边坡开题报告.doc
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1、攻读硕士学位研究生学位论文开题报告学 院: 交通与土木工程学院 专 业: 森林工程 学 号: 1141326002 姓 名: 俞椿辉 研究方向: 道路与建筑工程 指导教师: 张正雄 教授 论文题目: 闽西北山区公路滑坡灾害 成因分析与防治策略研究 制定时间: 2015年11月15日 福建农林大学研究生处制表一、 本研究的立题依据和目标1、本项目研究的意义及在国内外的研究现状与存在的问题;1.1 研究意义滑坡是一种常见的全球性分布的地质灾害。自二十世纪以来,随着经济发展、人口增加、人类对资源需求和生存空间不断扩大,促使各类工程活动对地质环境的扰动不断加大,近年来受全球气候变化的影响,各类极端天气
2、层出不穷,造成滑坡灾害发生的频率越来越高,分布的范围越来越广,所造成的生命、财产损失也不断地加大。如今滑坡已成为全球性的三大自然灾害之一。 中国是世界上滑坡地质灾害最为严重的地区之一,特别是二十世纪80年代以来,随着经济飞速发展及自然环境条件因素的影响,滑坡地质灾害的发生有逐年增加的趋势。滑坡灾害在全国范围内皆有分布,尤其是在断裂构造发育、地震活动频繁的西部地区,滑坡更是以其规模大、成因机制复杂、危害性大等特点在全球范围内具有典型性和代表性。如2001年5月1日重庆武隆县城岩石边坡滑塌造成79人死亡;2010年3月10日,陕西子洲县双湖峪镇双湖峪村石沟发生山体滑坡地质灾害,44人被压埋。这些血
3、的教训告诫我们对滑坡灾害再也不能漠视。闽西北地处东南沿海,属于低山、丘陵区,境内峰峦叠嶂、丘陵起伏,素有“八山一水一分田”之称,地质条件复杂,地质环境脆弱。因为山多地少,用地条件差,境内公路建设多需开山挖隧和高填深挖,形成了大量的高陡边坡。同时,福建属于亚热带海洋性季风型山地气候,台风暴雨多,降雨量大,年降雨量达800-1900mm。特殊的气候条件和地质环境条件极易诱发大量的崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害,使闽西北成为全国边坡失稳滑坡等地质灾害的主要易发区和多发区之一,给闽西北的经济发展、公路建设和人民生命财产安全带来了极大的危害。例如2014年8月19日,延顺高速峡阳镇安科村大源隧道口发生山体
4、滑坡,导致4名工人被埋压。当消防人员赶赴现场时,4名被埋压工人均已无生命迹象。目前关于闽西北山区公路滑坡灾害问题的研究极少,对滑坡的发生条件和成灾规律缺乏系统的认识,致使滑坡的调查和滑坡治理方案确定时常常出现失误,从而导致工期延误和经济损失。因此,系统研究省内山区公路滑坡的发育规律,对我省的公路建设是十分重要的。通过对闽西北山区公路滑坡的调查分析,研究滑坡发育规律,结合工程实例进行滑坡稳定性分析,确定易滑区域,提出各类滑坡合理的防治对策,对减少滑坡灾害的发生和采取经济合理的治理措施是十分重要的,对指导今后的公路建设和保障已建公路的畅通均具有十分重要的现实意义。1.2国内外滑坡研究现状边坡是人类
5、工程活动中最普遍的地质地貌环境之一,由于各种不利地质环境的影响和人为破坏的因素,边坡经常发生变形失稳破坏,如滑坡、崩塌、泥石流等,严重威胁人们的生命、财产安全,给工程经济造成了重大损失。滑坡灾害给世界各国造成的经济损失估计每年可达数十亿美元,治理的费用惊人。因此滑坡灾害作为三大地质灾害之一,己引起了岩土工程界的极大关注1。20世纪90年代:形成了“系统工程地质学”和“工程地质系统集成”等学术思想,开始了从认识地质体向适应乃至改造地质体、从认识地质灾害向控制灾害发生的过度。20世纪90年代初,现代系统科学的重要组成部分非线性科学26被引入到地质灾害的研究中。人们借助于非线性科学,认识到系统形成与
6、演变的非线性特性。由此可见,对崩滑地质灾害的研究,在认识上,人们走过了对系统认识从封闭到半开放、开放,对系统行为从确定性到随机性、混沌性,对系统内涵从线性到非线性的历程;在理论基础上,人们逐步将传统静力学、近代岩体力学、现代数理力学及非线性科学理论引入应用;在行为目的上,从认识灾害发生机制、评价预测其发生可能性到进行灾害控制与治理,走过了从认识自然到改造自然的艰难历程。尽管如此,人们还是不得不承认这样一个事实:迄今为止,崩滑地质灾害的评价、预测问题并没有得到根本性解决,灾害仍在频繁发生,我们仍面临着极高的地质灾害风险。90年代以后,系统科学、非线性科学的思想被引入复杂地质过程和边坡稳定性研究7
