冻融作用对寒区岩堆边坡稳定性影响研究

发布时间：2017-10-19 01:23

  本文关键词：冻融作用对寒区岩堆边坡稳定性影响研究

  更多相关文章： 冻融作用 岩堆边坡 稳定性分析 室内试验 PFC~(2D)

【摘要】：随着国家“一带一路”政策的推进,高寒一大温差地区基础工程建设业也进入开局之年,低温岩土力学问题被提升到全新高度。考虑到寒区松散岩堆边坡工程地质性质的特殊性、设计施工难度大、治理时间长等问题,因此开展冻融作用下岩堆边坡的稳定性研究具有重要的理论依据和实践意义。以“田桓铁路工程大前石岭岩堆性质及处置技术研究”实际工程项目为依托,通过理论公式计算、现场地质调查、室内冻融物理试验、PFC2D数值模拟等多角度深入探讨冻融作用下的岩堆边坡稳定性。主要研究内容及成果概括如下：(1)推导含有冻胀力和渗流力的剩余推力公式,并计算实际岩堆边坡不同工况下的稳定性。岩堆在天然状态下的隐式解稳定系数Fs=1.27。内摩擦角φ增加1°,稳定系数Fs增加0.045；黏聚力c增加1kPa,稳定系数Fs增加0.007。在渗流作用下,稳定系数Fs从大到小依次是天然无水,1/3,1/2,2/3,1(饱和)。在冻胀作用下,岩堆稳定系数由滑带面结冰后的σv、φ值综合确定。(2)通过实际地形勘察,建立现场大尺寸室内试验,模拟冻融作用下的岩堆边坡稳定性。冻融作用下,岩堆稳定性呈“稳定→不稳定→新的稳定→新的不稳定”的发展态势。开挖后,在初次冻融循环过程中,以坡面表层块体的翻滚或滑移为主；多次冻融循环作用下,岩堆总体处于稳定状态,但如开挖较陡的坡面出现有突发性大规模垮塌。在近20次岩块的冻融试验中,岩体裂隙一直处于“冻胀→融缩”弹性状态。(3)利用离散元PFC2D软件,计算室内试验的岩堆边坡的稳定性。冻胀力发生在深层时,坡角越大,X、Y轴位移越明显,X位移大于Y轴；冻胀力发生在浅层时,坡角越大,X、Y轴位移越明显,Y位移大于X轴。在岩堆边坡中后部冻胀力释放集中,呈现“增长→释放→增长→释放”循环过程,并且持续增长；在岩堆前部,冻胀力释放及时,增长呈现波动现象,但增长幅度很小。冻胀力首先产生在埋深较厚的位置,在冻胀的过程中,冻胀力在冻胀层内沿边坡倾角向下、向上同时传递。中间层的冻胀力最大,两侧的冻胀力逐渐减弱。如果存在冻胀层有露出边坡表面的情况,此处的冻胀力为零。综上所述：从整体计算、外在试验现象、内在冻胀力等多角度,分析了冻融作用下岩堆边坡的稳定性,为寒区岩堆边坡的设计施工提供可靠依据,为后续类似工程提供参考。
【关键词】：冻融作用 岩堆边坡 稳定性分析 室内试验 PFC~(2D)
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU457
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 选题的依据和意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.1 岩体冻融试验研究12-14
• 1.2.2 寒区岩质边坡稳定性研究14-15
• 1.2.3 岩堆边坡稳定性研究15-17
• 1.2.4 颗粒流PFC在边坡中应用研究17-18
• 1.3 研究内容与技术线路18-20
• 1.3.1 研究内容18
• 1.3.2 技术线路18-20
• 第2章 岩堆边坡冻融稳定性计算理论研究20-31
• 2.1 融化状态下岩堆稳定性公式20-24
• 2.1.1 公式推导20-22
• 2.1.2 计算公式应用条件22-24
• 2.2 冻结状态的岩堆稳定性公式24-27
• 2.2.1 冻胀力的选取24
• 2.2.2 公式推导24-26
• 2.2.3 计算公式应用条件26-27
• 2.3 冻融过程中的岩堆稳定性公式27-28
• 2.3.1 公式推导27-28
• 2.3.2 公式说明28
• 2.4 显式解与隐式解的关系28-30
• 2.5 小结30-31
• 第3章 岩堆工程实例计算31-53
• 3.1 研究的意义31-32
• 3.2 岩堆区域的工程环境32-33
• 3.2.1 气候条件32
• 3.2.2 地形地貌32-33
