边坡开挖条件下煤系地层岩土体工程性质变化规律研究及加固措施.pdf

中图分类号T U 4 2 U D C 6 2 4 硕士学位论文 学校代码 Q 互墨圣 密级公开 边坡开挖条件下煤系地层岩土体工程性质变化规律研 究及加固措施 S t u d yo fE n g i n e e r i n gP r o p e r t i e so fC u t t i n gS l o p ei n C o a l - b e a r i n gS t r a t aa n d R e i n f o r c e m e n t 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 符滨 地质工程 岩土工程 地球科学与信息物理学院 张可能教授 答辩委员会主趣 中南大学 二0 一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明 【I I I I III I I II I I II I IUI II Y 2 6 8 6 8 5 0 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名盗亟日期二塑盟年上月垄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位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 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名臻啄导师签名 日期皇堕竺年j 二- 月2 堑日 万方数据 边坡开挖条件下煤系地层岩土体工程性质变化规律研 究及加固措施 摘要本文以郴州地区边坡开挖条件下的煤系地层岩土体为研究对象， 在实地调查的基础上，分析了煤系地层人工开挖边坡的变形破坏机理 及影响因素，总结出煤系地层开挖边坡的主要破坏模式、破坏机理及 影响因素。分析认为煤系地层岩土体特殊的工程特性、人为扰动及 降雨是煤系地层开挖边坡破坏的主要影响因素。 通过室内不固结不排水三轴试验 U U 研究了煤系土的含水率对 其抗剪强度的影响，得出了煤系土抗剪强度同含水率之间的关系。结 果表明当煤系土含水率低于2 0 ％时，随着含水率的增加，抗剪强度 降低幅度较小。当含水率高于2 0 ％时，煤系土的抗剪强度随着含水率 的增加大幅降低 通过对各向等压预固结的煤系土试样进行固结排水三轴试验 C D 研究了应力释放对煤系土抗剪强度的影响，结果表明单纯的应力释 放对煤系土抗剪强度影响较小，远不及含水率对其抗剪强度的影响。 通过室内干湿循环与环境扫描电镜试验 E S E M 研究了煤系地层 的岩石风化特性及岩土体的微观结构。结果表明炭质泥岩的风化主 要集中在第一次干湿循环。其风化速度随干湿循环次数的增加呈减小 趋势。根据煤系地层岩土体风化程度的不同，其微观结构存在明显差 异。随着风化作用的不断发展，其密实程度显著降低，颗粒胶结变差、 孔隙率变大、孔隙连通度增加。 以郴州同心桥边坡加固工程为例，利用数值分析软件建立边坡不 同施工阶段的有限元分析模型，得出了各阶段边坡的位移、剪应力分 布及安全系数。分析认为煤系地层开挖边坡加固应在开挖完成后最 短的时间内完成，加固措施以边坡浅层加固为主。 关键词煤系地层；开挖边坡；三轴试验；加固措施 分类号T U 4 2 1 1 1 万方数据 硕士论文第1 章绪论 S t u d yo fE n g i n e e r i n gP r o p e r t i e so fC u t t i n gS l o p ei n C o a l b e a r i n gS t r a t aa n dR e i n f o r c e m e n t A b s t r a c t T h i s p a p e rt a k e t h e c u t t i n gc o a l - b e a r i n g s t r a t as l o p ei n C h e n z h o ud i s t r i c ta st h e o b j e c t o ft h e r e s e a r c h ，b a s e d o nf i e l d i n v e s t i g a t i o n ，a n a l y s i so ft h ed e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m sa n dt h e t r i g g e rf a c t o r so fl a n d s l i d e s ．T h er e s u l ts h o wt h a t S p e c i a le n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t i c so fc o a l b e a r i n gs t r a t ao fr o c ka n ds o i l ，h u m a nd i s t u r b a n c e a n dr a i n f a l la r et h em a i nf a c t o r so fs l o p ef a i l u r e ． As e r i e so fu n c o n s o l i d a t e da n du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s