（市政工程专业论文）管道沟槽边坡稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 城市管道工程包括给水管网、雨水管道及污水管道等，是市政工程建设的 重要组成部分。管道工程首先需要开挖沟槽，沟槽的开挖必然导致坡体内部应 力场重分布，使土体内部产生变形，加之受外界自然因素及人为因素的影响， 沟壁土体稳定性降低：另外，施工单位和城市建设部门为了减少施工费用、加 快施工进度，往往忽视对危险沟槽采取应有的支护措施，极易产生安全隐患。 然而，目前关于沟槽边坡稳定性的研究鲜有报道，本文采用模型试验与理论分 析相结合的方法，对沟槽边坡稳定性及支护体系开展研究。试图获得沟槽边坡 在各种条件下的破坏规律，为拟定合理的沟壁支护体系选择方案提供理论依 据。 本文详细分析了管道工程施工特性，在此基础上，完成了四种常见土体在 不同密实度、含水率、降雨强度下稳定性模型试验，经过对试验破坏过程及破 坏形态观察分析，得到如下结论：( 1 ) 随着土体密实度的增加，稳定性逐渐趋 于良好，密实度是影响土体稳定性的重要因素；( 2 ) 含水率在一定的限值内， 黏性土体随含水率的增加，稳定性增强，当含水率超过一定值时，土体堆积稳 定性随含水率增加而降低；( 3 ) 同一降雨强度条件下，随着降雨时间的增长土 体愈不稳定，一般来说，管道施工周期长，这说明气候条件是影响沟槽边坡稳 定性的重要因素；( 4 ) 土体的摩擦系数和黏聚力对含水率的交化敏感，说明含 水率是影响边坡稳定性的重要因素之一。 在试验结果分析的基础上，结合极限平衡理论推算出砂性土体及黏性土体 在不同含水率、密实度情况下的内摩擦角，并计算了在不同开挖深度条件下的 边坡稳定系数，由此提出了合理的沟壁支护体系选择方案。 关键词：管道工程模型试验边坡稳定性沟壁支护 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t t h ec i t yp i p e l i n ee n g i n e e r i n gc o n s i s t so ff e e d w a t e rp i p e ，r a i n w a t e rp i p ea n d s e w a g ep i p e , i sap a r ta n dp a r c e lo f t h em u n i c i p a le n g i n e e r i n g f i r s to fa l l ，p i p e l i n e e n g i n e e r i n gn e e d se x c a v a t i n gt r e n c hd u r i n gp i p e l i n ec o n s t r u c t i o n ，w h i c hp r o d u c e i n t e r i o rs t r e s sr e d i s t r i b u t i o na n di n t e r i o rd i s t o r t i o ni n s l o p e ，a d d i n g n a t u r a l e n v i r o n m e n ta n da r t i f i c i a li n f l u e n c e ，a sc a u s et h ed e b a s e i n go ft r e n c hs t a b i l i z a t i o n i na d d i t i o n , i no r d e rt or e d u c ec o n s t r u c t i o nc o s t , q u i c k e nr a t eo fp r o g r e s s ，t h e c o n s t r u c t i o n c o r p o r a t i o n a n d c i t y a d m i n i s t r a t i v e d e p a r t m e n t o f t e n n e g l e c t d i s a s t r o u sh a z a r d h o w e v e r , a tp r e s e n t , t h ep r o b l e mo ft r e n c hw a l ls l o p e s t a b i l i z a t i o nw a sr a r e l ys t u d i e d b a s e do nt h em o d e le x a m i n a t i o na n dt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h es l o p es t a b i l i z a t i o na n ds u p p o r t i n gs y s t e ma r es t u d i e di nt h i sp a p e r t r y i n gt oa c q u i r et r e n c hs l o p ef a i l u r el a wi n d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n dp r o v i d e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nt