（道路与铁道工程专业论文）路堤桩板墙地震动力分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 昆河线玉溪至蒙自段线路全线位于高烈度地震区( 8 度) ，地质背景 复杂，是中国大陆内强震活动频率最高的地区。该线大量使用了桩板墙结 构。桩板式挡土墙是由抗滑桩发展而来的，桩板式挡土墙可用于一般地 区、浸水地区和地震区的路堑和路堤支挡，也可用于滑坡等特殊路基的支 挡。本文结合玉蒙铁路高烈度地震区特殊路基修建技术研究科研项 目，对地震力作用下的桩板墙结构进行研究。 本文归纳整理了桩板墙结构的研究现状，总结了国内外有关地震作用 下边坡稳定性的一些研究。以玉蒙铁路d k 9 9 + 6 5 9 工点为原型，利用 f l a c 3 d 软件建立桩板墙的三维模型，分析了在静力作用下，路堤加筋 前后抗滑桩的受力和变形情况；采用e 1c e n t r o 地震波作为地震输入信 号，分析了路堤桩板墙结构在0 2 0 9 地震加速度作用下的桩身受力和变形 情况：比较抗滑桩桩间距对其受力和变形的影响，并得出了不同地震力作 用下抗滑桩的受力和变形分布规律。 研究表明：在静力和o 2 0 9 地震力作用下，桩板墙结构都不会失稳破 坏。由于筋带和土体的联合作用，路堤加筋可以有效的改善抗滑桩的受力 和变形情况。桩间距增大至7 m 后，抗滑桩的受力和变形也随之增大，在 0 2 0 9 和o 4 0 9 地震力作用下，桩板墙结构不会失稳破坏。总之，路堤加 筋可以提高了桩板墙结构的稳定性，在8 度抗震设防下，桩板墙结构满足 昆河铁路抗震设计的要求。 关键词：桩板墙；动力分析；地震：应力；变形； a b s t r a c t i nt h ec o n s t r u c t i o no fk u n m i n g h e k o ur a i l w a yi nm e n g z ir e g i o n ，t h e r o u t ei si ns t r o n ge a r t h q u a k er e g i o n 【8d e g r e e ) ，w h e r eal o to fs h e e t p i l e r e t a i n i n gw a l l sa r eu s e d d u et oi t sc o m p l e xg e o l o g i c a la n dg e o g r a p h i c a l c o n d i t i o n s ，m a n ys t r o n ge a r t h q u a k e sh a v eo c c u r r e df r e q u e n t l y s h e e t - p i l e r e t a i n i n gw a l ld e v e l o p sf r o ma n t i s l i d ep i l e s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l lc a n b eu s e dt os u p p o r tc u ts l o p ea n de m b a n k m e n ti nn o r m a la r e a s ，i n u n d a t e d a r e a sa n de a r t h q u a k ea r e a s a sw e l la s1 a n d s l i d ea r e a s c o m b i n gw i t h “t e s t s t u d yo fs p e c i a lr o a d b e dc o n s t r u c t i o n i ny u m e n gs t r o n ge a r t h q u a k e r e g i o n ”，t h i sp a p e rs t u d i e st h es t r u c t u r eo fs h e e t p i l er e t a i n i n gw a l lu n d e r s e i s i m i cf o r c e s ， i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hs t a t u so fs h e e t p i l er e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e i ss u m m e du pa n ds l o p es t a b i l i t yu n d e re a r t h q u a k ea th o m ea n da b r o a di s p r e s e n t e d t a k i n gy u m e n gr a i l w a y d k 9 9 + 659a st h e e n g i n e e r i n g b a c k g r o u n d ，t h e3 - dm o d e lo fs h e e t p i l er e t a i n i n gw a l li s e s t a b l i s h e db a s e d o nf l a c 3 d f i r s t ，c o m p a r et