硕士毕业答辩.ppt
2010级建筑与土木工程专业硕士毕业论文答辩,花石沟隧道洞口边坡数值模拟及其稳定性分析,答 辩 人：指导教师：时 间：,主要内容,课题研究背景课题研究内容工程现场概况边坡稳定性分析方法及破坏模式洞口稳定性分析评价数值模拟计算结论与展望,1 课题研究背景,十白高速公路花石沟隧道为一座高速公路分离式长隧道，该隧道地处鄂西南中高山区，地质、地形地貌条件异常复杂，全长2142m，最大埋深约253m。隧道出口处由于坡脚的开挖在坡体前缘形成临空面，诱发古滑坡体的复活，于2010年6月中旬山体发生滑动，地表出现轻微开裂变形，严重影响隧道出口段的施工。,因此为保证隧道进洞口施工的顺利进行以及隧道洞门的稳定性，本文结合湖北省交通厅科技项目环境变化与工程活动条件下滑坡体演化特征及其防治技术研究，依托十白高速公路花石沟隧道工程，在总结、分析国内外的研究成果及相关信息资料的基础上，通过现场地质调查、原位试验、室内试验、理论分析及数值模拟综合手段，开展滑坡体地质条件下的隧道开挖过程的数值仿真及进洞口仰坡的动态稳定性研究分析。,2 课题研究内容,3 工程现场概况,花石沟隧道位于十堰市郧县胡家营镇陈庄村四组东侧斜坡地带，出口轴线270，隧址区属构造剥蚀丘陵低山地貌区，地形起伏较大，植被较发育。隧道轴线经过地段地面高程约290540m。隧道出口地形坡度稍陡，自然坡脚约2030。隧道轴线经过地段地面高程约300m558m。隧道进出口位于斜坡地带，进口斜坡较陡，出口斜坡较缓，表层均为第四系残坡积物覆盖，植被较发育，斜坡自然状态下稳定性较好。但开挖时，特别是雨季，上覆第四系覆盖层易沿岩土界面局部垮塌；下伏片岩片理走向与隧道轴线呈较小角度相交，节理裂隙较发育，洞口开挖左侧边坡存在一定的外倾结构面，稳定性较差；其余开挖边、仰坡岩体受结构面组合作用在施工扰动、雨水冲刷下易局部垮塌。,坡脚形态,隧道仰坡形态,花石沟隧道出口处坡脚的开挖将在坡体前缘形成临空面，诱发古滑坡体的复活，于2010年6月中旬山体发生滑动，地表出现轻微开裂变形，同时衬砌出现开裂，严重影响隧道出口段的施工。,开裂变形,洞口衬砌开裂,现场踏勘,现场测量,边坡现场取样,洞内环刀取样,容重试验,挖土,填水,容重试验成果表,直剪试验,堆载,直剪,直剪试验成果表,隧道在进洞施工过程中，对洞口边坡坡面进行了处理，采用喷浆挂钢筋网方式，对坡面进行了加固，但是目前坡面喷浆面也已经出现了开裂现象，影响到进洞施工的安全及顺利进行。,坡面喷浆加固,坡面开裂,隧道轴线经过地段地面高程约290540m，场区地形经人工形成多级平台，边坡平面上呈“圈椅状”，方向285，边坡后缘高程364m，前缘高程292m，前后缘高差72m。,场区边坡全貌,边坡冲沟（边界）,花石沟洞口仰坡破坏模式,坍塌破坏,张拉破坏,花石沟隧道洞口岩石力学实验成果,根据现场探勘调查以及前期设计院地勘资料，得出结果如下：拟建花石沟隧道进口段位于斜坡地带，地形呈凹槽状，原始地面坡度25左右。隧道进口段位于古滑坡体上，滑坡后缘高程364m，前缘高程292m，前后缘高差72m。后缘位于隧道进口附近陡坎处，滑坡主滑方向285，滑坡纵长约200m，横宽约120m，覆盖层平均厚度约8.0m，面积约22394m2，体积约179152m3。第四系覆盖层主要为碎石土及粉质粘土夹碎石，滑床为片岩，土岩结合面倾角24，属外倾结构面，具备了沿土岩界面下滑形成滑坡的地质条件。在居民搬迁后，施工单位对隧道出口部位进行修整，局部位置切坡形成了临空面，改变了原来边坡的力学平衡条件，促使边坡失稳，隧道仰坡产生轻微滑动。