弃渣场边坡的粒径分布特征及稳定性分析 ——以叙大铁路沿线弃渣场为例

论文摘要

弃渣场边坡是一种常见的人为潜在灾害体。在山区建设公路、铁路,由于地形条件的限制,隧道和路基等开挖必不可少,工程开挖必然会产生废弃的岩土渣体。由于施工技术和建设管理的不完善,以及交通、地形条件和工程投资的限制,废弃的弃渣往往被选择在施工场地周边的沟谷地形倾倒堆砌,从而形成规模不一的弃渣场（也称弃土场、弃碴场）,其中大部分表现为边坡的形式。弃渣场边坡的稳定性关系到区域内的道路交通安全,同时弃渣场边坡的潜在灾害对下游地区人民生产生活存在不可忽视的影响。弃渣场边坡由大量的弃渣经人工排弃并堆积在原始斜坡上所形成,在弃渣倾倒堆积的过程中,粒径大小不同的弃渣颗粒在重力作用下自然分选,最终形成的堆积体粒径分布特征明显、内部结构不均匀。弃渣堆积体的内部结构在一定程度上对边坡稳定性存在影响。本文以叙大铁路沿线的弃渣场工程实际为背景,在基于弃渣粒径分布特征、弃渣体的基本特征和物理力学性质的情况下,对弃渣场边坡的稳定性和变形失稳模式进行了研究。着重完成了对沿线区域内的弃渣场的资料收集、现场调查、取样、现场试验、室内试验、模型试验及数值模拟等工作。对弃渣场边坡的粒径分布特征及其稳定性的相关研究工作与相应的成果如下:（1）根据对研究区内共25个弃渣场的调查统计情况,并结合调查的各方面内容及方式提出了一套针对弃渣场边坡的调查方法。调查发现区域内多个弃渣场已有变形及破坏的迹象,且存在发生失稳灾害的风险。对研究区内弃渣前原始地形分别为“陡坡型”、“缓坡型”和“折线型”的三个典型弃渣场展开了详细调查,查明了各典型弃渣场的几何形态、边界特征、基岩特征及弃渣特征,为弃渣场边坡数值计算模型的建立提供了资料和依据。（2）对研究区内各弃渣堆积体的基本特征进行了调查统计,总结了各弃渣堆积体的弃渣岩性、颗粒粒径组成和分布、填充物、自然休止角、风化程度及胶结情况等方面的基本特征。使用原胶对坡体表层弃渣体进行了原状样制取,分析了其原位结构特征,发现弃渣体细部结构随机性较强,难以定量描述。（3）在现场及室内展开了对弃渣体物理力学性质的研究,研究包括堆积密度、空隙率、自然休止角、粒径级配分布特征、不同围岩等级产生的弃渣粒径及抗剪强度特性几大方面。分别采用排水法、灌砂法和图像识别法测量了弃渣堆积体的密度及空隙率;从颗粒的受力平衡出发,研究了自然休止角与抗剪强度之间的关系;在现场筛分量测了弃渣的粒径级配,采用图像识别对比了不同围岩等级下的弃渣粒径;通过抗剪强度机理和直剪试验研究了弃渣体的抗剪强度特性。对弃渣体物理力学性质的研究结果为弃渣体各项参数的取值提供了参考与依据。（4）使用不同粒径的石英砂和碎石颗粒作为弃渣相似材料,开展了概化模型的弃渣颗粒倾倒堆积试验,分别从弃渣堆积的过程和结果对堆积体的粒径分布特征及其造成的结构不均匀性进行了分析,并与实际弃渣堆积体进行对比。模型试验研究表明:堆积体的形成是一个动态的过程,不同粒径的颗粒在重力作用下的分选性良好,形成的堆积体粒径分级特征明显、不均匀性强、具有特殊的结构特征。粒径分级造成的不均匀结构特征具体表现在:堆积体内细颗粒主要聚集在上部,粗颗粒主要聚集在下部,中颗粒分布相对均匀,但以中部为主;堆积体上部的密度较大、空隙率较小,而下部的密度较小、空隙率较大。（5）根据粒径分级特征考虑弃渣体参数的不均匀取值,对研究区内三个典型弃渣场采用极限平衡法分别计算了自然、暴雨和地震工况下的稳定性系数,并分别对各弃渣场进行了最危险工况下的应力场和剪应变场分析,得到了典型弃渣场的稳定性现状,发现研究区各弃渣场在暴雨工况下最易发生失稳,其中原地形为“陡坡型”的典型弃渣场边坡最易发生沿覆盖层-基岩界面的整体失稳,原地形为“缓坡型”和“折线型”的典型弃渣场边坡渣体局部的稳定性系数最低,但整体稳定性良好。（6）根据上述研究成果,建立了基于粒径分布规律的大岭山弃渣场颗粒流模型,通过剪切试验的参数标定结合经验取值确定了弃渣体和覆盖层颗粒的细观参数,取临界状态下的折减系数对材料强度参数进行折减,模拟了弃渣场变形失稳的过程,并分析了其失稳模式。得到该弃渣场失稳模式为:弃渣体整体沿下覆的软弱覆盖层滑动,弃渣体的中下部表现出推移式滑坡的特征,中上部表现出牵引式滑坡的特征。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 前言
•   1.1 选题依据及研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 弃渣场内颗粒粒径分布规律研究现状
•     1.2.2 弃渣体的抗剪强度特性研究现状
•     1.2.3 弃渣场边坡稳定性分析理论研究现状
•   1.3 研究内容及技术路线
•     1.3.1 主要研究内容
•     1.3.2 技术路线