h ee a r t hp r e s s u r ea n dt h ed i s p l a c e m e n to fp i l e b e f o r ea n da f t e ru s i n gt h eg e o g r i d su n d e rs t a t i cb e h a v i o r s e c o n d ，i n p u tt h e e 1c e n t r oe a r t h q u a k ew a v ef r o mt h eb o t t o ma n dc a r r yo nt h ed y n a m i ct i m e h i s t o r ya n a l y s i so nt h ep i l ea n dt h e1 a n d s l i d eb o d ys o a st or e s e a r c ht h e e a r t hp r e s s u r ea n dt h ed i s p l a c e m e n to fp i l eu n d e r0 2 0 9e a r t h q u a k e 。f i n a l l y ， c o m p a r e t h ea s e i s m i c s t a b i l i t y o fs h e e t p i l eo nd i f f e r e mo p e r a t i n g c o n d i t i o n s s o m el a w sa b o u tt h ee a r t hp r e s s u r ea n dt h ed i s p l a c e m e n to fp i l e a r eo b t a i n e db yc h a n g i n gp i l es p a c i n gu n d e rd i f f e r e n ts e i s i m i cf o r c e ，w h i c h i sv a l u a b l et ot h ea s e i s m i cd e s i g no fs h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l l i ti si n d i c a t e dt h a ts h e e t p i l er e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ei ss a f eb o t hu n d e r s t a t i cb e h a v i o ra n d0 2 0 9e a r t h q u a k e a sar e s u l to ft h ec o m b i n e de f f e c t s o fr e i n f o r c e m e n ts t r i pa n ds o i l ，t h es t e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to fa n t i - s l i d e p i l ec a nb er e i n f o r c e de f f e c t i v e l y i n c r e a s i n gt h e p i l es p a c i n gt o7 m ，t h e s t r e s sa n dt h ed i s p l a c e m e n to fa n t i - s l i d ep i l ea l s oi n c r e a s ea n ds h e e t p i l e r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ei ss a f eb o t hu n d e ro 2 0 9a n d0 4 0 9e a r t h q u a k e i n s h o r t ，t h es t a b i l i t yo fs h e e t p i l er e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ec a nb ei n c r e a s e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 a f t e ru s i n gt h eg e o g r i d a l s o ，i tm e e t st h es e i s m i cd e s i g nr e q u i r e m e n ti n k u n m i n g - h e k o ur a i l w a yi ns e i s m i c8d e g r e e s k e yw o r d s ：s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l l ；d y n a m i ca n a l y s i s ；e a r t h q u a k e ；s t r e s s ； d i s p l a c e m e n t 西南交通大学四南文通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密嘭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：糟麦7 指导老师签名： 日期：川以午日期：彦叼” 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文结合高烈度地震区膨胀土( 岩) 路基边坡支护结构试 验研究，用f l a c 3 d 对地震力作用下的路堤桩板墙结构的稳定 性进行研究。