评估 与 曲线方程(10);这种新方法称为SLO方法。

利用监测数据,速度计算使用方程(11),它可以过滤为了抚平短期变形测量数据偏差,可以无关紧要的或可能导致“假”的结果(32]。 在哪里是计算速度点,监测位移,是相应的监测位移,是时间的即时预测,是即时的位移预测。在这个方程中,采样值选择只产生一个积极的速度。

4.2。预测结果

基于四个站点的表面位移监测中提到的人物3显示,预测过程如下。选择方程(10)计算所有数据波动性使用方程(11),预测结果如表所示3(是相关比率)。

图的监测数据3包括记录表面位移从1^圣2006年1月16日^th2006年7月,共196天。然而,预测结果表3表明边坡破坏的时间范围从200到212天,这意味着如果tertiary-like斜坡运动继续(没有任何进一步加强),22日之间将发生滑坡^nd2006年7月1^圣2006年8月。它可以得出结论采样值 比这更大呢 。然而,有几天的差异。

5。第二次强化

5.1。加固方案

为了减轻滑坡,第二强化项目推出后不久在初选中开裂后钢筋结构和大位移斜率被发现。第二强化项目包括多孔钢管无聊灌浆,灌浆区域覆盖第一个从顶部(图三个薄弱层9)。

钢管的直径和分离的距离是90毫米和1.5 m,分别。的直径钻孔安装铬钢管250毫米,和钻孔结束中等风化灰岩的底部。水泥糊剂注入Ø22毫米PVC管,首先流经铬钢管之间的空隙和钻孔,然后进入土壤和岩体孔隙,灌浆压力控制小于2.5 MPa。水泥硬化贴后,铬钢管和周围geomaterials如此强烈的绑定在一起,产生一个小桩。

5.2。效能评估

5.2.1。最后的监测结果

图10 ()描述最终的表面位移监测。因为土壤孔隙压力增加和饱和强度的泥炭层减少雨季期间从2006年4月到2007年7月底,地表位移速率监控四个网站是在一个相对较高的值平均为0.18 -0.41毫米/ d。由于第一多孔铬钢管无聊灌浆的影响,tertiary-like坡面运动位移率在2006年9月至2007年3月有所下降。由于季风在2007年4月,表面位移速率再次平均增加0.12 - -0.22毫米/ d;这就是为什么第二多孔铬钢管无聊灌浆进行了2007年10月后不久。然后开始,边坡位移增长缓慢,平均0.02 - -0.03毫米/ d。位移率在2007年比2006年小,这表明,边坡的变形开始收敛。而在同年,雨季的位移率明显大于其他季节,这表明水对边坡稳定性有巨大的影响。

图10 (b)显示最终的位移监测深度。可以得出结论,斜率的运动主要发生在上面三层的深度0米至8.5米(第四纪土、高度风化灰岩和泥炭层),斜率是稳定在深度(位移率接近于零)。

5.2.2。位移模拟考虑水的影响

考虑到快速增长的位移在雨季期间,水的影响进行了分析。有两个相互竞争的影响边坡变形与水位的崛起:首先,孔隙压力的增加将生成一个有效应力的降低导致抗剪强度退化;第二,水流在接触和进入材料气孔密度和增加会导致解决方案。在数值模型中,我们在接触水可以流动进行模拟,在屏蔽材料、孔隙压力和密度随水位上升。

接触的流量是由(28,33] 在哪里是渗透性因素接触(其理论价值是什么 ), 是液体的动力粘度,是接触液压孔径,是分配给接触长度。 在哪里和压力在域域1和2,分别是流体密度,重力加速度,和是 - - - - - -域中心的坐标。

接触液压光圈是由 在哪里是在零法向应力和接触孔吗是接触正常的位移。

对于块材料,抗剪强度是描述如下(34] 在哪里是块材料的孔隙压力。

与灌浆执行后,第一个三层增加的强度参数。作为一个保守的分析,只有铬钢管和水泥复合桩(直径250毫米)添加数值模型和参数的前三层是不变的。原始参数和等效转换参数,考虑的2 d到3 d效果铬钢管和水泥复合桩(指的是方程(6)、(8)和(9))表中列出4。

