不同含水率与剪切速率下滑带土残余强度特性研究

发布时间：2018-03-14 07:26

本文选题：滑带土　切入点：残余强度　出处：《中国地质大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：滑带土伴随着滑坡的孕育而形成,其工程地质性质对滑坡的变形发展与稳定性至关重要。因此,有关滑带土性质的研究历来是滑坡领域中的热点内容。即便如此,依然有诸多核心问题令人困扰、尚未完全掌握,尤其是滑带土的识别问题、成因分析及其强度对水、剪切速率等关键因素的响应规律等。亟需开展滑带土的相关基础性研究,为滑坡的早期识别、稳定性评价与预测预报打下坚实的基础。从区域灾害统计与地质学原理的角度来看,巴东组地层是典型的易滑地层,发育于该地层的滑坡,其滑带土形成之前一般为泥岩类夹层,通过对泥岩类夹层地质演化的研究可揭示滑带土孕育的地质过程。以此为切入点,开展反复直剪试验与微观试验,研究地下水主导下泥岩类夹层演化为滑带土过程中物质结构的变化及其宏观力学的响应规律,结合无序度理论,提出评价物质结构无序性的指标;利用环剪试验,开展关键因素下滑带土残余状态后期抗剪强度的变化规律研究;在此基础上,采用对比性的微观试验,研究关键因素对剪切面处细颗粒运移特性与定向性的影响,揭示滑带土残余强度速率效应的产生机制,并建立不同初始状态下滑带土残余强度速率效应的数学模型;最后,以典型滑坡为例,重点考虑其滑带土残余强度特性,利用数值模拟技术开展滑坡的变形破坏行为研究。论文主要取得如下研究结论与成果:(1)巴东组泥岩类夹层岩组在地壳表生地质作用(以物理化学风化作用为主)下,其物质结构特点与工程地质性质均存在向滑带土结构状态演化的趋势。在简化自然地质作用因素基础上,试验中单就考虑水的浸泡作用来测试该类夹层的演化特点。试验结果显示,泥岩类夹层的部分碎屑矿物演变为黏土矿物,颗粒级配也发生了轻微的变化,粒径小的颗粒含量增加。同时,泥岩类夹层的抗剪强度指标普遍降低,峰值黏聚力、残余黏聚力及峰值内摩擦角均显著地降低,残余内摩擦角变化较小,但整体依然呈降低趋势。(2)提出以无序度来定量评价地下水主导下泥岩类夹层演化为滑带土的过程中物质结构(矿物成分和颗粒级配)的变化规律。随着浸泡时间的增加,泥岩类夹层矿物成分的无序度减小,呈先快后慢的趋势;颗粒级配的无序度也减小,但呈先慢后快的趋势。综合表明,泥岩类夹层的物质结构与滑带土的偏离程度减小,表现出向滑带土演化的趋势。(3)滑带土的等效内摩擦角随着含水率的升高而减小;亦随着固结度的变化而改变,当速率较小时,固结度增加,等效内摩擦角增大,当速率较大时,固结度增加,等效内摩擦角先增大后减小。不同初始状态下滑带土的残余强度对剪切速率变化具有不同类型和程度的响应。完全固结状态下,滑带土的等效内摩擦角与剪切速率呈负相关;而未完全固结的滑带土等效内摩擦角与剪切速率呈正相关。(4)提出颗粒运移指标M以定量评价剪切面处细颗粒的运移程度。其中,颗粒竖直方向运移指标M随着含水率的升高而线性增大;随着固结度的升高而线性减小;随着剪切速率的增加而对数增大。含水率和剪切速率的增加有利于剪切面处土颗粒的定向排列,而固结度的增加不利于土颗粒的定向排列,各因素均通过改变细颗粒的含量和吸附水膜的厚度等物理性质来控制颗粒的定向程度。(5)滑带土残余强度的速率效应可表示为φ_e=A ln(v)+B,其中,系数A和B是具有一定物理意义的指标,速率效应系数A反映残余强度速率效应的类型与响应程度,当A0时,滑带土残余强度呈正速率效应;A=0时,呈无速率效应;A0时,呈负速率效应。细颗粒含量和吸附水膜厚度的改变是产生滑带土残余强度速率效应的主要原因。(6)滑带土的初始状态对残余强度的速率效应指标具有重要的影响,且随着土体塑性指数的增加,速率效应系数A的绝对值呈对数增大,而系数B呈对数减小。据此,建立了不同含水率与固结度下滑带土残余强度速率效应的数学模型。同时,滑带土残余强度速率效应类型与滑坡的变形破坏行为具有一定的对应关系。(7)滑带土的残余强度特性是控制滑坡变形破坏行为的内在因素之一。降雨通过入渗等方式改变滑体和滑带岩土体的均质性,为滑带土残余强度特性的发挥并控制滑坡的变形破坏行为提供基础。根据滑带土残余强度的速率效应类型,其对滑坡的变形破坏行为既可能发挥着“助推”效应,亦可能发挥着“刹车”效应。本文主要创新成果有:(1)巴东组泥岩类夹层岩组在地壳表生地质作用(以物理化学风化作用为主)下,其物质结构特点与工程地质性质均存在向滑带土结构状态演化的趋势。在简化自然地质作用因素基础上,试验中单就考虑水的浸泡作用来测试该类泥岩类夹层的演化特点。结果表明,随着浸泡时间的增加,泥岩类夹层的物质结构与滑带土的偏离程度减小,向滑带土结构状态演化趋势明显。引入无序度理论定量评价其演化为滑带土过程中的物质结构(矿物成分和颗粒级配)变化规律。后续试验揭示该类岩组物质结构的无序度与其抗剪强度指标间存在强关联性,据此可开展该类岩组的抗剪强度预测。(2)提出滑带土残余强度的速率效应公式:φ_e=A ln(v)+B,其中,系数A和B是具有一定物理意义的指标,皆与土体的塑性指数呈对数关系。速率效应系数A反映残余强度速率效应的类型与响应程度,当A0时,滑带土残余强度呈正速率效应;A=0时,呈无速率效应;A0时,呈负速率效应。细颗粒含量和吸附水膜厚度的改变是产生滑带土残余强度速率效应的主要原因,建立了不同初始状态下滑带土残余强度速率效应的数学模型,以丰富滑带土的抗剪强度理论。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P642.22

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