7、8,认识到了复杂边坡地质体的稳定性及其控制机制和可能的控制途径,认识到了系统形成与演变的非线形特性,从而跨越了从线性系统到非线性系统的历史性转变。认识到不仅要对岩体结构进行精细描述研究,而且还要追溯其原始建造、内动力改造、浅表生改造的全过程,提出了“浅生时效构造理论”。另外,从河谷发育的动力学过程出发,提出了自然河谷边坡发育的三阶段理论,即表生改造、时效变形和失稳破坏9。在理论分析滑坡稳定性影响因素方面有很多成果,如蔡永胜等在长江三峡库区巴东县黄土坡滑坡稳态分析及防滑措施中讲述为了防止长江三峡库区巴东县黄土坡整体失稳,分析了多种因素对滑坡稳定性的影响,并用SARMA法对滑体稳定性进行了计算分析
8、,考虑了滑体不同部位的岩体构成,并和有限元计算结果进行了比较10。在分析、计算、判断的基础上,得出结论:在久雨或暴雨的情况下,只有防止大气降水和人类排水渗入地下,才能预防滑体大规模失稳。并根据黄土坡的地形条件,提出若干改善滑坡体稳定性的工程措施。除了运用SARMA法,Bishop11在假设滑动面为圆弧滑动面的基础上,提出了修正的条分法,该方法可满足力矩平衡条件和垂直方向的力平衡条件,但是不满足水平方向的力平衡条件。Zienkiewicz等12首次在土工弹塑性的有限元数值分析中提出了抗剪强度折减系数的概念,并给定了强度储备安全系数,经验证,在概念上其与Bishop在极限平衡中给定的稳定安全系数是
9、一致的。张彬等在三峡库区某滑坡的稳定性分析与评价中说明结合试验资料,通过已知稳定状态的边坡反演其滑移面的抗剪强度指标,是进行边坡稳定性评价的一种重要方法13。在研究三峡库区某滑坡的工程地质条件及滑坡体基本特征的基础上,分析了诱发坡体失稳的主要因素,评价了边坡的稳定性。石豫川等在特大多期复合型滑坡稳定性评价及因素敏感性分析一文中对西南某水电站库区一特大型、多期复合型滑坡所处的工程环境条件、自身结构及物质组成特征等进行了认真调查和研究14。通过定性分析和定量评价,对滑坡整体及分期稳定性进行了综合评价。同时,根据实际情况,对滑坡稳定性影响因素进行了敏感性分析。谢飞鸿等在成南高速公路滑坡稳定性分析及治
10、理一文中对该滑坡的形成条件、影响滑坡稳定性的因素、滑动面和滑带土的性质进行分析、评价,对边坡稳定性进行了坡前和滑坡后的稳定计算和论证,充分认识工程建设和地质环境的互馈作用15。根据滑坡的环境地质特点对滑坡的治理提出支挡和排水的综合措施。范宣梅深入分析了暴雨诱发四川省宣汉县人台乡特大型滑坡的成因机理,归纳总结了降雨降低滑坡体稳定性的因素,并通过因素敏感性分析,比较了各种因素的影响程度16。许建聪在碎石土滑坡的因素敏感性计算分析一文中分析了影响碎石土滑坡各因素的敏感性,结果表明,按因素敏感度从大到小排列,主要影响碎石土滑坡稳定性的因素依次为滑面岩土体内摩擦角、地形坡度、滑体饱水面积比和滑面岩土体的
11、内聚力17。地形坡度大、具有低内摩擦角滑面的碎石土滑坡的整体稳定性较差,而连续降雨、强降雨会抬高地下水位增大滑体饱水面积比,降低滑面带岩土体抗剪强度,增加下滑力,对碎石土滑坡的稳定性将产生最不利的影响。张友谊等在陇西河滑坡成因分析及其稳定性评价一文中结合滑坡的工程地质特征及变形特征,对滑坡的成因机制进行了分析,分析表明影响滑坡稳定性主要因素为软硬相间的顺向岩层面、降雨、河水侵蚀及地下水的影响18。并对滑坡的稳定性进行了计算评价,为滑坡治理提供依据。吕国庆在影响边坡稳定性的因素分析一文中说明影响边坡稳定性的因素主要有内在因素和外部因素两方面,内在因素包括组成边坡的地貌特征、岩土体的性质、地质构造
12、、岩土体结构、岩体初始应力等19。外部因素包括水的作用、地震、岩体风化程度、工程荷载条件及人为因素。内在因素对边坡的稳定性起控制作用,外部因素起诱发破坏作用。有限元(FEM)法20是最早应用于岩土体稳定性分析,也是目前应用最广泛的数值分析方法,它充分考虑了土质边坡的非均质和不连续性,全面满足了静力许可和应力、应变之间的本构关系。Zienkiewicz等21首次在土工弹塑性的有限元数值分析中提出了抗剪强度折减系数的概念,并给定了强度储备安全系数,经验证,在概念上其与Bishop在极限平衡中给定的稳定安全系数是一致的。Wright等22利用有限元法分析了沿着边坡滑动面上的正向应力,通过计算给出了局