首先分析了在静力作用下，路堤加筋前后抗滑桩的 受力和变形情况；其次分析在0 2 0 9 地震力作用下的桩身受力和变 形情况；最后通过调整桩间距分析比较桩距对抗滑桩受力和变形 的影响，并得出了不同地震力作用下桩身内力及桩身变形的一些 分布规律。 前亟 州6 。斗j 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 引言 玉( 溪) 蒙( 自) 铁路是云南国际铁路连接中越铁路的首段，是国家 西部铁路网的重要干线铁路。该线位于云南省滇南地区，沿线经过玉溪 市、通海县和红河州建水县、个旧市、蒙自县，经昆河米轨铁路至边境口 岸河口与越南铁路网相连，形成云南出境的国际铁路通道。玉蒙铁路新建 正线长1 4 1 0 6 3 k m ，设计标准为国铁i 级；旅客列车设计行车速度为每小 时1 2 0k m ，电力牵引；沿线设1 4 个车站，其中预留会让站6 个；设计输 送能力为每年货运量1 0 0 0 万吨，旅客列车为每日1 5 对。玉蒙铁路的建 设，标志着我国建设西南进出境国际铁路通道进入了实质性的实施阶段， 不仅对于我国加强与东南亚各国的联系、扩大对外开放与交流合作具有重 要意义，而且对于完善云南铁路网布局，缓解铁路运输供求矛盾，加快 “昆河经济带”的发展有着重要作用。 我国铁路正实现跨越式发展，近年来，我国铁路每年投产新线都超过 10 0 0 k m ；铁路建设和科技进步明显加快，目前在高原铁路、既有线提 速、重载铁路、客运专线等领域，取得了一系列重大建设成就和科技成 果。铁路路基作为轨道结构的基础，必须具有强度高、刚度大、稳定性和 耐久性好的特性，并能抵抗各种自然因素的影响。因此，在设计中一方面 必须加强路基的稳定性和沉降变形控制，另一方面要提高特殊状况下( 如 地震时) 的稳定性和沉降变形控制标准。 我国是一个多地震的国家，因地震而导致的滑坡灾害非常严重。最早 关于地震引发崩、塌滑坡的记载当数公元前7 8 0 年岐山地震，国语 记载：“周幽王二年，径洛渭三川皆震，川竭，岐山崩。 1 7 18 年发生 在我国甘肃的笔架山山崩由地震诱发( m = 7 5 ) ，酿成4 万人死亡的惨重 灾害。1 9 7 3 年发生于四川省炉霍境内的7 9 级地震，诱发各种规模滑坡 1 3 7 处( 西藏三江地区就有数1 0 处) ，滑坡面积达9 0 k m 2 ，死亡人数 2 1 7 5 人。2 0 0 8 年发生于四川汶川县的8 级大地震，使震区城乡遭到毁灭 性的打击，屋倒房倾，生灵涂炭。在国外，也有很多由于地震崩滑引发灾 难的著名例子。例如，1 9 6 3 年发生在意大利的瓦依昂( v a i o n t ) 水库的特 大滑坡，造成约3 0 0 0 人丧生，水库下游的朗加朗市完全消失，震惊世 界，成为人类历史上最严重的自然灾害之一。1 9 9 4 年加州n o r t h r i d g e 地 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 震( m = 6 7 ) 引发1 1 0 0 0 多个滑坡，影响面积达1 0 0 0 0 k m 2 ，经济损失高 达3 0 0 亿美元。由此可见，地震给人民的生命财产和生产活动带来的危 害和影响是多么巨大。 玉蒙铁路全线位于高烈度地震区( 8 度) ，线路经过膨胀土( 岩) 地 区共有1 4 段，总长度达6 2 0 6 2 k m ，占线路总长度的4 4 0 。沿线膨胀土 以分布于斜坡上第三系表层的第四系坡残积层为主，部分为冲洪积和坡积 层，一般厚o - 2 m ，局部厚度大于15 m 。据取样试验，其自由膨胀率为 4 1 7 3 o ，为弱 中膨胀土( 岩) 。此外，该线的膨胀土( 岩) 以第三系 泥岩为主，岩石成岩作用很差，据选做自由膨胀率的2 4 2 组土工试验， 有16 6 组的膨胀率达4 0 o ，最大达到1 3 6 ，初判为中强膨胀土 ( 岩) 。高烈度地震及膨胀土( 岩) 是该线突出的路基工程地质问题。 膨胀土( 岩) 具有非常明显的区域性，膨胀土( 岩) 地区路基的稳定 性与区域膨胀土( 岩) 的工程性质有关，其它地区的工程经验只能借鉴， 不能照搬。因此，针对玉蒙线高烈度地震区和膨胀土( 岩) 路基，从路堤 长期稳定性角度出发，研究并提出合理经济的路堤结构型式，解决膨胀土 ( 岩) 地区路基填料不足，减少取弃土，就显得尤为重要。 1 2 选题背景和意义 尽管边坡支护一直是土木工程中的重要研究课题，在岩土工程或土木 工程领域占据相当重要的地位，多年来有许多学者致力于这方面的工作， 其内容不断丰富。但是在边坡稳定分析问题如此突出的今天，我们仍可看 到这些理论存在着诸多的不足和有待改进的地方。桩板墙结构常用于超高 的支挡结构，也用于处理边坡，目前已被广泛的运用于各类建设工程中。 作为一种挡土支护结构，由抗滑桩发展成的板桩墙在公路、基坑支 护、水工结构等工程中也得到了广泛的应用。