ot h es l e c t i o no ft r e n c hs u s t e n t a t i o ns y s t e m i nt h eb a s i so ft h ea n a l y s ep i p e l i n ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c ，f o u rm o d e l e s p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t , u n d e rd i f f e r e n td e n s i t y , d i f f e r e n tw a t e rc o n t a i n i n g a n dd i f f e r e n tr a i nf a l li n t e n s i t y , e x p e r i m e n t a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t ：( 1 ) a l o n gw i t h t h e i n c r e a s i n go f s o i l d e n s i t y , i t ss t a b i l i t yg r a d u a l l yi n c r e a s e s ，d e n s i t y i sa l l i m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h es l o p es t a b i l i t y ( 2 ) u n d e rac e r t a i ne x t e n tt h ew a t e r c o n t a i n i n gh e l p st oe n h a n c et h es t a b i l i t yo fs l o p e s ，a n do v e rt h a te x t e n tt h es t a b i l i t y w i l ld e b a s ew i t ht h ei n c r e a s i n go ft h ew a t e r c o n t a i n i n g ( 3 ) u n d e rt h es a m er a i n f a l l t h el o n g e ri st h er a i n i n gd u r a t i o nt h ew o r s ew i l lb et h es l o p es t a b i l i t y , s oi ti s e v i d e n tt h a tt h ec l i m a t ei sa k e yf a c t o ra f f e c t i n gt h et r e n c hs l o p es t a b i l i t y ( 4 ) t h e s o f tf r i c t i o nc o e f f i c i e n ta n dc o h e s i v ef o r c e v a r ys e n s i t i v e l y w i t ht h ew a t e r c o n t a i n i n g , s ot h el a t t e ri sa l li m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h et r e n c hs l o p es t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n t a lr e s u l t s r e f e r r i n gt ot h ef r i c t i o n p a r a m e t e r so fs a n d ya n dc o h e s i v es o i lu n d e rd i f f e r e n tw a t e rc o n t a i n i n ga n d d i f f e r e n td e n s i t y , c a l c u l a t e db yl i m i tb a l a q c i n gt h e o r y , c o m p u t e db ym e t h o dp r o p e r , as e r i e so ft r e n c hs l o p es t a b i l i t yc o e f f i c i e n ti nd i f f e r e n td e p t hi so b l a i n e d o nt h e b a s i so ft h el a t t e ra np r o g r a m m ef o rs l e l e c t i n ga d e q u a t et r e n c hs u p p o r t i n gs y s t e m w a sp u tf o r w a r d k e yw o r d s ：p i p e l i n ee n g i n e e r i n g m o d e le x a m i n a t i o n s l o p es t a b i l i t y t r e n c hs u s t e n t a t i o ns y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究意义 第1 章绪论 城市管道工程包括给水管网、雨水管渠及污水管渠等，是市政工程建设的 重要组成部分。