tf o rt y p i c a l c o a l b e a r i n gs o i lh a sb e e np e r f o r m e d ，B a s e do nt h er e s u l t so ft h et e s t s t h e s h e a rs t r e n g t ha n di n i t i a lw a t e rc o n t e n to fc o a l b e a r i n gs o i lh a v em a r k e d c o r r e l a t i o n s h i p W h e nt h em o i s t u r ec o n t e n tb e l o w2 0 ％，w i t ht h ei n c r e a s e i nm o i s t u r ec o n t e n t ，s h e a rs t r e n g t hr e d u c t i o ni ss m a l l ．W h e nt h em o i s t u r e c o n t e n ti s h i g h e rt h a n2 0 ％，t h es h e a rs t r e n g t hd r a m a t i c a l l yr e d u c e dw i t h t h em o i s t u r ec o n t e n ti n c r e a s e s ． As e r i e so fP r e c o n s o l i d a t e di s o t r o p i c a l l yc o n s o l i d a t e da n dd r a i n e d t r i - a x i a lt e s t sh a sb e e np e r f o r m e d ，s t u d yt h ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo fs t r e s s r e l e a s eo nt h ec o a ls o i ls h e a rs t r e n g t h ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m p l e s t r e s sr e l e a s ef o rc o a ls o i ls h e a rs t r e n g t hl e s sa f f e c t e d ，f a rl e s st h a nt h e m o i s t u r ec o n t e n t ． C y c l e so fw e t t i n ga n dd r y i n gt e s t sh a v eb e e np e r f o r m e do ns a m p l e s v a r y i n gf r o mf r e s hi n t a c tt oh i g h l yw e a t h e r e dc a r b o n a c e o u sm u d s t o n e ． T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t so nc a r b o n a c e o u sm u d s t o n ec a nb ev e r y p r o n o u n c e d ，W e a t h e r i n gp r o c e s s e sm a i n l yt a k ep l a c ei nt h ef i r s tc y c l e ． D e p e n d i n go nt h ew e a t h e r i n gg r a d e so fc o a l b e a r i n gs t r a t a , t h e r ea r ea l s o d i f f e r e n c e si nt h em i c r o s t r u c t u r e ，t h e r ea r es i g n i f i c a n td i f f e r e n c e si n d e n s i t y ，p a r t i c l ec e m e n t a t i o n ，t h ep o r o s i t ya n dp o r ec o n n e c t i v i t y ． T a k et h e T o n g - - X i n - Q i a os l o p e r e i n f o r c e m e n t p r o j e c t a sa n e x a m p l e ，t h e nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sm a d ef o rt h ee a c hr e i n f o r c i n g p h a s eb yu s i n g t h eF E Mm e t h o d ，a n a l y s i so ft h e s l o p e o ft h e d i s p l a c e m e n t ，s h e a rs t r e s sd i s t r i b u t i o na n ds a f e t yf a c t o r ．