桩板墙又名桩板式抗滑桩， 是由半埋式单桩及在两桩之间逐层安设或浇筑的挡土板组成。桩板式挡土 墙系钢筋混凝土结构，利用桩深埋部分的锚固段的锚固作用和被动土抗力 维护挡土墙的稳定。桩板式挡土墙适宜于土压力大，墙高超过一般挡土墙 限制的情况，地基强度的不足可由桩的埋深得到补偿。桩板式挡土墙可作 为路堑、路肩和路堤挡土墙的使用，也可用于处治中小型滑坡1 1j 。 由于桩板式挡土墙的高度可不受一般挡土墙高度的限制，在减小工程 数量、缩短工期、降低成本、节约投资方面，桩板墙这一结构相比于桥梁 方案和其他挡土墙方案在高陡边坡路段及车站地段有着明显的优越性，且 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 施工简便，外型构造美观，运营后养护、维修费用低，因此作为一种挡土 支护结构，由抗滑桩发展成的桩板墙在公路、基坑支护、水工结构等工程 中也得到了广泛的应用 二j 。 然而，在桩板墙的设计中，桩身主要按抗滑桩的设计进行，但是传统 的抗滑桩设计理论和计算方法，至今尚未完全统一认识，有待研究。关于 挡土板的计算，目前一般板的结构计算模型简化为“简支梁型”和“两端 固定型”两种类型，实际工程中简化简支梁型较多。由于桩土之间的相互 作用，对于挡土板后土压力的计算是否考虑卸载拱原理和不考虑卸载拱原 理计算，显然在钢筋的配置上存在着一定的差异，这也是有待于研究的问 题【3 】o 随着社会的发展，设计人员环保意识的日益提升，为了更好的强调设 计与环境的协调性，就产生了将传统的桩板墙中直立式挡土板改良成斜插 式的挡土板的设计，从而将挡土板与墙背形成一定的角度的绿化槽，达到 与环境协调的一致性。虽然桩板墙工程在防护路基边坡时有其独特的优 点，但目前它与土体的相互作用机理还不甚清楚，常常出现了设计过于保 守的现象，大大地浪费国家和人民财产。 膨胀土是自然地质形成过程中产生的一种多裂隙并具有显著胀缩性的 地质体，分布十分广泛，对各类浅表层轻型工程建设具有特殊的危害作 用。膨胀土的粘粒成分主要由强亲水性矿物蒙脱石及其混层粘土矿物组 成，具有固结性、裂隙性、吸水显著膨胀软化，失水收缩开裂且反复变形 等与正常固结粘性土不相同的工程性质。膨胀土的上述特性使其严重影响 路基工程的安全稳定。因此，结合玉蒙铁路的建设，开展高烈度地震区特 殊地质条件下路基的修建技术研究，对指导现场施工，确保路基工程的稳 定，具有重要的工程意义。 我国存在广泛的地震活动分布带，由于目前对桩板式挡土墙在地震作 用下的响应认识不够深入，使得这一经济合理的工程结构在运用上受到了 很大的限制。玉蒙铁路沿线经过川滇菱形断块的东南端，地质构造复杂， 新构造运动强烈，是我国大陆现今地壳构造运动最为强烈的地区，以活动 断层规模大，分布密集，地震活动频繁，震级大，地震破裂带长，位错量 大为主要特征，多数地段均在8 度地震区域上。线路经过膨胀土( 岩) 地 区共有1 4 段铁路，主要以斜坡上第三系表层的第四系坡残积层为主，部 分为冲洪积和坡洪积地层。为此，结合中铁二院项目“高烈度地震区膨胀 土( 岩) 路基边坡支护结构试验研究 ，对玉蒙线d k 9 9 + 6 5 9 处开展了 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 高烈度地震区膨胀土路堤桩板墙结构稳定性的研究。根据膨胀土( 岩) 的 特点，研究膨胀土( 岩) 作为填料的前提下，路堤边坡的稳定性。讨论桩 桩板墙结构的可行性和设计参数，优化合理经济的路堤结构形式，即在保 证工程安全前提下，使桩板墙工程的受力更合理、造价更经济。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 桩板墙研究现状 桩板式挡土墙是由锚固桩发展而来的，常用于超高的支挡结构，也用 于边坡处理。当路基边坡采用悬臂式锚固桩支挡时，存在桩间支挡类型选 择问题，桩间挂板或搭板就形成了桩板墙。桩板式挡土墙可用于一般地 区、浸水地区和地震区的路堑和路堤支挡，也可用于滑坡等特殊路基的支 挡。 2 0 世纪7 0 年代初在枝柳线上首先将桩板式挡墙应用在路堑边坡中， 后来在南昆线上应用到路堤中，由于经验的不断积累，这项技术也日臻成 熟，1 9 9 2 ，1 9 9 3 年铁路系统有关单位分别编制了路堑式、路肩式桩板墙 通用图。为了节省锚固桩圬工，减少路堤填方，后来又出现了变截面桩 板。1 9 9 4 年岩质地基单线和双线路肩式桩板墙通用图的颁布，使这一形 式得到进一步的推广i l3 | 。 当桩的自由悬臂达到或超过1 5 m 时，以往曾发生施工过程中桩位移 过大甚至折断的现象。如京九线赣龙段某路堑式桩板墙，最大的悬臂达到 1 8 m ，当路基开挖到路基面以后不久就发生桩断墙倒的事故。事故的原因 虽然很多，但与悬臂太长也有一定关系。为了解决陡坡路基高挡土墙的设 计施工问题，工程实践中开始使用预应力锚拉式桩板墙和锚索( 杆) 桩板 墙1 13 1 。 被誉为“世界第一墙 、“精美的百叶窗”的南昆线石头寨车站锚拉 式桩板墙，就是一种桩板墙和锚拉设施结为一体的创新结构。该墙全长 2 0 0 m ，地面以上墙高多达2 0 m ，最高达2 4 m 。铁道部l9 9 9 年评审认 为：南昆铁路路基工程方面，石头寨预应力锚拉式桩板墙技术指标达到国 际先进水平。