在城市管道工程建设中，由于施工场地狭窄，管道沟槽开挖多 为直壁式或坡度较大的梯形( 如图1 - 1 所示) ，对于污水排水管道，沟槽挖深 最大可达7 - 8 m 。施工企业为了减少施工费用、加快施工进度，往往忽视对危 险沟槽采取支护措施；为了施工方便，常常将施工材料( 如：管材、水泥、砖 等) 及开挖土体堆积在沟槽两侧，加剧了沟槽边壁的不稳定性。另外，管道工 程施工进度影响道路施工进度，一些单位为追求施工进度，采用全线开挖和铺 设管道( 如图1 2 所示) ，造成沟槽开挖到回填的工期较长，在此期间若遇到 强降雨或施工降水，沟槽边坡的稳定性因此而降低。以上这些因素极易造成土 体坍塌、影响施工质量及进度，甚至会造成施工人员伤亡。据统计，在我国每 年有多起此类施工事故发生。由于目前在沟槽开挖施工中，还未曾有较为成熟 的安全分析方法，例如采用何种支护方案最为经济、实用。本文通过模型试验 与理论分析对管道沟槽的稳定性进行研究，试图得到开挖沟槽边坡稳定性分析 方法，并提出合理的支护方案。 图1 - 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 图1 - 2 管道沟槽边坡稳定性分析是一个非常复杂的问题。因土体介质本身的复杂 性和边坡工程的开放性，受到的影响因素较多，它既有有限变形问题又存在无 限变形问题，有瞬时变形问题又有长时问变形问题，既有土体本身内在因素( 如 重度、黏聚力、内摩擦角等) 的影响，又有外界自然因素和人工开挖扰动等因 素的影响。这些因素具有复杂多变性、不确定性和数据的不完备性等特征。无 论采用何种方法分析边坡的稳定性，都会涉及到参数的取值问题。只有力学参 数取值越接近其真实的情况，所得结论也越接近实际。为此，本文采用试验的 方法获取各种条件下计算参数。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 边坡稳定。性评价研究现状 边坡是地壳表面一切具有临空面的地质体，具有一定的坡度和高度，是人 工边坡和自然边坡的统称i “。管道开挖后沟壁稳定性问题，属于边坡的稳定性 问题。人们对边坡问题的研究是多方面的，边坡计算分析方法大体可分为两种： 确定性方法和不确定性方法。 1 确定性方法 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 边坡稳定计算方法是与岩体力学性质的研究密切相关。岩体力学发展初 期，在研究岩体力学时，基本采用了以材料力学和均值弹性理论为基础的土力 学的原理和方法，土质边坡稳定性的计算方法被用来进行岩质边坡稳定性的研 究。 1 9 1 5 年瑞典人k p e t t e r s o n 对o = 0 。的粘性土坡提出了所谓的瑞典条分法， f e l l e n n i u s 等人1 2 1 ( 1 9 2 7 年) 在此基础上提出了普通条分法，该方法将边坡滑 面假定为圆弧形，它满足力矩平衡条件，但不满足力平衡条件。b i s h o p 3 l 于1 9 5 5 年提出了修正的条分法，该方法也假定边坡滑面为圆弧形，它满足力矩平衡条 件和垂直方向的力平衡条件，但不满足水平方向的力平衡条件。1 9 5 6 年j a n b u 4 j 提出了更精细的条分法。l o w e ，j ，k a r a f i a t h ，l 1 5 1 ( 1 9 6 0 ) 和美国工程师联合 会1 6 1 ( 1 9 7 0 ) 提出了一种力平衡条分法，该方法没有对边坡滑面形状做出任何 假设，它满足所有的力平衡条件，但不满足力矩平衡条件。m o r g e n s t r e n 和p r i c e l 7 1 ( 1 9 6 5 ) 又提出了一种新的条分法，该方法也不对边坡滑面形状做任何假设， 它既满足力平衡条件又满足力矩平衡条件，还容许条块间力的方向发生变化。 s p e n c e r l 8 】( 1 9 6 7 ) 提出了一种简化的条分法，它预先假定了条块间力的作用方 向。j a n b u 9 l ( 1 9 6 8 ) 年提出了一种相对精确的条分法，它满足所有的平衡方 程，适用于任意形状的滑面，条块间力的作用方向也可以变化，但该方法容易 产生计算方面的问题。h o e k ! l o 】( 1 9 7 4 ) 提出了进行边坡楔形体分析的方法， 假定各滑面均为平面，以各滑面总抗滑力与楔体总下滑力来确定安全系数。 r e v i l l a 和c a s t i l l o “j ( 1 9 7 7 ) 提出了剩余推力法，s a r m a l t 2 1 ( 1 9 7 9 ) 提出了“非 垂直条分法”，他认为除平面和圆弧面外，滑动体必须先破裂成相互滑动的块 体后才能滑动。剩余推力法和s a r m a 法在岩质边坡的稳定性分析中得到了广 泛的应用。另外，潘家铮邮j 对边坡稳定问题提出了最大值和最小值原理，陈 祖煜对该原理进行了理论上的证明。 上述边坡稳定分析方法属极限平衡法范畴，自一些基本的方法提出后，就 不断有学者对其进行了完善和修正。