T h er e s u l t ss h o w t h a tr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e ss h o u l db ec o m p l e t e di nt h es h o r t e s tp o s s i b l e I V 万方数据 硕士论文第1 章绪论 t i m ea f t e rt h ee x c a v a t i o ni sc o m p l e t e d ． K e y w o r d s C o a l b e a r i n gS t r a t a E x c a v a t e ds l o p e ；t r i a x i a lt e s t R e i n f o r c e m e n tM e a s u r e s C l a s s i f i c a t i o n T U 4 2 V 万方数据 硕士论文第1 章绪论 目录 学位论文原创性声明⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯I I 摘要⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯．．．．．II | 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯V I 1 绪论．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1 ．1 研究目的与意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 - 2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．1 煤系地层工程性质的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．2 开挖卸荷对土体工程性质影响研究⋯⋯．⋯⋯⋯，⋯⋯⋯．．⋯．3 1 ．2 ．3 风化对煤系地层岩土体工程性质的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 研究主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯6 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 ．2 研究区地质背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．2 ．1 主要地层岩性⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 ．2 区域地质构造．⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．2 ．3 气象水文条件．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．．．⋯．．．⋯⋯．7 2 ．3 开挖条件下煤系土边坡破坏基本特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．3 ．2 边坡破坏模式⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯．9 2 ．3 ．3 煤系土滑坡破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 ．3 煤系地层边坡破坏机理．⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 l 2 ．4 边坡破坏原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．4 ．1 地层岩性⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．1 l 2 ．4 ．2 降雨与地下水⋯，⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．4 ．3 人为因素⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．⋯⋯．⋯．．⋯．1 2 2 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 煤系地层工程性质的室内试验研究⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯．．⋯．．．⋯1 4 3 ．1 试验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．2 试验准备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 4 V T 万方数据 硕士论文第1 章绪论 3 ．2 ．1 试验仪器．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2 ．2 试验土样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．2 ．3 试验方法．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 3 ．