1 9 9 9 年8 月中国企业新记录评审委员会公布确认该墙创造 同类挡土墙高度的最高记录l l 引。 根据桩板墙类型的不同，兼有以下优点【：】： ( 1 ) 桩板墙结构能够较好地将上部变形体和下部锚固段岩土体连接 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 成一个共同作用体，将上部变形体剩余下滑推力传递给下部稳定岩土体。 利用其自身强大抗弯能力，在阻止上部变形体出现过大的侧向变形的同 时，能够较好地协调两部分岩土体侧向变形差异。 ( 2 ) 桩板墙能有效改善因开挖引起的坡脚应力集中现象和上部拉应 力现象，避免岩土体，因过大的应力集中而导致塑性破坏。 ( 3 ) 抗滑能力强，圬工数量小，在滑坡推力大、滑动带深的情况 下，能够克服抗滑挡土墙难以克服的困难。桩位灵活，可以设在滑坡体中 最有利于抗滑的部位，可以单独使用，也可与其他建筑物联合使用。分排 设置时，可将巨大的滑体切割成若干分散的单元体，对滑坡起到分而治之 的效果。 ( 4 ) 可以沿桩长根据弯矩大小合理地布置钢筋，因此相同条件下， 比一般不能分段布置不同数量钢筋的桩( 如管形桩、打入桩) 要经济。施工 方便，设备简单。对于水利工程中常常遇到的大型滑坡，桩体可采用人工 挖孔桩，采用混凝土或少筋混凝土护壁，即使在地质条件较差的情况下， 也可做成二、三十米深的大型抗滑桩，有力的提高边坡稳定性并且安全、 可靠。 ( 5 ) 间隔开挖桩孔，不易恶化滑坡状态，利于整治正在活动中滑 坡，利于抢修工程；通过开挖桩孔，能够直接校核地质情况，进而可以检 验修改原设计，使之切合实际。 桩板墙的应用绝大多数取得了成功，个别失败者主要是因为滑坡性质 定得不准，如滑面位置、滑坡范围、滑坡推力，或设计参数定得不准，如 地基抗力系数等，造成桩的埋深不足而倾倒或折断。因此，桩板墙失效的 主要原因就是桩体的失效破坏。经总结，桩板墙在设计上主要有以下几个 问题值得注意： ( 1 ) 目前抗滑桩的设计计算理论和计算方法还不成熟。传统设计计 算理论所采用的许多假设都在不同程度地回避了桩一土相互作用的全面分 析，即回避了土拱效应的分析。 ( 2 ) 桩板墙中对抗滑桩合理尺寸，间距以及悬臂高度的确定。 ( 3 ) 斜插式挡土板的设计，计算方法等。 1 3 2 膨胀土研究现状 膨胀性土( 岩) 是当今工程地质学和岩土力学领域中最复杂的世界性 难题之一。美国每年由膨胀土( 岩) 造成的工程建筑物损失甚至超过地震 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 和飓风。我国阳安线、焦枝线建成通车后若干年，每年治理膨胀土引起的 病害累计超过修建时的投资，对铁路运营造成极大的安全威胁。南昆线通 过的广西、云南等地膨胀土( 岩) 地段路基病害严重，甚至成为提速的瓶 颈1 4 j 。直到2 0 世纪3 0 年代后期膨胀土的问题才得到了土力学工程师们的 重视，1 9 3 8 年美国在一座大型基础工程的重大事故中首次认识了膨胀性 地基的严重性。1 9 5 9 年，美国在科罗拉多州召开了首次全国性的膨胀性 粘土学术会议，1 9 6 5 第一届国际膨胀土研究会议在美国得克萨斯州举 行，为工程地质学开辟了一个崭新的研究领域。1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英 国、美国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范 等文件中增列了有关膨胀土的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的 重视及对其所采取的科学态度| 5 j 。世界上迄今已经发现存在膨胀土的国家 达4 0 余个，遍及五大洲。每年因膨胀土造成的损失估计大1 5 0 亿美元以 上。 随着我国经济建设的迅猛发展，高速公路、高速铁路的大量修建，膨 胀土的危害和破坏日渐增多。由膨胀土引起的破坏作用包括：滑坡、坍 塌、结构物破坏、路面变形、开裂、路基翻浆冒泥、以及水土流失等生态 环境破坏。我国膨胀土及其工程地质问题具有显著特点：( 1 ) 分布广， 先后有2 0 多个省市发现膨胀土，其中广西、云南、四川、河南、湖北、 安徽等地最为突出；( 2 ) 类型多，各种成因类型的膨胀土如沉积类、残 积类、岩溶侵蚀类都有；( 3 ) 性质复杂，膨胀土工程问题不仅与土的成 因、时代和演化历史有关，而且与气候环境( 干早、半干早的热带、亚热 带气候) 、工程与膨胀土相互作用密切相关。 近年来，国内铁路、公路、水利、建筑等部门以及大量的科研院所 对膨胀土展开了大量研究，并取得许多重要成果。研究主要开展在以下几 个方面：( 1 ) 理论计算与分析：从膨胀土的判别，结构稳定的本构方程， 结构有限元模拟等方面，特别是关于非饱和膨胀土的弹塑性本构研究做得 比较多；( 2 ) 试验研究：膨胀土是一种特殊土，具有特殊的工程特性， 工程师们对膨胀土的素土性质以及改良土的物理力学性质展开了系列试 验。膨胀土改良主要应用石灰、粉煤灰、水泥以及二灰( 石灰和粉煤灰) 等无机材料进行改良，研究集中在不同参量比下的改良性质的测试； ( 3 ) 工程处置技术研究：针对不同的工程、不同的地形地貌，采取不同 的处置技术，主要采取了换填法、封闭包盖法、土工织物加筋包盖法、注 浆法、刚性柔性支护法等处理边坡、路基、坝基等i j 。