在对极限平衡法的修正中，主要考虑两个 方面的问题，即滑面和安全系数【1 4 j ，提出了一般滑动面形状、局部安全系数 和变动安全系数等。e s h c h i n s k y | ”j ( 1 9 9 0 ) 在极限平衡法的基础上提出推广方 法，试图通过引入变分法来确定真正的临界滑移面；l i ，k s 1 1 6 j ( 1 9 8 7 ) 等人 对迅速估计临界滑移面提出了几个方法；c l o u g h ，a i c l l 日( 1 9 8 7 ) 在极限平衡 法的基础上，通过定义一条反映现场特殊边界条件的曲线。来引入变动的安全 系数：m i l u t i n l l 8 j ( 1 9 8 7 ) 在条分法的基础上，通过对每一条块定义并计算安 全系数，然后再求出安全系数；c h e nz - y u 和s h a oc m 【1 9 1 ( 1 9 8 8 ) 对利用优 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 化技术寻求最小安全系数的可行性问题进行了研究；m e i k c t s u 等人( 1 9 8 8 ) 在条分法中考虑了滑移面形状和相邻土条问的作用力，将条分法进行了推广， 在没有力矩平衡方程或变量个数超过方程个数时可以获得解答；e s p i n a z o l 2 l j ( 1 9 9 4 ) 对边坡稳定性分析进行了简化和统一，消除了各种方法所得结果的冲 突：在边坡最危险滑面搜索方面，b a k e r ，r 1 2 2 1 ( 1 9 8 0 ) 、b o u t r o p & l o v e l l 田j ( 1 9 8 0 ) 、c e l e s t i n o & d u n c a n i z 4 1 ( 1 9 8 1 ) 、c h e r u b i n i 、c g r e c 0 、v r i 。j ( 1 9 8 7 ) 、 y a m a g a m i 、一2 6 】( 1 9 8 8 ) 、c h e n y u z t l ( 1 9 9 2 ) 和g r e c o ，v r 1 2 s l ( 1 9 9 6 ) 对此 做出了较大的贡献，另外，王雪峰【冽( 1 9 9 7 ) 在博士论文中也对此进行了一 定的研究。 极限平衡法由于其计算简单、物理意义相对清晰而得到了广泛的应用，其 理论也发展得相对完善，但是其不能考虑岩体内部的应力应变关系、材料的非 线性、岩土体中的应力历史和加载时的应力条件。c h e r t 和d a v i s i o n l 3 0 i 将极限 分析原理应用到了边坡稳定性分析中；z h a n g 和c h e n i “l 按一般滑移线形状和 一般破坏包络线，利用了极限分析方法进行了边坡稳定性分析；c o l l i n s 和 w a n g i ”j 、i j ux l a l ”j 等人也对此进行了一定的研究。 随着计算机应用技术的发展，边坡稳定的数值计算方法取得了进一步的发 展。从2 0 世纪6 0 年代开始，人们就开始尝试边坡稳定数值计算方法的研究。 a n a g o s t i ( 1 9 6 9 ) 、b a l i g h ( 1 9 7 5 ) 、g i g e r ( 1 9 7 6 ) 、b a l i g h ( 1 9 7 7 ) 、a z z o u z ( 1 9 8 1 ) 、 c h e n ( 1 9 8 3 ) 、d e r m h a r d t ( 1 9 8 5 ) 、u g a i ( 1 9 8 5 ) 和s e e d ( 1 9 8 8 ) i + 删等人率 先对边坡进行了三维有限元分析，随后各国专家学者采用有限元法对边坡进行 了大量的研究分析，取得了很多研究成果，就一般情况而言，计算的边坡三维 稳定系数比二维大。有限元在解决小变形方面有其优越性，但通常的边坡破坏 为大变形问题，有限元法在解决大变形方面不十分方便。z i e n k i e w i c z l 4 l j ( 1 9 7 5 ) 提出了边坡安全系数的一种新的定义方式，即“可将安全系数定义为：将岩土 体抗剪强度进行折减，使边坡刚好达到l 临界破坏时抗剪强度折减的程度”， l o w e ( 1 9 7 6 ) 和潘家铮( 1 9 8 0 ) 对此定义进行了分析，指出了它的合理性。 c u n d a l l 4 z l ( 1 9 7 1 ) 提出了采用分析颗粒状材料性质的离散元法，该法适 用于研究在准静力或动力条件下的节理系统或块体集合的力学问题，最初用来 分析岩石边坡的运动。到1 9 7 4 年，二维的离散单元法程序趋于成熟，但由于 受计算机内存的限制，不少程序是用汇编语言写的，直到1 9 7 8 年才用 f o r t r a n 语言开发出离散单元法的基本程序。l e m o s 于1 9 8 3 年开发了离散 单元法与边界单元法耦合的半平面程序，并用于计算节理和断裂介质中的应力 分析问题。l o r i n g 于1 9 8 4 年开发了包括前处理和后处理的离散单元法与边界 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 单元法的耦合程序。c u n d a l l 于1 9 8 0 年就开始研究块体在受力后变形以及根据 破坏准则允许断裂的离散单元法。