摩擦角和凝聚力的两层之间的共同认为是一样弱层。联合正常和剪切刚度计算使用方程(8)。块材料的失败是由方程(15)。在接下来的模拟,我们分配 , ,和 (28]。

位移仿真结果考虑到水位变化影响见图11。数据(11日)和11 (b)显示不同的水位在边坡加固桩挡土墙,然后通过多孔铬钢管无聊灌浆。水的水位表1 - 4代表0 m,在旱季(2006/1/1),在介质(2006/5/16),分别和高水平(2006/8/16)。特别是从水中水位表的增加3到4了整个雨季的影响。图11 (c)显示了两个条件中的位移对应的图(11日)和11 (b)。监控数据的确切位移大于因为斜坡的变形始于2006年之前,但2006年的监测数据初始化。这就是为什么我们的模拟位移大于监测位移。此外,模拟1中的位移明显大于模拟2。表2假定位移在水中(2006/1/1)作为初始位移(0毫米),增加如图11 (d)。可以推断,最大位移增量时斜率是模拟1(主要强化),模拟2中的最低时斜率(所有多孔钢管无聊灌浆完成),监测数据是在最大值和最小值之间。

5.2.3。新安全系数计算

根据不同的水位图11 (b),新的安全系数值计算(图12)。如图12的增加,安全系数降低水位。在最高水位安全系数为1.17,1.39在旱季,1.42不考虑水的影响,比安全系数较高(1.06)灌浆加固。所有的新安全系数值是保守的计算结果,因为只有铬钢管和水泥复合桩考虑参数的数值模型和改进的前三层灌浆是被忽视的。

最小的新安全系数和速度矢量在最高水位如图13。

基于全面引用、监视和数值模拟结果,如图10,表面位移和深层位移的增量速度斜率都变得缓慢;如图12为不同的水位,所有的安全系数值大于1.0。因此,作者得出结论,斜率变得稳定和安全的在第二次加固工程。

6。结论

斜坡的稳定性进行了分析,主要(桩、挡土墙)和二次灌浆加固阶段。为主要的强化阶段,安全系数1.06计算的抗剪强度降低嵌入模拟方法。此外,在桩侧向位移变化,被选为解释背后的现象,裂缝出现成堆的第三步。剪切应变轮廓展示的滑动面位置的最大剪切应变区。事实上,它是最低层的斜率。边坡的破坏机理是第一个两层滑在最低层,即。、泥炭层。旁边,斜率的失败时间预测应用SLO方法在使用tertiary-like斜坡运动的监测数据。结果表明,没有第二个加固方案,22之间的斜率就失败了^nd2006年7月和1^圣2006年8月。安全系数小,故障时间的预测结果,监测数据,网站损害现象都表明,边坡不稳定的初级阶段。第二加强阶段,多孔铬钢管无聊灌浆方案应用两次。当第一个三层的参数通过灌浆加固,增加更新的安全系数提高到1.42。解释最后监测数据和数值模拟,推导出两个结论。一个雨季的位移率明显高于其他季节,水位在安全系数的值有很大的影响。其次,边坡的变形开始收敛,斜率是稳定保持在查看新安全系数和支持监控数据。

获得安全系数的SRM是一个很好的选择对于这种斜坡的破坏机理是这样几个上层最薄弱层滑动。SLO方法是一种创新的方式监测位移数据的定量分析滑坡时间预测。作者强烈推荐系统的方法考虑安全系数,失败时间的预测结果,监测数据,破坏现象进行边坡稳定性分析和加固效果评价。未来的研究将比较更多的工程实践进一步验证该系统的方法。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

魏陈负责方法论、概念化,初稿的写作。李Dongbai帮助在数据管理。马Ting导致监督资源。傅和贡献的资源。Yanpeng Du写道,审查和编辑的手稿。

确认

这项工作是由湖南省教育局的研究基金会(k100 19日)。

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