国内许多学者， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 如廖世文pj 、刘特洪滞j 、李生林1 9 等对多年来膨胀土研究所取得的成果 进行了系统的归纳总结。以下主要就膨胀土强度特性、膨胀土边坡稳定 等几个方面国内研究现状与进展进行简要评述。 在土坡破坏理论和抗剪强度取值方法研究方面，不同的学者在各自 研究的基础上提出了不同的理论和选取强度的办法，加深了对膨胀土强 度特性及破坏机理的认识。l b j r r u m 提出了渐进性破坏理论，认为由 于裂隙的存在和开挖边坡所产生的应力释放，造成膨胀土强度的不均匀 性和应力差异，当土中某一点的剪应力增加到等于该点土的抗剪强度 时，则该点产生剪切破坏。a w b is h o p 提出了滞后破坏理论，认为膨 胀土堑坡由于应力集中和吸水等原因会造成土质软化，因而使c7 随时 间而减小引起滞后破坏。朱梅生提出了极限平衡一弹性理论，认为，膨 胀土边坡的首次滑动是因为坡脚附近首先产生剪切区( 塑性区) ，该区 由于应变软化而强度降低，从而导致坡体破坏。据此，他建议穿过剪切 区的滑弧采用残余强度，剪切区以外的滑弧采用峰值强度。另外在地表 拉裂区范围内的强度取为零。潘君牧提出了气候作用层分带法，认为， 边坡土体在气候引起的风化作用下，作用层的强度会随时间衰减，从而 引起边坡的破坏。他根据边坡土体风化程度随深度的变化分为三层，1 层为强风化层，土体破碎，能充分蒸发，并迅速吸水，干缩湿胀尤为明 显，建议采用残余强度：2 层为过渡层，采用峰值强度与残余强度之平 均值；3 层为未风化层，可视为保持原状土的性质，采用峰值强度。廖 世文提出了胀缩效应法，认为，膨胀土边坡的变形演化实际上是土体在 风化营力作用下，由于反复干缩湿胀效应，其抗剪强度逐渐衰减的过 程，并建议采用模拟边坡土体干缩湿效应的方法测试膨胀土的抗剪强 度。廖济川提出了分期分带法，认为，确定膨胀土的抗剪强度考虑以下 三个方面：( 1 ) 强度分带的界限。为使界限明确，按地下水位上下分 别取强度值：( 2 ) 强度使用期限。按短期及长期稳定分别取不排水及 排水强度值；( 3 ) 膨胀土的工程特性。对胀缩性考虑长期浸水或干湿 效应，对超固结为渐进性破坏，对裂隙性为裂隙状态。刘祖德、李柏乔 等建议了分段取值法。d g f r e d l u n d 等人提出以两个独立的应力分量 ( 仃一甜。) 和( “。一甜。) 来表达非饱和土的强度，其成果己得到国际公认和局 部采用，但由于目前的吸力测试技术仍较繁难复杂，所以也未能在工程 实践中大量应用。索洛昌、吉勃斯、廖济川、柯尊敏、b h 、包承刚等 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 oj 对胀缩性对膨胀土的抗剪强度的影响进行了研究。对膨胀土的抗剪强 度问题，正由初期只考虑膨胀性而逐渐趋向考虑较符合工程实际的受荷 条件及干湿效应下的抗剪强度。强度的降低值也由定性而渐趋定量。 l b j r r u m 、廖济川、t i e d e m a n n 、h v o r s l e v 、h e i f e l i 、 s k e m p t o n 、l e e 、k a nj i 、李妥德、张颖钧、赵泽三、b o z o z c k 、k y 、 r i z k a i l a 、马骥、许年金、曹可之、湛壮丽等对超固结性和裂隙性对膨胀 土的抗剪强度的影响进行了研究。对超固结性膨胀土目前多集中在渐进性 破坏的机理及残余强度的研究，但在工程实践中如何合理应用残余强度还 没有得到很好解决。裂隙性对膨胀土的抗剪强度的影响主要表现在应力应 变关系、试样大小和使土体软化方面。从现场发生的滑动面来研究裂隙分 布及土体中各类型的强度一反算法，这一较合理的途径得到了大力的研 究，但反算法结果的可靠性取决于滑动面形态的精确度及理论分析的合理 性。总的看来，对膨胀土的研究以对原状土的研究居多，对重塑土的研究 相对较少。柯尊敬对膨胀性填土在不同浸水条件下膨胀后的抗剪强度进行 了研究。卢肇钧j 、李生林、刘特洪对击实膨胀土及混合土的强度进行 了研究，建立了一个描述填筑土的强度与填筑条件的经验关系，并对膨胀 土分类填筑接触面的强度变化趋势作了一些探讨。廖世文、余镇麟、王 小军、赵中秀、余湘娟、王嫒、基文贵、李妥德、黄赓祖、马时冬、刘 麟德对膨胀土改性土的性质进行了研究。 国内外不少学者对膨胀土滑坡机理、滑坡的基本特性即牵引性和浅 层性进行了探讨。李妥德、李秉生、廖济川、扬成斌、p e c k 、r b 、李 伟、王帧等对膨胀土坡的稳定性计算进行了较专门的研究，提出了静力 平衡分析法，判别分析法、简易设计法等边坡稳定分析法，黄尚燕对膨 胀土路堤边坡的破坏模式、稳定性分析方法进行了分析和探讨。 膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的高塑性粘土。受大气降 水和风化作用的影响非常显著，其反复胀缩变形及相应引发的强度衰减特 性对膨胀土边坡存在长期潜在的破坏作用。大气环境干湿循环变化引发膨 胀土表层土体反复胀缩变形和产生大量裂隙，进而导致边坡浅表层土体崩 塌破坏。该类型破坏多发生在降雨过程中或紧随其后；在水的作用下，膨 胀土最明显的特征就是强度参数的衰减。 含水量是土的基本物理性质指标之一，对于膨胀土而言，其一系列性 质均与含水量相关，由于受自然条件、地质环境或工程建设活动的影响， 土体水分常有变化，在这种情况下膨胀土的物理力学性质也随之变化。