c u n d a l i 称这种程序为u d e c ，该程序最后 于1 9 8 5 年完成。由于计算机技术的飞速发展，三维离散单元法的程序3 d e c 已由c u n d a u 与咨询集团于1 9 8 6 年开发出来。虽然国外有人已经开发出三维 离散单元法的程序，但大部分是针对某种特殊问题而建立的模型，有比较大的 局限性1 4 3 1 。 近年来得到了很大发展的f l a c 【4 4 j 法( 快速拉格朗日法) 就是在此基础上 发展起来的，并且由i t a s c a 公司进行了商业程序化；f i _ a c 是由美国i t a s c a c o n s u l t i n gg r o u pl n c 开发的二维显式有限差分法程序。它可以模拟岩土或其它 材料的二维力学行为m j 。 在离散元的基础上，石根华于1 9 8 8 年( s h i ，g h ) 在其博士论文中提出 了分析边坡稳定的d d a 方法( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ) 。河海大学 的卓家寿根据能量法则，提出了分析边坡稳定的界面元法，并得到了一些应用。 2 不确定性方法 边坡变形破坏发展受多种因素的影响，其中有一些是不确定性因素，传统 的安全系数法很难把这些不确定性的因素考虑迸去，所得的结果也就难免与实 际有所出入。此时，可靠度的引进就成为一种必然。可靠度理论最早应用在航 空、电子等领域，后来逐渐应用到机械、土木、水利等部门，2 0 世纪7 0 年代 后期，可靠度理论开始在边坡工程中得到应用 4 6 - 5 2 1 。w u & k r a f t ， m a t s u o & k u r o d a ，m o r l a & c a t a l a l l ，c o m e l l ，a l o n s o n 和h a r t 等人对土质边坡进 行了典型的研究；m c m a h o i l ，p i t e a n m a t i n ，m a r e k ，s a v a l y ，e i n s t e i n ，m a j o r ， m o m s s & s t o t t e r ，b r o w n 和i l e r g e t 等人论述了概率方法在岩质边坡中的应用； n g u y e n & c h o w d h u r y 报告了矿山排土场的可靠度分析；v a n m a r c k e 和y u c e m e n 对三维效应的概率分析方法做了有益的探索：c a m b o t ，和c o m e l l 等人根据线 性一次逼近理论，采用随机有限元法对边坡进行了可靠度分析。如今可靠度理 论在边坡工程中得到了广泛的应用，如l e e ，i 广m ，& l e e ，m - j 提出了采用 可靠度理论和块体理论对边坡进行优化设计的方法【5 2 】，l o w w i l s o n 5 3 】基于 j a n b u 法对边坡进行了可靠度分析。h u s e i n h a s s a n 和a d b u l l a l 5 4 l 对影响边坡 可靠性的一些因素进行了较为深入的研究，l o w 对边坡楔形体进行了可靠度 分析【5 ”。我国1 9 8 3 年在攀钢第一次采用可靠度理论对边坡进行了探讨。如今 分析边坡的可靠度方法，主要采用m o n t e c a r l o 、f o r m 和随机有限元方法 5 6 1 。 近年来，有学者采用蒙特卡洛模拟方法来确定三维最不利滑动面，该方法 假定初始的滑动面为一椭球体的下半部，三维最不利滑动面通过最小三维安全 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 系数决定。蒙特卡洛模拟法的主要缺点是：( 1 ) 它只是一种数值计算方法，就 是说，它只能给出边坡在特定条件和特定设计参数下的特解，而给不出通解。 它和一般的数值方法不同，它不是孤立的纯数学地去求解各变量的数值关系， 而是通过建立数学模型，进行模拟试验，然后从试验过程中测定出各个变量的 数值。因此，它是一种通过试验求得数值解的方法，应当把它看作一系列的试 验过程；( 2 ) 蒙特卡洛法似乎很容易，但它可能使变量间和假设问的主要概率 关系模糊不清。为了简便，把空间变量简化成集总参数，忽略了相互关系；( 3 ) 收敛速度慢，因此花费机时数较大。 在蒙特卡洛模拟法基础上有学者提出了智能化的边坡稳定性分析方法，此 方法采用逻辑推理、模式识别和数学模型计算等的综合集成方法进行边坡稳定 性分析。 除上述外，近年来还出现一些不确定性分析方法，如：模糊概率法在边坡 稳定性分析中的应用，此法在可靠性分柝的基础上提出了用模糊概率的方法计 算边坡的稳定性，得出了边坡失稳的模糊概率，它可以对岩土参数的不确定性 以可靠度加以修正，应该从理论上讲其所得的结论更为科学，但是由于它的研 究刚刚起步，在实际中使用起来还不成熟，很难应用到实际中去。 1 2 2 边坡稳定性试验研究现状 试验研究是最真实、最可靠的研究方法和手段，对实践具有现实指导意义， 在科学研究中一直发挥着巨大的作用。在理论指导下的模型试验研究，具有结 论准确，能够发现现象的内在联系，可对原型所得的分析结论进行校验的特点。 在机理研究不成熟和分析方法不适合的情况下，模型试验研究成为重要的研究 手段之一【期。 近年来由试验提供资料，研究边坡稳定性也有了更进一步的发展。