3 煤系土含水率与抗剪强度的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．3 ．1 试验方案⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．1 7 3 ．3 ．2 试验结果．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．⋯．．．．．．．．⋯1 8 3 ．3 ．3 试验结果分析⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．．⋯⋯2 0 3 ．4 应力释放对煤系土强度影响分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 试验方案．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 ．2 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．5 煤系地层岩石的风化特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．5 ．1 室内干湿循环试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．5 ．2 煤系地层岩土体微观结构研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 3 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 煤系地层开挖边坡加固措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．．．⋯．．4 0 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 边坡加固措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．2 ．1 边坡加固主要措施简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 4 ．2 ．1 抗滑桩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 4 ．2 ．2 锚杆 索 框格梁⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．2 ．3 挡土墙．．．．⋯⋯．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯．．4 1 4 ．2 ．4 排水．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．2 ．5 注浆⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3 郴州市典型煤系地层边坡治理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．3 ．1 同心桥村安置小区滑坡治理工程⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．4 3 4 ．3 ．2 煤系土开挖边坡加固措施总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 4 ．4 边坡加固过程有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 4 ．4 ．1 第一阶段．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．．．4 8 4 ．4 ．2 第二阶段．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯．．⋯．．4 9 4 ．4 ．3 第三阶段．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．⋯．5 0 V T l 万方数据 硕士论文 第1 章绪论 4 ．4 ．4 第四阶段⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．5 l 4 ．4 ．5 各阶段安全系数的变化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，⋯．5 2 4 ．5 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 结论及展望⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．5 4 5 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯5 6 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 攻读学位期间参与的工程项目⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。6 0 致谢⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．