• 第2章 研究区自然地理与工程地质条件
•   2.1 自然地理条件
•     2.1.1 地理位置与交通
•     2.1.2 气象水文条件
•   2.2 工程地质条件
•     2.2.1 地形地貌
•     2.2.2 地层岩性
•     2.2.3 地质构造与地震
•     2.2.4 水文地质条件
• 第3章 研究区弃渣场及堆积体基本特征
•   3.1 研究区弃渣场概况
•   3.2 弃渣场调查方法
•     3.2.1 非现场调查内容及方式
•     3.2.2 现场调查内容及方式
•   3.3 研究区弃渣堆积体基本特征
•   3.4 研究区弃渣场变形破坏特征
•     3.4.1 坡表冲刷
•     3.4.2 渣体裂缝
•     3.4.3 局部垮塌
•     3.4.4 结构破坏
•   3.5 研究区典型弃渣场基本特征
•     3.5.1 大岭山隧道进口弃渣场基本特征
•     3.5.2 凉水井隧道进口弃渣场基本特征
•     3.5.3 核桃湾隧道出口弃渣场基本特征
• 第4章 弃渣体物理力学性质研究
•   4.1 弃渣体原位结构特征
•     4.1.1 弃渣体表部原位样制取
•     4.1.2 弃渣体原位细部结构特征分析
•   4.2 弃渣体堆积密度和空隙率
•     4.2.1 堆积密度与空隙率的关系
•     4.2.2 测量方法及测点布置
•     4.2.3 研究区弃渣体密度测量结果
•   4.3 弃渣体的自然休止角
•     4.3.1 研究区弃渣体的自然休止角
•     4.3.2 自然休止角与抗剪强度参数的关系
•   4.4 不同高程位置的弃渣粒径
•     4.4.1 弃渣体粒径测量方法
•     4.4.2 弃渣体粒径分布规律
•     4.4.3 弃渣体级配定量指标
•   4.5 不同围岩等级产生的弃渣粒径
•     4.5.1 基于数字图像处理技术的弃渣粒径识别
•     4.5.2 不同围岩等级弃渣粒径分析
•   4.6 弃渣体抗剪强度特性
•     4.6.1 弃渣体抗剪强度产生机理
•     4.6.2 弃渣体直接剪切试验研究
• 第5章 弃渣倾倒堆积模型试验研究
•   5.1 试验方案设计
•     5.1.1 原始坡面概化
•     5.1.2 堆积材料选择
•     5.1.3 倾倒堆积方式
•   5.2 倾倒堆积过程
•     5.2.1 颗粒运动特征
•     5.2.2 颗粒启动特征
•     5.2.3 堆积演化过程
•     5.2.4 最终堆积效果
•   5.3 粒径分布特征
•     5.3.1 水平分层特征
•     5.3.2 斜向分层特征
•     5.3.3 整体分区特征
•   5.4 分层试验分析
•     5.4.1 试验分层方式
•     5.4.2 粒径分布规律
•     5.4.3 级配组成规律
•     5.4.4 密度和空隙率
•     5.4.5 抗剪强度参数
•   5.5 试验模型与实际对比分析
•   5.6 本章小结
• 第6章 弃渣场边坡稳定性及失稳模式
•   6.1 弃渣场边坡失稳模式及诱发因素
•     6.1.1 弃渣场边坡失稳模式
•     6.1.2 弃渣场边坡失稳诱发因素
•   6.2 粒径分级对弃渣场边坡的稳定性影响
•   6.3 弃渣场边坡稳定性极限平衡分析
•     6.3.1 极限平衡法基本原理
•     6.3.2 稳定性计算方案
•     6.3.3 大岭山弃渣场稳定性分析
•     6.3.4 凉水井弃渣场稳定性分析
•     6.3.5 核桃湾弃渣场稳定性分析
•   6.4 弃渣场边坡稳定性及失稳过程离散元颗粒流分析
•     6.4.1 颗粒流PFC简介及基本原理
•     6.4.2 弃渣场PFC模型建立及参数取值
•     6.4.3 弃渣场稳定性强度折减法分析
•     6.4.4 弃渣场变形失稳过程分析
•   6.5 稳定性分析的极限平衡法和颗粒流法对比
•   6.6 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 赖若帆

导师: 巨能攀,卢平

关键词: 弃渣堆积体,边坡稳定性,粒径分级,模型试验,离散元

来源: 成都理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 成都理工大学

分类号: TU43

DOI: 10.26986/d.cnki.gcdlc.2019.000458

总页数: 129

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