膨 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 譬 胀土的强度较一般粘性土更为复杂，1 4 l 。在国内外的膨胀土的研究中， 过去过多的偏重于膨胀与收缩一即变形性质的研究，对其强度还缺少系统 的研究。非饱和土膨胀土的强度既有一般粘土的共性，又有别于一般粘土 的特性。这种强度的变化与其结构、吸力、裂隙等因素的变化密切相关， 当然还与膨胀土所处的状态、外部压力以及环境有关卜r 7 1 。 膨胀土路基病害多为边坡表层失稳破坏的实际，在对路基作整体稳定 性分析的基础上，充分利用土工格栅的抗拉强度、土与网格的相互咬合摩 擦作用，一方面，通过土中铺设网格吸收部分土体因干燥失水收缩产生的 收缩应力，抑制边坡土体开裂的宽度和深度，防止坡面产生严重开裂为外 界环境水分入浸提供通道，另一方面，土中加网格又可抑制因水分进入坡 面引起膨胀土体膨胀、松散，提高路基表面土体的整体性和抗剪强度，对 工程实践中具有指导作用1 18 。二1 】。 1 3 3 边坡稳定性研究 边坡研究的基础理论是建立在土力学和岩石力学之上的，所以土力学 和岩石力学的成就与发展决定了对边坡研究的完善程度。二次世界大战前 后，边坡问题的研究尚属土力学的研究范畴，边坡稳定性分析方法主要借 鉴土力学的研究成果，例如1 9 16 年由p r a n t l e 提出，f e l l e n i u s 和 t a y l o r ( 1 9 2 2 ) 发展的圆弧滑动法、1 9 5 5 年的b i s h o p 条分法、1 9 5 4 年的 j a n b u 条分法和2 0 世纪7 0 年代的王复来分析方法等形成极限平衡理论， 使建立在刚塑性体模型基础上的破坏理论，是古典土力学解决土质边坡稳 定性的核心。而现代土力学致力于土体真实破坏理论，它的建立可能要运 用到损伤力学、细观力学和分形理论等现代力学分支，最后要完成对边坡 破坏过程的数学模拟1 1 ：l 。 岩石边坡的研究依赖于岩石力学的发展，早期人们将简单均质弹性、 弹塑性理论为基础的半经验半理论边坡分析方法用于岩石边坡的稳定性研 究，但其结果与工程实际有较大差异。在2 0 世纪6 0 年代初期，随着大型 工程的建设，所形成的边坡规模加大，地质条件也变得极其复杂，特别是 1 9 6 3 年意大利v a i o n t 水库的滑坡等一系列水电工程事故的发生后，促使 人们对岩石力学进行深入的研究，岩石边坡稳定性研究也向前迈进了一大 步，人们清楚地认识到在边坡稳定性分析中，必须将地质分析与力学机制 分析紧密结合起来，从而形成了6 0 年代初期的刚体极限平衡理法，以及 结构面的力学特性对岩体滑动的影响研究。1 9 6 7 年人们第一次尝试用有 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 限元研究边坡的稳定性问题，给定量评价边坡的稳定性创造条件，并使其 逐步过渡到数值方法，从而使边坡稳定性研究进入模式机制和作用过程研 究成为可能，同时以概率论为基础的可靠度方法也被引入边坡稳定性研究 中。同一时期，我国在边坡工程稳定性方面也取得了丰硕的成果，如岩体 结构理论及相应的边坡工程稳定性分析的岩体工程地质力学方法等【二引。 在2 0 世纪8 0 年代后，由于计算技术的发展及岩体力学性质研究的进 展，各种复杂的数值计算方法广泛地应用于边坡研究。1 9 8 3 年孙玉科对 盐池河山崩变形机制作了平面有限元分析；19 8 9 年陈宗基对抚顺露天矿 边坡按照1 9 0 、2 4 0 、3 4 。的坡角以及坡角为1 9 0 并有深部开采的不同模式 进行有限元分析；1 9 9 1 年j o n s 对英国威尔士煤田边坡稳定性与采矿沉陷 性状的相关性进行了有限元分析，并用模型实验进行验证。l9 7 1 年 c u n d a l l 提出了非连续介质的离散元，用于模拟边坡的渐进破坏，1 9 9 1 年 t o s h i h i s a 运用该方法分析了日本3 0 5 国道的岩石边坡的破坏过程：1 9 8 6 年f l a c 的出现，为边坡分析提供了一种极其有效的方法，它不但可以处 理大变形问题，而且可以模拟某一软弱面的滑动变形，能真实反映实际材 料的动态行为并可考虑锚杆、挡土堵、抗滑桩等支护结构与围岩的相互 作用，被公认为是岩土力学数值模拟行之有效的方法；1 9 8 8 年b r a d y 运 用它对矿山倾斜采场的加固方案进行了模拟，1 9 9 3 年b i l l a u x 对6 m 高冲 填体进行了模拟，1 9 9 5 年王永嘉将f l a c 引入国内，先后在水电、隧洞、 边坡中广泛使用 2 2 j 。 进入2 0 世纪9 0 年代，边坡问题的研究将传统的边坡工程地质学、现 代岩土力学和现代数学力学相结合，形成了所谓的现代边坡工程学；各种 现代科学纳新技术，如系统工程论、数量理论、信息理论、模糊数学、灰 色理论、现代概率统计理论、耗散论、协同学、突变理论、混池理论、分 形理论等不断用于边坡问题研究中，从而给边坡的稳定性研究提供了新理 论、新方法。 综上所述，不难发现，目前边坡稳定性研究已有了相当的水平与规 模。