其试验 分析方法有多种，但大多是现场试验，如： 胶结不良软岩特性与边坡诱发破坏试验，试验试坑是8 m x 8 m x 3 m 的大型 试坑。这种现场试验庞大，不利于多次重复操作。 软岩高边坡的试验研究，是对京珠高速公路的某一段所进行的现场试验， 其主要是测定支挡前坡体内的应力和变形以及支挡后坡体内的应力、变形、坡 面位移、并测定变形作用于支挡结构上的土压力、支挡结构的内力变化等f 5 8 j 。 水位变化引起分层滑坡的试验。通过对分层的边坡在水位变化时滑坡的模 拟试验，考察了分层坡体的滑坡模式、坡体变形、破坏和渗流引起的滑坡，重 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 点考察了水位涨落速度对坡体稳定的影响，以及坡面从产生张拉裂缝直到形成 滑面的整个过程1 5 9 j 。 三峡工程永久船闸高边坡降雨入渗试验研究。针对三峡永久船闸高边坡花 岗岩全风化带开展了降雨入渗试验研究工作，在试验设计的基础上研制了操作 简单的人工降雨器，通过不同降雨强度下的入渗试验，分析了全风化带的入渗 能力和入渗过程i “。 正交试验的方法分析边坡稳定性影响因素的显著性，该试验的原理就是利 用数理统计学与正交性原理，从大量的试验点中选取合适的有代表性的点，应 用“正交表”合理安排试验的一种科学试验方法1 6 ”。但这种试验考虑的因素具有 一定的随机性。 离心模型试验是研究小比例尺模型【“。由于其能再现自重应力场以及与 自重有关的变形过程，直观揭示变形破坏的机理，并能为其它分析方法提供真 实可靠的参数依据，而得到越来越广泛的应用。但是离心模型试验仍然存在很 多问题如：模型内应力应变数据采集；供排水系统模拟问题，是一个很复杂的 问题，目前尚未得到良好的解决；模型材料的制备问题，在边坡稳定性的离心 模型试验中，由于要保持模型和原型的尽量相似性而取原样材料作为模型材 料，由于模型尺寸的限制，并不能保证原型和模型所有参数都相似，于是这就 涉及到最优模拟参数的选取问题1 6 2 j 。 综合以上关于边坡试验方法，大多是现场试验，不易多次重复的操作，有 些针对一种土体破坏的研究或者雨、水对边坡坍塌的影响，并且其试验方法各 有其适用条件。除此以外还出现了如：膨胀土路基边坡变厚式封面层稳定性试 验研究f 叫、松散体边坡灾害自组织l 临界性沙堆模拟等试验方法。 1 2 3 管道沟槽边坡稳定性评价现状 管道工程沟槽边坡具有其独特的性质，开挖过程存在时间与空间效应问 题，它与开挖工作面的布局、开挖顺序、每次开挖速度与深度、基坑静置时间 以及地下水处理情况等都有着密切的关系。目前尚未发现专门分析管道沟槽边 坡稳定性的相关文献资料。 1 3 本文主要内容及其技术路线 本文首先对管道工程施工特性进行充分的分析，在此基础上，完成四种常 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 见土体在不同密实度、含水率、降雨强度下稳定性模型试验，并对试验破坏过 程及破坏形态进行分析，找出影响边坡稳定性的因素，结合极限平衡理论推算 砂性土体及黏性土体内摩擦角。采用模型试验测定土体力学参数，运用极限平 衡理论计算在不同土质、含水率、密实度及开挖深度条件下的边坡稳定系数， 并提出合理的沟槽沟壁支护体系选择方案。本文研究的技术路线如图1 3 所 示。 图1 - 3 本文研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章管道工程施工特性分析 管道工程施工，如同其它市政工程一样，一般是由土石方工程开始，且必 须在其它分部分项工程施工之前完成土石方开挖嘲。管道工程施工分为沟槽 开挖( 包括支护) ，管道基础，管道铺设安装及沟槽回填。一般来说，管道工 程施工周期长，受气候或外界条件影响因素多。 2 1 沟槽开挖 2 1 1 沟槽断面形式与断面尺寸 合理的确定沟槽的开挖断面，有利于提高施工进度、减少施工费用，为管 道施工创造方便条件。沟槽断面的选定，一般要考虑以下几项因素：土的种类、 地下水位、管道断面尺寸、管道埋深、沟槽开挖方法及施工环境等1 6 ”。 1 开挖断面形式 管道沟槽开挖，常用的沟槽断面形式有直槽、梯形槽、混合槽和联合槽等 【6 5 l 。其中联合槽适用两条或两条以上的管道埋设在同一沟槽内如图2 - 1 所示。 2 断面尺寸 ( a ) 直槽 ( b ) 梯形槽 ( c ) 混合槽( d ) 联合槽 图2 - 1 沟槽断面的种类 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 沟槽断面尺寸由挖深、底宽、槽帮坡度以及槽层和层间留台宽度等因素组 成。 挖深：指沟槽的深度，是由管线埋设深度而定，槽深影响着断面形式及施 工方法的选择。随着开挖深度的增加，土体的稳定性降低。排水管道的沟槽挖 深最大可达7 8 m 。 槽帮坡度：槽帮坡度( 高宽比) 应根据土壤的种类、施工方法、槽深及土 体含水率等因素确定。槽帮的坡度越大，其稳定性越低。 2 。1 2 开挖方法 在了解开挖地段土壤性质及地下水位情况后，可结合管径大小、埋管深度、 施工季节等情况，施工现场及沟槽附近地上、地下构筑物的位置因素来选择开 挖方法，沟槽开挖有人工开挖和机械开挖两种施工方法。 人工开挖：在小管径、土方量少或施工现场狭窄、地下障碍物多时，通常 采用人工挖土。 机械开挖：机械挖土效率高、速度快、占用工期少。 