6 1 V I I l 万方数据 硕士论文 第1 章绪论 1 绪论 1 ．1 研究目的与意义 郴州位于湖南省东南部，地处南岭山脉中段与罗霄山脉南段交会地带，地 形地貌以山地丘陵为主，约占全市面积的7 5 ％，是湖南对接粤港澳，走向世界的 “南大门”，地理位置十分重要。近年来，在国家经济发展背景和宏观政策影响下， 郴州市城市建设飞速发展，大规模的城市建设，也引发了大量的地质灾害问题， 其中主要以滑坡为主，滑坡约占全市地质灾害总数的7 8 ％以上【1 1 。 郴州地区的覆盖层主要为古生界的寒武系、奥陶系海象沉积岩以及石炭、 二叠系海陆交互相、陆相煤系地层，地质构造较复杂，断层、褶皱很发育，其中 以北北东向规模最大。特殊的地理环境使郴州市长久以来成为湖南省地质灾害的 高发区1 1 。2 1 。 郴州地区的易滑动地层主要为红粘土、“白膏泥”以及煤系地层。其中以煤 系地层边坡工程问题较为突出。煤系地层边坡在原始地形条件下通常处于稳定状 态，在工程建设开始实施之后，随着坡体上部粉质粘土层被挖除，原处于坡体内 部煤系地层出露地表，起初若按l 1 ．1 3 的坡率放坡，则边坡在开挖初期都能自 稳。但由于煤系地层抗风化能力极差，遇水易软化，崩解性强，又加之卸荷作用 的影响，随着时间的推移，这些经人工开挖形成的边坡若不进行加固或加固不及 时，则在降雨诱发下I 孓4 I 几乎都会出现滑坡，其中大多数滑坡属小型浅层滑坡， 其滑动面亦分布在煤系地层中，大型深层滑坡较少。 由于目前关于煤系地层这一特殊岩土体的工程性质在边坡开挖条件下的变 化规律研究较少，导致在实际工程中，人们对煤系地层工程性质的规律没有全面 的认识，因此导致煤系地层开挖边坡治理的失败，常常需要进行二次加固，造成 了不必要的经济损失。因此开展边坡开挖条件下煤系地层工程性质变化规律的研 究，具有重要的理论意义和工程应用价值。 1 _ 2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 煤系地层工程性质的研究 所谓煤系地层，是指含有煤层建造的一套沉积岩层，彼此间大致为连续沉积， 并在成因上有密切关系。煤系地层岩土体的典型工程地质特点是岩层软硬不均， 层间胶结较差，结构松散，开挖后风化速度较快，且遇水易软化，结构易破坏导 致强度丧失等特点，在水和其它外营力作用下易形成软弱带，软弱带大都由煤系 万方数据 万方数据 硕士论文 第1 章绪论 1 ．2 ．2 开挖卸荷对土体工程性质影响研究 在切坡开挖卸载情况下，卸载是影响边坡土体工程性质的主要因素。J u n P i n g Y u a n l l 2 I 通过一系列的三轴试验，对比研究了加载情况与卸载情况下土体的抗剪强 度，试验结果表明加载情况与卸载情况下土体的抗剪强度基本相同，但在应力 ．应变和超孔隙水压力之间存在差异。 W a k e rGK u t s c h k e l l 3 - 1 4 1 研究了在天然硬粘土地层中，其侧向土压力大于其垂 直压力，在开挖这类地层边坡过程中若不进行支护，由于侧向应力释放将使得坡 面向外位移，将引起距离坡面一定距离的剪应力大量增加，因此应力释放将显著 影响边坡整体稳定性及剪切带的发展。由于经典的边坡稳定性分析方法不考虑应 力释放这一影响因素。作者提出了一种新的稳定性计算方法，可用于计算考虑横 向应力释放的边坡的临界稳定高度。 前苏联学者H v o r s l e v l l s l 早在1 9 4 9 年，研究了土体的扰动因素，主要包括原 位应力的解除、含水量和孔隙比的改变、土结构的破坏、化学变化等。 S k e m p t o n 和S o w a l l 6 1 在1 9 6 3 年研究了土样扰动所引起的有效应力变化，研 究中考虑了应力卸载的影响。 刘国彬【1 7 l 等通过对基坑不同开挖阶段的原位试验以及土压力监测结果的分 析，研究了不同开挖阶段下基坑土体力学特性的变化规律，得出了开挖卸载下土 体力学特性的变化规律。 廖红建1 1 8 l 等通过室内三轴剪切试验，探讨了黏性土在浸水后强度指标的变化 情况，同时对土中的应力状态变化情况进行了研究，定量分析了人工切土边坡由 于水、长期地质风化、扰动等因素对其稳定性造成的影响。 刘小会1 19 J 对某基坑的土样进行了不固结不排水三轴试验 u u 试验 以及经过 各向等压固结预处理和K o 固结预处理的不固结不排水三轴试验，并从试验所得 的应力应变关系曲线出发，比较分析了未作预处理和经过预处理的三轴试验结果 之间的差异。 肖世国1 2 眦1 1 等通过理论分析，阐明了边坡开挖后应力与位移的变化趋势，提 出了边坡开挖松弛区的概念及确定方法。 何思明1 2 2 1 运用损伤理论，定义了因卸荷与雨水入渗引起的岩土体损伤，研究 了考虑损伤后岩土体的长期抗剪强度指标。 郭利平1 2 3 1 等通过分析开挖黄土扰动边坡应力的分布特征，运用弹性波衰减与 黄土的抗拉特性，建立了基于边坡开挖扰动所引起黄土边坡破坏的分析模型。 张艳刚1 2 4 J 等采用室内卸荷应力路径试验，结合有限元强度折减法及现场监测 数据，提出了开挖卸荷土体本构模型及其参数。 吴能森1 2 S l 通过室内压缩与抗剪强度试验，研究了边坡开挖对花岗岩残积土工 万方数据 硕士论文 第1 章绪论 程性质的影响。研究结果表明随着边坡的开挖揭露，边坡表面裂缝发展、应力 卸荷及雨水入渗等开挖效应共同作用于边坡土体，导致其弱化。 