目前边坡处于不稳定状态。,3 边坡稳定性分析方法及破坏模式,边坡稳定性分析方法,工程地质分析法,边坡稳定性数据库和专家系统,图解法,定性分析方法,Add Your Text,Add Your Text,Add Your Text,定量分析方法,Add Your Text,Add Your Text,2,数值分析方法,边坡稳定性分析方法,极限平衡法,主要有Fellenius法、Bishop法、Jaubu法、Morgenstem-Prince法、Spencer法、传递系数法Sarma法,主要有有限单元法、离散单元法、非连续变形分析方法、快速拉格朗日分析法、数值流形方法、界面元方法、无单元法,边坡破坏模式,4 洞口稳定性分析评价,根据场区边坡的工程地质条件及特征，边坡简化为二维空间问题进行分析，采用传递系数法进行计算，在分析过程中，滑面线按折线处理，取单宽进行研究，滑体及滑床按均质刚性体处理。在进行安全稳定性系数计算时考虑下述工况条件：天然状态、暴雨工况。,1-1剖面稳定性分析条分图,2-2剖面稳定性分析条分图,3-3剖面稳定性分析条分图,边坡稳定系数计算成果表,根据上述分析计算结果可得出以下结论：在天然状态下，边坡稳定系数1.1391.225，整体处于基本稳定状态，但安全储备较低。在多雨状态下，边坡稳定系数0.9491.021，边坡处于不稳定状态。,边坡推力（KN/m）计算成果表,5 数值模拟计算,一、隧道洞口开挖动态模拟,本文采用FLAC3D软件进行数值模拟计算，由于地质的复杂性不和确定性，考虑到勘查的滑坡体范围及洞口地形，模拟花石沟隧道进洞口边坡模型宽152m，纵向长度右洞为130m，左洞为150m，右洞顶山体高为45m，左洞顶山体高为80m，隧道下部模拟深度为14m。隧道洞口直径为12m，双洞间距为40m。,洞口段地形,数值模拟模型图,在进行模拟时，将整个模型分为表层碎石土层，中层弱风化岩层以及下层强风化岩层，边坡表层碎石土层采用elastic（弹性）模型，弱风化及强风化岩层采用mohr（摩尔库伦）模型，衬砌结构则采用了cshell单元进行模拟，在整个建模过程中，应用brick，radcylinder实体单元模拟整个隧道围岩及边坡结构，在开挖时采用null（空模型）来模拟开挖效果。,每次开挖2m，随后紧跟衬砌。隧道开挖模拟进深为30m。其中左洞先开挖20m后，右洞开始开挖。开挖过程一共进行十五步。模拟记录了YK53+300，ZK53+300断面的围岩拱顶纵向位移以及边墙水平位移，同时分析了洞口围岩变形速率和开挖引起应力变化。并且对隧道左洞地表边坡进行沉降位移记录（如图），每个点之间的水平间距为10m，分析隧道洞口开挖对边坡稳定性的影响。,左洞上方边坡表面监测示意图,天然情况下隧道进洞开挖模拟位移分析,左洞开挖过程拱顶沉降监测,左洞开挖过程拱腰沉降监测,右洞开挖过程拱顶沉降监测,右洞开挖过程拱腰沉降监测,天然情况下隧道洞口竖向应力分析,左洞横断面,左洞纵断面,天然情况下隧道洞口水平应力分析,左洞横断面,左洞纵断面,边坡加固下隧道进洞段开挖模拟位移分析,左洞开挖过程拱顶沉降监测,左洞开挖过程拱腰沉降监测,右洞开挖过程拱顶沉降监测,右洞开挖过程拱腰沉降监测,自然及支护条件洞口位移对比表 单位（mm）,（1）支护条件下，隧道洞口的拱顶及拱腰变形位移均有所减小（除右洞拱腰），其中左洞拱顶位移减小幅度为30%，拱腰减小幅度为48%，右洞拱顶位移减小幅度为8.9%。