沟槽开挖，破坏了土体原始的应力状态，随着开挖深度增大及开挖方式的 不同，土体稳定性将发生改变。当地下水位较高时，沟槽开挖或施工降水导致 地下水渗流特性的改变，加剧了沟槽边壁的不稳定性。 2 2 沟壁支撑 沟壁支撑是临时结构，安全储备较小，在地下工程施工完成后，沟壁支护 体系就不再需要1 6 6 l 。沟槽支撑的形式与方法，一般根据土质、工期、施工季 节、地下水情况、槽深及开挖宽度、地面环境等因素确定。 井字撑：两块撑板水平紧贴槽壁，用纵梁立靠在撑板上，横撑撑在纵梁上， 一般用于沟槽的局部加固。 稀撑：稀撑也称断续式水平支撑。它是用3 5 块撵板在紧贴槽壁，纵梁靠 在撑板上，横撑撑在纵梁上。适用于黏性土无地下水、挖深较大、地面上建筑 物靠近沟槽的情况。 横板密撑：横板密撑也称为连续式水平支撑( 如图2 2 所示) 。其支撑方 法与稀撑基本相同，但撑板水平排列紧密，适用于土质较差，有轻度流砂现象 及挖掘深度3 - 5 m 的沟槽。 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 啊) 一1 户|。 2； 一i 1 一撑板2 一纵梁3 黄撑4 h 木楔1 _ 掌板2 - 横木3 一撑杠 2 - 2 横板密撑 图2 - 3 立板密撑 立板密撑：立板密撑又称垂直支撑( 如图2 3 所示) ，它适用于土质较差， 有地下水或有流砂及挖掘深度较大时采用。立板支撑的特点是支撑和拆撑方 便。 板桩支撑：板桩支撑适用于沟槽开挖深度较大、地下水丰富、有流砂现象 或砂性饱和土层。 支撑可减少挖方量，缩小施工占地面积，减少拆迁，保证施工安全。但支 撑增加了施工费用，增加施工周期，有时影响后续工序的操作。 2 3 管道基础与管道铺设 管道基础一般由地基、基础和管座三个部分组成。管道的基础选择通常根 据地质条件、布置位置、施工条件、地下水位等因素确定，常用形式有：素土 基础、灰土基础、砂垫层基础、混凝土枕基和带形基础等。 管道铺设安装是整个管道施工的主体，它包括：管道基础施工( 如图2 - 4 所示) 、下管、稳管、接口、接口质量检查及验收等项，如图2 5 所示为管道 铺设完毕后现场拍摄照片。目前给排水管道中所用的管材有：铸铁管、钢管、 自应力和预应力混凝土管、普通钢筋混凝土管、石棉水泥管等，下管方法包括： 人工下管法、机械下管法，视具体施工条件而定。稳管法包括普通稳管法和“四 合一”稳管法。普通稳管是先浇筑管道基础( 平基) ，待基础混凝土达到强度 后，再按铺管、浇筑混凝土管座、管道接口三道工序顺序旋工：“四合一”稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 4 管道基础组成 管法，是将管道基础( 平基) 、铺管、浇筑管座混凝土和接口四道工序连续操 作，以缩短工期。管道接口包括：水泥砂浆抹带、钢丝网水泥砂浆抹带、沥青 麻布接口石棉沥青带接口、沥青砂浆灌口等接口方法，可根据具体的施工条件 选定接口方法。另外，还有管道安装质量的检验，特别是接口质量检验。由此 说明管道铺设需要较长的工期，也是影响沟槽开挖到回填周期的重要因素。 图2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 管道工程施工特性 管道工程主要包括土方开挖、沟壁支护、管道基础、管道铺设等，是一项 综合性很强的工程。沟槽边坡稳定性与多种因素有关，其中外力是一个主要因 素，沟槽边坡所受的外力主要是自身重力、槽边堆积土的压力、雨水作用力及 渗流力等。另一个主要因素是沟槽自身体系的组成结构，即堆积土体的物理性 质、开挖沟槽的断面尺寸、沟槽深度、堆积坡度等。其次，还与沟槽相邻建 筑物、构筑物及市政地下管线的位置及其抵御变形的能力和重要性有关，还有 周围场地条件等i 叫。 管道工程施工过程复杂，受到城市生活及生产等因素影响，它要求施工具 有安全性、可靠性和经济性。然而，在大多施工现场，施工企业为了追求经济 利益或为满足城市管理部门对加快施工进度的要求，往往忽视对危险沟槽应进 行的支护措施，极易造成土体坍塌、影响施工质量及进度，甚至会造成施工人 员伤亡。 管道工程施工周期长，沟槽断面形式多为直壁式或坡度较大断面形式，在 此期间沟槽开挖所形成的l 临坡面与一般的公路、铁路边坡相同。为分析沟槽边 坡在不同土体、含水率及密实度条件下稳定性，并证明它与一般边坡破坏机理 是否相同，需要通过模型试验进一步研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 第3 章物理模型试验 各种工程材料的受力特性都同它本身的物理性质有关，土也不例外，对土 的力学性质来说，其基础和本质的因素在于它的物理性质。但土与一般的致密 和均匀材料又有很大的不同。它是自然生成的，是由不同的固体颗粒和水、气 组成的千差万别三相体，其受力特性除与本身的物理性质有关外，还会因外界 条件的改变而发生变化i ”l 。对不同土体，其内部结构组成之间的联系常常是 有区别的。研究土体堆积稳定性问题，需对多种土体物理性质进行研究。 对常见土体( 包括：砂土、砂、混合土、黄土) 在不同密实度、含水率下 进行物理模型试验，观察、分析试验过程，是本章的核心内容。 3 1 试验模型及试验方法 松散状态模型槽尺寸为：2 2 c m x 3 0 c m x 3 0 e m ，中密状态和密实状态模型槽 尺寸为：3 0 c m 3 0 c m x 3 0 c m ( 如图3 - 1 所示) 。 