前人通过室内加载与卸荷应力路径试验、原位监测、理论分析及有限元分析 等方法定性分析了边坡开挖后其应力释放对边坡剪应力、位移及孔隙比的影响， 表明开挖边坡由于扰动、坡面裂缝发展、雨水入渗、风化等因素对边坡岩土体的 长期强度指标造成一定影响。 1 ．2 ．3 风化对煤系地层岩土体工程性质的影响 煤系地层边坡由煤系岩层和其风化物构成，其风化物主要为煤系土。因为煤 系土与煤系岩石在强度上存在巨大差异，因此煤系岩层的风化特性将对煤系地层 边坡的稳定性造成很大的影响。岩质边坡的稳定性受控于其风化破碎程度，同种 岩层风化程度不同所能保持的边坡高度和坡度也不同。不同岩层的差异风化也影 响边坡的稳定性。 M ．G H A F O O R I 等【2 6 - 2 7 1 研究了澳大利亚A s h f i e l d 地区炭质页岩的工程性质，主 要研究了页岩的含水率与风化程度对其强度与变形特性的影响，并与前人的研究 成果进行了对比分析。 王贤能，黄润秋【2 8 】等分析了边坡岩体中的温度场和热应力的分布特征以及边 坡岩体疲劳破坏的机理及判据。 胡杰刚等【2 9 I 通过对某岩质边坡的岩石的剥落量、剥落厚度及风化特征等进行 了原位观测试验，研究发现岩石的风化速度主要受岩性、构造、降雨及干湿循环 频度等因素的控制，并建立了岩石风化速度与降雨量的相关性公式。 杨宗才【30 】等通过原位监测与室内试验对红层泥岩边坡的快速风化特性进行 研究，揭示了红层泥岩边坡的风化过程、风化范围及影响其快速风化的主要因素， 为红层泥岩边坡的生态治理提供了理论依据。 1 ．3 研究主要内容 本文将从以下四个方面对郴州地区边坡开挖条件下煤系土工程性质变化规 律进行初步研究 1 通过总结、归纳郴州地区煤系地层开挖边坡工程实例，分析煤系地层开 挖边坡的主要破坏特点、破坏机理及影响因素。 2 对郴州市某开挖边坡的煤系土进行室内试验研究，通过试验定量分析边 坡开挖卸荷过程中煤系地层快速风化对其物理力学参数的影响规律，建立强度指 标与含水率之间的函数关系。 3 通过室内试验研究边坡开挖过程中应力释放对煤系土强度参数的影响， 4 万方数据 硕士论文第1 章绪论 探讨坡体应力释放与煤系土强度之问的关系。 4 结合以上研究成果，对郴州地区近年来出现的煤系地层开挖边坡工程问 题进行系统整理与分析，通过有限元数值分析对煤系地层开挖边坡的加固措施进 行研究。 万方数据 硕士学位论文第2 章煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析 2 煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析 2 ．1 引言 由于郴州地区地形地貌以山地丘陵为主，其城市发展建设都要牵涉到大量人 工挖方边坡，人工挖方边坡切削山体坡脚，破坏了原山体的平衡体系，引起土体 应力重新分布，边坡开挖揭露之后又加之遭受外地质营力作用，因此人工开挖边 坡失稳率非常高，其中又以煤系地层边坡失稳率最高，几乎到了切坡必垮的地步。 这是因为煤系土特殊的工程性质，其遇水易软化，强度降低幅度很大。本章仅从 开挖煤系土边坡入手，着重分析开挖煤系土边坡破坏特征及其破坏机理，在此基 础上总结煤系土边坡的主要破坏原因及诱发因素。 2 ．2 研究区地质背景 2 ．2 ．1 主要地层岩性 郴州地区分布的主要地层有第四系覆盖层，二迭系、石炭系、泥盆系的灰岩、 自云岩、炭质页岩等，郴少I 1 地区内主要煤系地层为 ①二迭系 P 分上、下两统。上统为斗岭组，下统为当冲组与栖霞组，与 下伏壶天群呈整合接触。 1 二迭系上统，斗岭组 只反 属滨海沼泽含煤碎屑 沉积，与下伏当冲组整合接触。上部灰黑、浅灰、灰绿色细粒石英砂岩，粉砂 岩及砂质页岩夹炭质页岩，长石石英砂岩，含无烟煤3 5 层。下部灰、浅灰、 绿色薄层至中层细粒石英砂岩，粉砂岩，砂质页岩，页岩夹中厚层石英砂岩组成。 2 二迭系下统，当冲组 B d 浅海相硅质沉积，与下伏栖霞组呈假整合接触。 由黑褐色，灰黑色中一薄层状含铁锰质硅质岩组成。 3 二迭系下统，栖霞组 P , q 为含硅质碳酸盐相沉积，与 e ， 呈整合接触。由深灰色，浅灰色中一厚层细 粒及隐晶质灰岩夹白云岩，白云质灰岩组成，顶部常含泥质条带及隧石结核。 ②石炭系 C 该系发育完全，分下统及中上统，下统分为大塘组和岩关组， 中上统合称壶天群。 1 石炭系中上统，壶天群 C ， 属浅海碳酸盐相沉积，与 下伏梓门桥段呈整合接触，以灰黑色，深灰色及浅灰，灰色厚及巨厚层白云岩为 主，夹白云质灰岩组成。 2 石炭系下统，大塘组 G d 本组分为梓桥段 C 1 吐 ， 测水段 C 1 反 ，石瞪子段 C 1 碣 ，与下伏岩关组呈整合接触。 3 石炭系下统， 大塘组，梓门桥段 C l 破 为浅海碳酸盐相沉积，由灰黑，深灰色厚及巨厚层白云 岩为主夹白云质灰岩，灰岩组成。 4 石炭系下统，大塘组，测水段 C l 吐 属浅 海碎屑岩相与滨海沼泽含煤碎屑沉积，主要深灰、灰白色薄至中层细粒石英砂岩， 6 万方数据 硕士学位论文 第2 章煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析 粉砂岩为主，夹页岩，炭质页岩，劣质煤层，煤层常变为炭质页岩夹煤线。 5 石炭系下统，大塘组，石瞪子段 C , d 1 浅海碳酸盐相沉积，与下伏岩关组呈整合 接触。以深灰，灰黑色中厚及厚层状灰岩为主，下、中部夹白云质灰岩或白云岩， 灰岩常含隧石结核及条带，中、上部夹泥质灰岩，钙质页岩及少量白云岩。 6 石炭系下统，岩关组 C l y ，本组大体上为浅海碳酸盐相沉积，分为上段 G n ， 下段 C l Y ， 两段，与下伏锡矿山组呈整合接触。 