生产建设项目工程堆积体边坡稳定性分析

发布时间：2019-01-05 11:42

【摘要】：随着我国社会经济的快速发展,各种工程建设呈现出大规模高速度的发展态势,对原生地貌造成严重的破坏和扰动,形成严重的水土流失。工程堆积体是人为水土流失的主要策源地之一,其物质组成复杂、结构松散、粘聚力差,在降雨及地表径流冲刷下,极易发生剧烈的水土流失以及滑坡、泥石流等地质灾害,给人民生产生活带来严重的威胁。因此,研究工程堆积体边坡稳定性对减少水土流失和防治措施具有重要的理论意义和工程实用价值。本文以紫色丘陵区典型紫色土堆积体和煤矿堆积体为研究对象,通过室内土壤物理力学性质测定方法,研究不同降雨事件下土壤含水率、孔隙特征、土壤贮水特征和抗剪强度,深入分析工程堆积体土壤物理力学性质的时空动态变化特征及其差异性；同时利用室外双环入渗法,研究不同工程堆积体下垫面的入渗特征及其影响因子,确定紫色丘陵区工程堆积体下垫面入渗过程的适宜性模型；采用GEO-SLOPE软件计算不同降雨事件下工程堆积体边坡的最危险滑动面和安全系数,结合正交试验设计深入分析工程堆积体边坡稳定性的影响因子,为紫色丘陵区工程堆积体水土流失防治及其滑坡等地质灾害的发生提供科学依据。主要结论如下：(1)紫色土和煤矿堆积体的土壤容重、总孔隙度、天然含水率和田间持水量均存在显著差异(P0.05)。工程堆积体粒径分布主要集中在20-2mm,其含量在28.68～69.84%之间；工程堆积体粒度分布具有良好的分形结构,其决定系数R2在0.85以上,其中分维数最大为2.692,最小为2.374。紫色土堆积体天然含水率为4.12-16.23%,土壤容重在1.32～1.64g/cm3之间,田间持水量在16.35-29.58%之间；煤矿堆积体的土壤含水率分别为19.01%和20.09%,土壤容重为1.19g/cm3和1.15g/cm3,田间持水量为33.82%和35.66%。紫色土堆积体和煤矿堆积体的粘聚力存在显著性差异(P0.05),表现为紫色土堆积体(平均28.95kpa)煤矿堆积体(平均6.61 kpa),紫色土堆积体的内摩擦角在9.58～57.32°之间,煤矿堆积体的内摩擦角分别为28.76°和27.71°。(2)紫色土和煤矿堆积体入渗特征差异显著。紫色土堆积体和煤矿堆积体的初始入渗率分别为13.86 mm/min和20.09 mm/min,稳定入渗率分别为6.79 mm/min和10.19 mm/min。紫色土堆积体的初始入渗率、稳定入渗率、平均入渗率和渗透总量与容重和含水率均呈负相关,与孔隙度呈正相关,其相关系数较低,而入渗特征值与碎石含量的相关系数较高。稳定入渗率与60～40 mm碎石含量呈负相关,与40～20 mm、20～10 mm和1 0-5 mm碎石含量呈极显著负相关,仅与5-2 mm碎石含量呈正相关；平均入渗率与60～40 mm和10-5 mm碎石含量均呈负相关,与40～20 mm和20～10 mm碎石含量呈极显著和显著负相关,与5-2 mm碎石含量呈正相关。表明粒径5mm碎石能够抑制工程堆积体的入渗能力,40～20 mm和20～10mm碎石可以达到极显著和显著水平。(3)不同工程堆积体回归模型的拟合优度存在差异,其拟合优度依次为通用经验模型(R2=0.751～0.979)Kastiakov模型(R2=0.724-0.956)Philip模型(R2=0.728～0.938)Horton模型(R2=0.689-0.936)；通过比较不同拟合模型的计算入渗率与实测入渗率可知,紫色土堆积体入渗回归方程的决定系数依次为Kastiakov模型(R2=0.959)通用经验模型(R2=0.9586)Philip模型(R2=0.9414)Horton模型(R2=0.8954),煤矿堆积体则依次为Kastiakov模型(R2=0.935)通用经验模型(R2=0.9337) Philip模型(R2=0.8992)Horton模型(R2=0.8698)。Kastiakov模型可以作为紫色丘陵区工程堆积体入渗过程的适宜性模型。(4)不同降雨事件下紫色土堆积体0-50cm土层土壤含水率在10.28～20.48%之间变化,不同坡位土壤含水率的变化趋势存在不同；煤矿堆积体0-50cm土层土壤含水率在21.60-38.30%之间变化,是紫色土堆积体(14.23%)的2.04倍。与一次性降雨事件相比,间歇性降雨事件的土壤含水率变化范围更大,这主要与降雨强度、降雨次数、间歇时间、气候条件和蒸发能力等有关；三次间歇降雨事件的紫色土堆积体最大土壤含水率分别为20.48%、20.27%和18.02%,最小含水率为12.90%、10.28%和11.04%,煤矿堆积体的变化范围为25.20～31.69%、25.19-35.75%和25.50～32.51%,是紫色土堆积体的1.85、2.07和2倍。紫色土和煤矿堆积体各坡位对不同降雨条件下土壤含水率的响应差异显著(P0.05),紫色土堆积体的土壤含水率依次为为6.14(14.18%)6.5(13.51%)6.9(13.41%),煤矿堆积体则为6.9(29.26%)6.14(29.14%)6.5(28.36%)。紫色土堆积体上、中、下三个坡位平均土壤含水率差异显著(P0.05),其数值为12.95%、14.79%和14.95%。(5)相同降雨条件下紫色土和煤矿堆积体土壤容重和孔隙度差异显著(P0.05)。紫色土堆积体土壤容重在1.11～1.69g/cm3之间,煤矿堆积体土壤容重在0.9～1.28g/cm3之间；不同土层的总孔隙度、毛管孔隙度和非毛管孔隙度存在显著差异(P0.05),总孔隙度和毛管孔隙度表现为0-10cm土层10-20cm土层,非毛管孔隙度则为10-20cm土层0-10cm土层。紫色土和煤矿堆积体在不同降雨事件下各坡位土壤饱和贮水量、最大吸持贮水量和最大滞留贮水量差异显著(P0.05),紫色土堆积体不同坡位的最大滞留贮水量为6.5mm、5.75mm和5.58mm,煤矿堆积体则为17.03mm、12.47mm和11.84mm。紫色土堆积体内摩擦角在12.16～30.77°之间,煤矿堆积体内摩擦角在11.82-26.810之间。(6)不同降雨事件下工程堆积体的最危险滑动面和边坡安全系数存在差异。随着降雨强度的增大,工程堆积体边坡安全系数逐渐减小,边坡安全系数数值均大于1.25；紫色土堆积体在小雨、中雨和大雨条件下的安全系数分别为2.434、1.384和1.275,煤矿堆积体则为3.015、2.638和1.408。边坡安全系数与土壤粘聚力、内摩擦角和稳定入渗率呈正相关关系,与土壤重度、土壤含水率和降雨强度呈负相关关系。应用正交试验得到的安全系数依次为Bishop法M-P法 Ordinary法 Janbu法,并对工程堆积体边坡稳定性进行评价,其中极稳定状态11个,稳定状态2个,基本稳定状态2个,潜在不稳定状态1个,敏感性分析排序依次为坡高粘聚力内摩擦角坡度重度,坡高敏感性1.505,粘聚力敏感性为1.191。
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【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S157

【参考文献】