翻3 1 松散状态土体的试验，靠重力堆积成散粒状态。中密状态土体试验或密实 状态土体试验，采用击实法将土体分层压实。土体的破坏过程是动态变化过程， 为了解其瞬时变化状况，破坏过程采用摄像机拍摄，静态破坏面和堆积体采用 人工测量。 测定土体的含水率，采用烘干法。降雨影响土体堆积稳定性试验，在玻 璃槽上方采用降雨装置，降雨装置可改变雨量大小，以达到模拟不同降雨 量对土体冲刷。降雨是动态变化过程，为了解其瞬时变化状况，仍采用摄 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 像机拍摄试验过程。 评价粒径组成情况，通常用粒径分布曲线表示，粒径分析方法采用筛分法。 岩土工程勘察规范( g b 5 0 0 2 1 9 4 ) ，规定土的密实度按其孔隙比e 分 为松散( e o 9 ) 、中密( 0 7 5 5es 0 9 ) 、密实( e 0 7 5 ) 三种【明。孔隙比不 能直接测得，可间接用土粒相对密度、重度、含水率推导得到。测定土粒相对 密度较多用比重瓶煮沸法。比重瓶煮沸法测得的土粒比重也随着土体矿物成分 的不同而有所差别，且其实验过程繁杂。试验目的是研究土体堆积稳定性，采 用重力密度大小区分密实度，可满足试验要求及试验目的。所以试验采用重力 密度区分密实度。 3 2 砂土堆积稳定- 性试验 3 2 1 干燥砂土试验 干燥砂土的实际性状十分复杂，具有压硬性、剪胀性等，并且随着密实度 的不同，其性状有很大的变化【鹋】。目前，由于对干燥砂土在不同密实度的稳 定性少有研究，本节通过对干燥砂土在三种密实度下物理模型试验，分析其破 坏形态、特征，为研究砂土的内在破坏机理提供依据。 3 2 1 1 试验参数 砂土是指粒径大于2 r a m 的颗粒质量超过5 0 ，且粒径大于0 0 7 5 r a m 的颗 粒质量超过总质量5 0 的土。干燥砂土的物理模型试验结果往往和颗粒组成、 孔隙比、土体质量、土体体积、密实度等因素有关。 本次试验具体参数见表3 - 1 。 表3 - 1 干燥砂七试验参数 土的粒径组成是指土中不同大小颗粒的相对含量，土的工程性质同它的粒 径组成有密切关系，工程中常把粒径组成作为评估土体工程性质的重要因素 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 i 明。图3 2 是本次试验计算得到的粒径分布曲线图。 芝8 0 0 0 喇 t o 0 0 耋6 0 0 0 - h 5 0 0 0 蠹4 0 0 0 球3 00 0 “， 乓2 0 0 0 1 0 0 0 粒径( ) 图3 - 2 干燥砂土级配累积曲线图 本次干燥砂土物理模型试验级配情况，在三种状态( 松散状态、中密状态、 密实状态) 时( c ， 5 ，即粒径分布不均匀，颗粒大小差别 较大。这种情况属于级配不良。在密实状态时，c 。 5 ，即粒径分布均匀，颗 粒大小差别不大。这种情况属于级配不良。 3 2 1 2 试验结果 1 松散状态试验结果 试验过程中不同时刻拍摄的图片，难以比较土体破坏的具体形态。为 更直观、有比较性的观测土体的破坏过程，根据试验获得的砂土在不同时刻 的破坏图片，绘出砂土破坏过程图( 如图3 3 所示) 。 从图3 3 可看出砂土不同时刻的破坏状态，在抽开挡板瞬问，由于失去了 支撑力，砂土在重力作用下倒塌，没有出现裂缝或贯通的裂面，砂土破坏自j 隔 o 2 秒下沉量基本相同。土体坍塌趋于稳定状态时，砂土的破坏最高点在 5 c m 一1 0 c m 处。 图3 4 是砂土破坏趋于稳定后，由测量的数据得到的表面破坏图。该图可 以从整体上，甚至从不同的角度观测土体破坏后的状态，由于篇幅的限制，只 给出了一个角度观测表面破坏图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 图3 - 3 干燥砂土松散状态破坏过程图 图3 4 干燥砂土在松散状态表面破坏图 图3 - 5 干燥砂土在松散状态等高线图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 从表面破坏图3 4 上知，砂土颗粒堆积呈舒缓扇形，扇顶位于较高玻璃槽 口处，扇缘位于较低点，扇缘与底板相交成一弧形，堆积表面没有明显的凹凸 现象。为从数值角度了解砂土破坏后堆积面的高度，测量得到等高线图( 如图 3 5 ) 。 从图3 5 可知，槽内线条呈平行排列，分布均匀。槽口外围弧线不均匀， 里扇形分布。 2 中密状态试验结果 据试验获得的砂土在不同时刻的破坏图片，绘出砂土破坏过程图( 如图 3 6 ) 。 图3 - 6 干燥砂土中密状态破坏过程图 图3 - 7 干燥砂土在中密状态表面破坏图 从图3 6 破坏过程图可知，抽开挡板到砂土坍塌只有1 秒钟的时间，最高 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 破坏点在2 0 c m 一2 5 c r a 处。破坏过程中没有形成贯通的破坏面或裂缝，砂土颗 粒呈单粒状态下落。与( 图3 3 ) 松散状态破坏过程相比，其最高破坏点向x 轴的正方向推移了。图3 7 是砂土破坏趋于稳定后，由测量的数据得到的表面 破坏图。 从图3 7 可知，与图3 4 相比，砂土颗粒堆积不再呈舒缓扇形，槽内土体 突然变凹，形成较陡的坡面。下部堆积坡与松散状态相似，呈扇形分布