7 石炭系下统，岩关组 C 1 Y ， 上段 G Y 2 。钙质页岩为主，局部为泥灰岩，薄层泥质灰岩及粉砂岩。 8 石炭 系下统，岩关组 G ． ， ，下段 C l M 由深灰、灰黑色中厚至厚层状隐晶质灰岩， 白云质灰岩，局部夹泥质灰岩，泥灰岩组成。 ③泥盆系上统 皿 研究区内仅出露锡矿山组，该组分上、下两段，主要 属浅海碳酸欲相沉积，局部上段为浅海碎屑岩相和浅海泥灰岩相沉积，与下伏余 田桥组呈整合接触。 1 泥盆系上统，锡矿山组，上段 D 3 。， 由灰岩，泥质灰岩， 砂质灰岩，泥灰岩变为粉砂岩，细粒石英砂岩及页岩。 2 泥徐系上统锡矿山组， 下段 D 3 。， 由灰岩，白云质灰岩组成，夹少量白云岩及泥质灰岩【3 。 2 ．2 ．2 区域地质构造 郴州处于华南褶皱系的赣湘桂粤褶皱带与华夏褶皱带之间，区域上从东往西 分为湘东燕山断块带、湘中一湘南印支褶皱带、湘东南加里东褶皱带。郴州区 域构造格局白震旦纪以来，在经历地槽、地台及地台活化二个构造发展阶段的过 程中，又发生了多次伸展和挤压交替；特别在活化阶段，构造应力最多变1 3 2 1 。在 经历了不同时期的构造应力场变化后，郴州地区形成了以北东和北西向为主的断 裂构造格局，对郴州地区的构造发展起到了重要的影响1 3 3 l 。北东向的断裂带主要 有①株洲一祁阳一零陵断裂 带 、②枚县一末阳断裂 带 ；北西向断裂带主要 有③邵阳一郴州、④绥宁一道县两条断裂 带 ；北东东向断裂带主要有⑤炎陵 一郴州一蓝山断裂 带 [ 3 4 - 3 5 1 。 2 ．2 ．3 气象水文条件 郴州属中亚热带季风性湿润气候，具有亚热带与温带过渡型气候特征，春季 阴雨连绵，低温潮湿；夏季降雨量大，常常形成暴雨，气温高；秋季降雨适中， 秋高气爽，但也常有暴雨；冬季，降雨较少，寒冷干燥。根据郴州市气象站资料， 郴州站年降雨量1 0 8 5 ．8 - 2 2 4 7 ．6 n l m m ，多年平均降雨量为1 4 8 6 ．5 m m ，日最大降雨 量2 9 5 ．3 m m 1 2 小时 ，年降水日平均为1 8 1 ．1 天，年平均蒸发量为1 4 9 5 ．9 m m 。 该区每年4 9 月为雨季，雨季降水量占全年总降水量的6 4 ．7 ％，暴雨、阵雨大都 在此时间段内发生。7 月份雨量相对较少，只占全年总量的8 ％，8 月雨量明显增 万方数据 硕士学位论文第2 章煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析 多，占全年总量的1 4 ％。特殊的气象水文条件是郴州市地质灾害频发的主要原因 之一1 3 6 1 。 2 ．3 开挖条件下煤系土边坡破坏基本特征 边坡的破坏形式复杂多样，从岩土体滑坡到泥石流，从硬岩到敏感的粘土和 黄土，边坡破坏的运动模式及坡体的岩士体材料差异很大；同时，滑坡的诱发因 素也是种多样的，包括人工开挖、降雨以及地震等。L e r o u e i l l 3 7 1 等定义了边坡运 动的四个阶段a 、前期变形阶段，包括应力条件改变下边坡的变形、蠕变渐进 破坏；b 、滑坡形成阶段，不稳定岩土体通过崩落、滑动与稳定的岩土体分离形 成一个连续的剪切面；c 、破坏阶段，即滑坡形成到基本稳定的过程d 、重新启 动阶段，岩土体沿一个或几个己存在的剪切面再次滑动。 边坡成因由于郴州属于地形复杂的山岭城市，对于这种不平整的山地或者 丘陵地区，在城市建设中平整场地时常常面临着高挖方的边坡工程，因此郴州出 现了大量的人工挖方边坡。 边坡类型郴州煤系地层开挖边坡多为岩土混合边坡，边坡下部为中风化一 强风化的炭质类岩石，包括炭质页岩，炭质泥岩，炭质灰岩等。通常中风化一强 风化炭质岩层层厚较大，一般深约几十米。上部为炭质类岩石的风化物，多为煤 系土。边坡表层覆盖一层工程性质较好的粉质粘土层。 一三冀 黼厘丝地理堡 ≮ ■ 。S ～之 ≥蕊、越＼＼ 一寒妄≥≤三≤兰 E 二≥之 二二 之j S 中风他炭质坭岩 ” j ／ o 、、 囫粉质粘土 一～一、～ 匡| 瓤化泥岩 ～ 目中风化泥岩困地形缦[ ] 岩层巽砸 O102 03 04 05 0 6 0 图2 - 1煤系地层边坡工程典型地履割面 万方数据 硕士学位论文第2 章煤系地层开挖边坡破坏特点及原因分析 2 ．3 ．2 边坡破坏模式 边坡广义的破坏模式有崩塌、坍塌、滑塌、倾倒、错落等。 崩塌，是陡坡上的巨大岩土体在重力和其他外力作用下，突然脱离母体向下 崩落、滚动、堆积在坡脚 或沟谷 的地质现象。原岩体 或土体 结构遭到严 重破坏。 坍塌，是土层、堆积层或风化破碎岩层斜坡，由于土壤中水和裂隙水的作用、 河流冲刷或人工开挖陡坡于岩体自身强度所能保持的坡度而产生逐层塌落的变 形现象。 滑塌，是斜坡上的岩体或土体，在重力和其他外力作用下，沿坡体内新形成 的滑面整体向下以水平滑移为主的现象。它与坡体滑坡十分类似，滑坡是沿坡体 内一定的软弱面整体向下滑动。 倾倒，是陡倾的岩体由于卸荷回弹和其他外力作用，绕其底部某点向临空方 向倾倒的现象，它可以转化为崩塌或滑塌，也可以停止在倾倒变形阶段。 错落，是被陡倾的构造面与后部完整岩体分开的较破碎岩体，因坡脚受冲刷 或人工开挖和震动影响，下伏软弱层不足以承受上部岩体压力而被压缩，引起坡 体以垂直下错为主的变形现象。 关于边坡的破坏类型，1 9 7 8 年美国学者D ．J ．V a m e s 曾按边坡岩土的种类及运 动形式提出一个分类边，如表2 2 ，被国际上广泛应用。 表2 - 1 边坡变形类型 郴州地区的煤系土边坡变形一般会经历三个阶段1 前期破坏阶段，即蠕 变；2 滑坡形成阶段，即滑动阶段；3 稳定阶段。其