边坡作为一个系统工程，其发展过程可表述为5 个阶段，即借助于古 典土力学的稳定性分析阶段、5 0 年代偏重于稳定性描述与分析的地质历 史分析阶段、6 0 年代考虑时效过程的稳定性分析阶段、8 0 年代后期以数 值模拟、模型试验为主的半定量分析阶段和9 0 年代以后的现代边坡工程 学阶段 ：4 i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 4 边坡地震稳定性分析 岩土边坡地震稳定性分析是岩土工程和地震工程研究的重要课题之 一，而岩土边坡地震稳定性评价方法是岩土边坡地震稳定性分析的核心 1 26 | 。除了边坡的工程地质勘察外，岩土边坡地震稳定性分析的研究内容 归纳为：( 1 ) 边坡地震反应分析方法的研究，即如何在边坡岩土体中考 虑地震动作用；( 2 ) 边坡岩土体的动力特性和强度准则及参数测试的研 究，这是实现边坡地震反应分析数值模拟的关键，与( 1 ) 共同构成了边 坡地震稳定性分析的基础；( 3 ) 边坡地震失稳机理与失稳位置的研究， 即边坡地震稳定性分析的关键；( 4 ) 边坡地震稳定性评价方法，即边坡 地震稳定性分析的核心；( 5 ) 边坡地震稳定性评价指标与安全标准的研 究，即工程应用的标准；( 6 ) 边坡输入地震动的研究；( 7 ) 边坡地震 稳定性评价指标的计算精度，即边坡地震稳定性评价指标的可靠性等。 关于岩土边坡地震稳定性评价方法的分类，不同的研究者给出了不同 分类，比如，k r a m e r i 二7 j 将边坡地震失稳分为惯性失稳和弱化失稳两类， 并且把惯性失稳的分析方法归纳为拟静力法、永久位移法、m a k d i s i s e e d 法和应力分析法，把弱化失稳归纳为流动破坏分析法和变形破坏分析法； 刘立平f 2 引等将边坡地震失稳分为惯性失稳和衰减失稳两类，并把惯性失 稳的分析方法分为拟静力法、n e w m a r k 滑块法、有限元方法及概率分析 法等，把衰减失稳的分析方法有流动破坏分析法和变形破坏分析法等；祁 生文 2 9j 将边坡地震稳定性评价方法归纳为：拟静力法、有限滑动位移 法、m a k d i s i s e e d 简化分析法、剪切楔法、概率分析方法以及数值方法。 以上几种分类基本代表了国内外对岩土边坡地震稳定性评价方法分类的主 流。通常，概率分析方法( 随机性分析方法或可靠性分析方法) 和确定性 分析方法都是基于拟静力法、n e w m a r k 滑块分析法和数值模拟方法的基 础上进行的，区别在于确定性分析法不考虑变量的不确定性，而概率分析 方法考虑了变量的不确定性，从这个角度看，刘立平等和祁生文将概率分 析方法与其它几种方法并列起来的提法显然是不合适的；k r a m e r 的分类 方法是从边坡地震失稳机理的角度划分的。以上所涉及的方法均是从计算 角度出发的，未将试验法( 物理模拟法) 纳为边坡地震稳定性评价方法。 为了能够较全面而清晰地反映岩土边坡地震稳定性评价方法的研究现 状，下面从确定性分析和概率分析的角度出发来论述拟静力法、滑块分析 法、数值模拟法和试验法的进展情况，同时做了简要评述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 4 1 拟静力法 自t e r z a g h i 首次将其应用于边坡地震稳定性分析中以来，拟静力法 因应用简便而得到大量应用，至今仍备受工程技术人员的青睐。拟静力法 实质上是将地震动的作用简化为水平、竖直方向的恒定加速度作用，并施 加在潜在不稳定的滑体重心上，加速度的作用方向取为最不利于边坡稳定 的方向，将所产生的地震动作用作为水平和竖直方向的拟静荷载因子，其 大小通常用地震系数k 。和k ，来表示，数值上等于水平或竖直加速度与重 力加速度之比。将地震所产生的惯性力作为静力作用在边坡潜在不稳定滑 体上，根据极限平衡理论，便可求出边坡的抗震安全系数。这个分析实质 上与静力稳定性分析完全相同，所采用的方法是由静力稳定分析方法拓展 而来的，只是添加了一个反映地震作用的地震系数，因而十分简便。抗滑 安全系数与边坡抗剪强度指标( c ，伊) 及密度、最危险滑动面的形状及位 置、地下水位和地震系数等密切相关。在拟静力分析时，边坡抗剪强度指 标可通过现场或试验室相应试验【3 uj 测定，亦可结合试验反算而定；而破 坏面形状和位置常根据边坡地质条件用经验、工程类比等方法来确定，亦 可用优化算法瞄l j 来确定。工程师在使用拟静力法时，最关心的莫过于地 震系数选取。关于地震系数的取值，研究较多。s e e d 总结了常用的三种 确定地震系数的方法3 2 】：( 1 ) 经验值的使用；( 2 ) 刚体反应分析法； ( 3 ) 采用粘弹性反应分析法。此外，何蕴龙等p3 j 采用有限元动力分析方 法研究了岩石边坡地震系数的分布规律，研究了坡高、岩体动弹模、边坡 坡度对岩石边坡地震系数的影响规律，提出了一个岩石边坡地震作用近似 计算的方法。其中以经验值的使用最为广泛，下面仅对经验值的使用作以 介绍： 刘立平等对t e r z a g h i 、s e e d 、m a r c u s o n 给出的经验值进行了总结， 张克绪等l lu j 也给出国内外常采用的一些经验值。值得指出的是，s e e d f 3 4 l 认为不断地采用这些经验数值就会造成它是权威设计标准的假象，其实， 似乎谁也不知道为什么第一次要选择这样的数值，s e e d 意在指出这些地 震系数的选取缺乏可靠的科学基础。王赞军等p5 j 国内首次采用地震危险 性概率分析方法来计算滑坡