炭质页岩路堑边坡变形破坏机理及稳定性研究

With the rapid development of highway construction, many roads will be built in carbonaceous shale or carbonaceous mudstone area in the west of China. Carbonaceous shale water softening disintegration characteristics lead to landslide and other geological disasters happen from time to time. Difference weathering and rheological properties of carbonaceous shale cut slope directly affect the slope long-term stability. Carbonaceous shale cut slope deformation and destruction has become a major bottleneck restricted highway construction development. Therefore, through researched the carbonaceous shale cut slope structure characteristics and structure types, analysis of instability mode of carbonaceous shale slope, then established three-dimensional carbonaceous shale cut slope model. The type of difference weathering rock cutting slope mechanics analysis model and stability evaluation method were established, by the means of the lab test, in situ test, model test, numerical simulation and theoretical analysis. And the carbonaceous shale water softening microstructure damage mechanism and carbonaceous shale cut slope deformation failure mechanism were studied systematically. The soft rock cutting slope protection theory and methods were put forward. And the results will be important theoretical and engineering application value in preventing and controlling soft rock slope disaster.

随着我国西部高速公路建设的迅速发展，许多公路将在炭质页岩（泥岩）地区建设，炭质页岩遇水软化崩解特性导致路堑边坡滑塌、滑坡等地质灾害时有发生，炭质页岩路堑边坡差异风化和流变特性直接影响边坡的长期稳定性，炭质页岩路堑边坡变形与破坏已成为制约高速公路建设的一个主要瓶颈。为此，本项目通过对炭质页岩路堑边坡结构特征与结构类型的研究，分析炭质页岩边坡的失稳模式，建立三维炭质页岩路堑边坡工程质模型；通过室内试验、原位试验、模型试验和数值模拟与理论分析，系统研究炭质页岩水软化微结构损伤破坏机制，炭质页岩路堑边坡的变形破坏机理，建立差异风化型软岩路堑边坡力学分析模型与稳定性评价方法；建立软岩路堑边坡防护理论、技术方法。其成果将对软岩边坡灾害防治具有重要的理论价值和工程应用价值。

随着我国西部大开发战略的大力推进，在公路、铁路等大型基础设施建设中不可避免地遇到炭质页岩。炭质页岩是一种软岩，具有遇水软化、崩解特性，易导致路堑边坡滑塌、滑坡等地质灾害，炭质页岩路堑边坡的变形与破坏已成为制约该地区高速公路建设的一个主要瓶颈。.本课题通过现场监测、室内试验、理论分析和数值模拟，研究炭质页岩路堑边坡变形破坏机理及稳定性，其成果对软岩边坡灾害防治具有重要的理论价值和工程应用价值。取得如下主要研究成果：.（1）通过X射线能谱分析、X射线衍射、扫描电镜、氮吸附等测试手段对不同浸水时间的炭质页岩进行分析，结果表明：在蒸馏水中浸泡30d后其矿物成分中产生了伊/蒙混层矿物；炭质页岩主体支撑骨架是由片层状颗粒体堆叠而成，呈现排列有序、致密的面-面接触形式，岩体孔隙孔径分布在3~28nm范围，其中在3~7nm范围的孔隙所占比例较高。随着浸水时间的增长，片层状颗粒体逐渐被侵蚀，由面-面接触形式逐渐变成点-面接触形式，微观结构逐渐被破坏，孔隙孔径变小但孔隙率却增加。浸水30d后岩体孔隙孔径分布在1~28nm范围之内，其中在1~7nm范围的孔隙所占比例较高。.（2）基于正交试验设计和灰色关联理论，对边坡稳定性影响因素进行敏感性分析，得到多个影响因素敏感性排序为：内摩擦角>重度>粘聚力>边坡高度>边坡角>岩层倾角，单个影响因素的敏感性排序为：内摩擦角>重度>粘聚力>岩层倾角>边坡高度>边坡角。.（3）以灰色理论、突变理论和工程类比法等理论为基础，对炭质页岩路堑边坡的变形和失稳破坏预测预警方法进行研究得到了炭质页岩路堑边坡在不同预警等级下的阀值，对灾害预防和保障人们的安全出行具有积极的作用。.（4）采用离心模型试验与数值模拟相结合的方法对炭质页岩路堑边坡变形破坏机理进行了研究。研究不同坡角、坡高、岩层倾角条件下的炭质页岩路堑边坡的坡顶沉降量、坡面水平位移、边坡整体位移等，通过分析得到相应变量的变化规律。结果表明：离心模型试验得到的数据普遍比数值模拟得到的数据偏大，但两种方法得到的边坡变形规律相吻合。.（5）对含软弱夹层炭质页岩路堑边坡采用预应力锚索+坡面挂网喷射混凝土的方法进行加固处理，结果表明该加固方案具有很好的加固效果。