• 3.3 岩堆边坡成因初步分析33-35
• 3.3.1 冻融裂解形成33
• 3.3.2 冻融作用对岩体裂隙影响试验33-35
• 3.4 岩堆边坡块体粒径统计与分析35-40
• 3.4.1 分段统计准备35-36
• 3.4.2 第一段坡面统计分析36-37
• 3.4.3 第二段坡面统计分析37-38
• 3.4.4 第三段坡面统计分析38-40
• 3.5 岩堆边坡的稳定性定性分析40-41
• 3.6 岩堆滑面力学参数的选取41-42
• 3.6.1 滑带分析41-42
• 3.6.2 试验参数42
• 3.7 稳定性理论公式定量分析42-52
• 3.7.1 计算条件42-43
• 3.7.2 天然岩堆边坡稳定性分析43-45
• 3.7.3 浸润线变化对整体边坡的稳定性45-48
• 3.7.4 冰冻层在底层对岩堆边坡的影响48-50
• 3.7.5 不同冰冻层厚度对条块剩余下滑力F的影响50-52
• 3.8 小结52-53
• 第4章 冻融作用对岩堆边坡稳定性影响模型试验研究53-80
• 4.1 工程概述和试验目的53-54
• 4.2 模型试验基本条件54-56
• 4.2.1 试验模拟断面的选取54
• 4.2.2 试验室内外气温统计54-56
• 4.3 物理模拟模型试验构建56-62
• 4.3.1 相似比理论及确定56-57
• 4.3.2 岩堆边坡下卧基岩的物理模拟57-58
• 4.3.3 岩堆边坡岩块的模拟58
• 4.3.4 岩堆边坡角度的模拟58-59
• 4.3.5 试验室的构造59-60
• 4.3.6 物理模拟试验模型箱的设计与构建60
• 4.3.7 试验仪器和设备60-62
• 4.4 冻融作用对天然岩堆边坡稳定性影响分析62-69
• 4.4.1 引言62-63
• 4.4.2 位移计布置63-64
• 4.4.3 试验室温度条件64-65
• 4.4.4 监测数据分析65-69
• 4.5 开挖对岩堆边坡稳定性影响分析69-74
• 4.5.1 试验概述69
• 4.5.2 开挖对岩堆边坡稳定性影响分析69-74
• 4.6 冻融作用对人工开挖岩堆边坡稳定性的影响74-78
• 4.6.1 试验概述74
• 4.6.2 第1个冰雪融化期试验结果分析74-76
• 4.6.3 第2个冰雪融化期试验结果分析76-78
• 4.7 小结78-80
• 第5章 基于PFC~(2D)岩堆边坡稳定性数值模拟80-105
• 5.1 数值模拟的意义80
• 5.2 颗粒流(PFC~(2D))数值模拟理论80-84
• 5.2.1 颗粒流基本介绍80-81
• 5.2.2 颗粒流法基本方程81-83
• 5.2.3 颗粒流法接触模型83-84
• 5.3 数值模型建立的理论基础84-86
• 5.3.1 模型设计流程84-85
• 5.3.2 模型构建理论85
• 5.3.3 边界伺服法建模85-86
• 5.4 岩堆冻胀试验的数值模型86-90
• 5.4.1 模型建立86-88
• 5.4.2 模型参数88-89
• 5.4.3 模型合理性检查89-90
• 5.5 冻胀力分析90-93
• 5.5.1 冻胀力结果分析90-91
• 5.5.2 冻胀力过程分析91-93
• 5.6 冻胀力与位移的计算过程分析93-99
• 5.6.1 后部冻胀力与位移的关系93-95
• 5.6.2 中部冻胀力与位移的关系95-97
• 5.6.3 前部冻胀力与位移的关系97-99
• 5.7 岩堆前部表层的冻胀岩块分析99-102
• 5.7.1 问题的背景99-100
• 5.7.2 饱水石块的室内冻胀试验100
• 5.7.3 数值模拟分析100-102
• 5.8 试验数据与数值模拟对比分析102-103
• 5.9 小结103-105
• 第6章 结论与展望105-107
• 6.1 结论105-106
• 6.2 展望106-107
• 致谢107-108
• 参考文献108-113
• 攻读工程硕士学位期间发表的论文及参与课题113

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