右洞拱腰处的水平位移相对不变。（2）在采用边坡支护措施后，洞口的位移得到相应的降低，说明洞口仰坡在加固后，有利于隧道洞口的开挖施工，并且能够相应的控制洞口的形变位移。其中对先进洞（左洞）的开挖影响最为明显。这是由于隧道洞口先施工洞口受到扰动较大，而后进洞时由于先进洞洞口对围岩已经产生了应力重分布并且围岩应力趋于稳定，同时先进洞（左洞）处地应力要高于后进洞（右洞），因此其扰动位移反应比先进洞洞口位移小。,边坡加固下隧道洞口竖向应力分析,左洞横断面,左洞纵断面,边坡加固下隧道洞口水平应力分析,左洞横断面,左洞纵断面,隧道进洞开挖对洞口边坡的影响分析,自然条件仰坡表面监测点沉降记录（单位：cm）,支护条件仰坡表面监测点沉降记录（单位：cm）,自然及支护条件下边坡监测点最大位移对比单位（cm）,（1）支护条件下，各个监测点的沉降均得到相应的减小，其中1号点减小幅度为53%，2号点减小幅度为58.6%，其中3号点减小幅度为65.7%，其中4号点减小幅度为80.9%。说明边坡采取支护措施后，隧道边坡沉降位移得到了有效的控制。（2）自然条件下，2，3，4号点最终沉降均大于10cm，说明坡体已经出现破坏，产生滑坡现象，支护条件下，1，2，3，4号点最终沉降均小于10cm，说明支护措施有效的保证了边坡的稳定，保证了隧道进洞施工的安全。,自然状况下隧道洞口仰坡应力分析,自然条件边坡竖向应力云图,自然条件边坡水平向应力云图,边坡支护下隧道洞口仰坡竖向应力分析,自然条件边坡竖向应力云图,自然条件边坡水平向应力云图,塑性区分析,左洞开挖进深2m,左洞开挖进深10m,左洞开挖进深20m,左洞开挖进深30m,二、边坡稳定性数值模拟计算分析,本文采用强度折减法对边坡稳定性系数进行计算，强度折减法虽然只对抗剪强度参数c和进行折减，但由于其基于数值模拟技术，相对极限平衡方法而言，要输入更多的强度参数。此外，还受到某些因素如网格、边界范围等因素的影响，因此，这些因素的范围确定对计算结果有一定的影响，需正确选取。,模拟范围示意图,由于地质的复杂性不和确定性，考虑到勘查的滑坡体范围及进洞口地形以及计算时间的节省，模拟花石沟隧道进洞口边坡模型X方向边坡长200m，Y方向研究厚度为0.5m，Z方向为边坡高度72m。模拟共分四种情况，一是原始状态模拟，即边坡原始状态，未进行任何处理措施；二是对边坡进洞时进行洞口处坡脚削坡；三是对边坡进行削坡并进行表面喷浆及锚杆支护，其中锚杆位置每隔2m打入一锚杆，杆体埋入长度为1.5m；四是利用抗滑桩来加固边坡，桩径为1m，桩长为8m，抗滑桩位置位于滑动面前部。,自然状况边坡模型,削坡后边坡模型,锚杆加固边坡模型,抗滑桩加固边坡模型,边坡稳定系数计算成果,（1）在自然状况下，洞口边坡稳定性安全系数为1，其边坡以及处于极限平衡状态，如果进行洞口段开挖施工，必定会影响到洞口边坡的稳定性；（2）当坡脚进行开挖时，其洞口边坡稳定性安全系数为0.91，很明显，其边坡已经发生破坏，说明对洞口边坡坡脚的开挖施工，直接对边坡的初始稳定性性造成了影响，并且破坏了边坡的自稳；（3）在坡脚开挖后，对边坡采用锚杆喷浆加固措施后，边坡的稳定性系数提高到1.23，其边坡得到加固，而采用抗滑桩技术之后，边坡的稳定性系数提高到1.202。,天然状态剪应力云图,坡脚开挖后剪应力云图,边坡堆积处及边坡前沿出现应力集中，边坡上部剪应力变化趋势成线型分布，边坡上部表层主要为碎石土，强度较低，坡脚堆积体处的剪应力在岩土分界线上变化比较大，因此边坡极有可能沿岩土分界线滑动。