13、部安全系数的分布,但其无法代表整体的安全性。Jons23利用有限元方法及其试验模型,对威尔士煤田的边坡稳定性与采矿沉陷性状的相关性进行了验证分析。陈全明、任光明等24在对土质边坡进行岩体质量分级的基础上,采用有限单元法对天然与地震两种工况下的土质边坡稳定性进行了分析,并对其非线性有限元模型进行了强度折减,得出土质边坡的安全系数,为土质边坡的施工、加固提供了参考。孙树芳、车颖辉等25采用基于ABAQUS的强度折减有限元法分析了土质边坡的稳定性,以塑性区的贯通作为失稳判据,通过不停的调整折减系数确定最终的安全系数,并与极限平衡法进行了对比,表明了基于强度折减理论的有限元法在分析土质边坡稳定性的可行
14、性。康平、穆伟等26结合工程实例,采用有限元强度折减法对某公路的边坡进行了稳定性分析,说明了强度折减法在公路边坡稳定性分析的适用性,在边坡内应力反应方面,有限元法比极限平衡法具有优势,为边坡灾害的防治提供了指导。滑坡防治工程实质上是对滑坡体的工程地质进行控制、改造,进入21世纪后,我国滑坡防治工程从单纯被动支护逐渐进入到主动支护、主动与被动支护相结合的阶段。虽然预应力技术在重大滑坡的防治中占的比重越来越大,框架预应力错索、预应力锚索抗滑桩、锚杆挡墙和喷锚网等技术都得到了广泛的应用和发展,但是我国滑坡防治的主要工程措施依然是抗滑桩和挡土墙。同时,滑带改良工程也正在越来越受重视27。国内的滑坡防治
15、工程的理论基础为摩尔库仑经典理论,虽然现在我国许多学者发展和引入了许多的理论,但基本上都是对摩尔库仑经典理论的佐证和补充,并没有新的理论产生2829。迄今国内的大型滑坡防治工程基本上都是成功的,但是由于摩尔库仑经典理论不能详尽刻画滑坡体变形破坏机理等的缺点存在,因此只能保守的增加投入来保证工程的安全度和可靠度,使费用大大增加了。滑坡防治工程是地质勘察、设计和施工的有机结合体,地质勘察是主线,设计则为沟通地质勘察和施工的桥梁30。首先,要进行场地详勘,查明滑坡的形成条件、产生原因、变形破坏机理和几何边界条件,但是前期地质勘查工作不足、勘查技术欠缺和判失误,是现在致使滑坡治理工程失败的主要原因。然
16、后再通过试验法、反算法和经验法综合选择得到滑体的物理力学参数,得出评价滑坡稳定性评价,给出治理方案,选定施工图设计和监测系统的设计。不得不说的是,并行性设计已在滑坡防治工程设计中广泛应用。还有智能专家系统、动态设计和信息化施工也都在滑坡防治工程中取得了显著的经济效益。而在施工阶段之前监测系统的建立是必要的,根据治理前的初始监测数据和施工过程的监测数据来了解施工干扰对滑坡稳定性的影响,保证施工安全。但是往往由于施工季节、工序和方法的不科学造成滑坡范围扩大或急剧滑动是现在滑坡治理施工中的主要问题之一31。滑坡防治工程常常采用的措施主要有3234:绕避滑坡、减重和反压工程、截、排水工程、支挡工程、滑
17、带土改良工程或综合工程措施等几个方面。随着滑坡各项研究的发展和深入,防治工程措施也在完善已有措施的基础上向轻型化、向小型化发展35。随着高强度锚索的生产和防腐技术的解决,锚索技术自20世纪80年代以来大量应用于滑坡防治工程。由于预应力锚索从本质上改变了支挡结构物受力状态,而机械化施工对滑坡体扰动又小,所以应用前景非常广阔。其可与抗滑桩联合使用,形成预应力锚索抗滑桩,大大减小了抗滑桩的截面和锚固深度,可节省投资30;又可与框架梁使用,即形成预应力锚索框架梁来稳定滑坡36。1.3存在的问题(1)对闽西北山区公路滑坡稳定性影响因素的研究不足。滑坡的产生过程是一个累积过程,而且在这个过程中是多种因素共
18、同作用下导致的滑坡。对于滑坡产生原因的分析上,对影响因素的研究不够全面。实际工作中,有不少是在没搞清滑坡稳定性影响因素的情况下便进行了稳定性计算。(2)目前应用于边坡稳定性的分析方法多种多样,但是没有一个是完全符合实际情况下进行的稳定性分析,研究时大多是单一应用。目前的边坡稳定性分析多是集中于定量方法的使用,例如数值分析方法中的有限元(FEM)法,使用范围广,有比较精确的本构关系,但其建立模型的可靠性、适应性以及网格划分的精确性对边坡稳定的最终判断有较大的直接影响,且主要针对单因素影响进行分析,没有充分考虑各种因素对边坡稳定性的影响程度,在多因素不确定分析方面存在局限性。(3)虽然滑坡治理工程
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