在边坡坡脚挖除后，坡前集中的剪应力被释放，因此在应力突然释放过程中，边坡的应力发生重分布，边坡的初始稳定性被打破，坡脚形成临空面，因此坡体很容易沿着岩土分界线发生滑动。,7 结论与展望,（1）花石沟边坡不稳定形成的主要因素为：岩土结合面属于外倾结构，具备形成滑坡的地质条件；坡体上部表层碎石土强度降低，并且容易受到水力作用发生；在修建隧道洞口场地整平过程中的坡脚开挖，使得坡脚形成了临空面，这也是花石沟隧道洞口边坡不稳定的最主要因素。（2）采用传递系数法对边坡进行了稳定性计算：在天然状态下，边坡稳定系数1.1391.225，整体处于基本稳定状态，但安全储备系数偏低；在多雨状态下，边坡稳定系数0.9491.021，边坡处于不稳定状态。,结论,（3）采用边坡稳定性数值模拟分析，计算结果显示：在天然状况下，边坡稳定性系数为1.000，该边坡处于极限平衡状态，同时也时时处于危险状态，隧道洞口坡脚开挖后，边坡安全稳定性系数为0.91；在采用锚固喷浆加固后的边坡安全系数为1.230，抗滑桩加固后的边坡安全系数为1.202，符合高速公路安全系数的标准。（4）通过边坡理论分析及数值模拟计算可知，花石沟边坡为坡前堆积体边坡，在岩土分层界线上部岩体剪应力发生较大变化，岩石发生剪应力屈服，后沿岩土发生拉应力屈服，上层填筑土极易沿岩土分层界线滑动。其破坏模式主要为为张拉破坏模式及坍塌破坏。,（5）在隧道进洞开挖进行时，会对隧道围岩及边坡产生扰动，并且使得围岩及边坡出现应力重分布现象，在开挖过程中，随着隧道开挖的进行，隧道洞口拱顶及拱腰处的变形位移不断增大，并且在开挖进深不断增大的情况下，隧道洞口拱顶及拱腰的位移变形增量趋势不断趋于平缓。（6）在隧道洞口段开挖施工过程中，洞口的拱顶及拱腰位移变形在刚开挖时，变形增量最大，在隧道洞口段开挖时，初步进洞开挖对隧道围岩的扰动最大，并且洞口的位移变形也最大，因此在施工中要尤其注意初步进洞时的安全，及时的进行洞口位移监测和支护加固工作。,（7）在隧道洞口段开挖过程中，随着开挖的进行，隧道洞口仰坡表面受到影响并且出现沉降，并且沉降逐渐增大。在仰坡表面沉降中，初步进洞时沉降增量最大，随后随着开挖不断进行，地表沉降增量逐渐减小，增量趋势逐渐平缓。（8）开挖过程中，隧道坡面的沉降分布为中间大，两边小，并且最大沉降区域一般出现在掌子面以上坡面处。因此要主要掌子面开挖对坡面的影响，对掌子面的开挖进行及时的监控，采用适当的开挖方法以保证坡面沉降和仰坡稳定。（9）在进行隧道洞口段施工时，必须对边坡进行加固支护，建议采用地表排水+格构锚杆+表面喷浆组合方法进行边坡加固。同时要做好地表监测及隧道内监测工作，以指导施工，动态设计。,（1）在进行初始应力场的计算时，仅考虑自重应力场而忽略了构造应力场，在今后类似的研究中应根据地应力测量资料更为准确的设置初始应力状态。（2）在进行洞口段开挖动态数值模拟参数的选取时，本文采用了等效原则，仅通过提高材料参数的方式将锚杆、钢拱架、超前支护的支护效果等效到喷射混凝土和加固区围岩之上，同时在进行边坡支护的措施上也是采用了同样的方法，因此未能完全反应支护效应。（3）本文在建立洞口段数值模拟模型时采取了简化措施，并未考虑在洞口开挖前的削坡过程，所以最终的得到的数值模拟分析结果并不完善。（4）边坡稳定性系数数值模拟计算时只考虑了边坡的一个断面的安全系数情况，并不是整体边坡安全系数，因此不能对整体的边坡稳定性进行全面的了解，在今后的工作中，将对多个有代表性的断面安全系数进行数值模拟计算。,展望,谢谢大家！,
