花岗岩风化岩土体力学参数的试验研究与稳定性数值模拟

发布时间：2020-08-05 20:15

【摘要】：土壤侵蚀是我国南方花岗岩地区地力退化的重要因素。花岗岩风化壳受风化程度的影响呈现明显的剖面非均质性,并形成了独特的侵蚀地貌-崩岗。传统的土壤侵蚀无法全面对崩岗侵蚀的形成和演替进行解释,且鲜有研究从岩土力学的角度对土壤侵蚀现象进行探究。花岗岩风化岩土体稳定性的研究对于该区域土壤侵蚀预测、风险评价及后续治理具有重要意义。本文以鄂东南崩岗侵蚀集中区典型花岗岩风化壳为研究对象,根据风化程度将岩土体自上而下划分为表土层、红土层、砂土层和碎屑层,通过测定其土壤结构参数、土水特征、土体形变及强度等指标,研究了花岗岩风化岩土体理化及力学特性的变异性,并基于试验结果采用有限差分和极限平衡为主的数值分析方法进行了土体非饱和渗流和稳定性计算。主要结果如下:(1)花岗岩风化岩土体主要结构参数的及持水特性花岗岩风化岩土体的黏土矿物以高岭石为主,颗粒形状以片状为主;不同风化层次间土壤颗粒组成具有明显的多重分形特性,且颗粒的排列方式及结构特性差异明显;不同层次间土壤容重变化范围较小,1.20~1.42 g/cm~3;土壤黏粒、有机质及游离铁铝氧化物的含量大致随着岩土体深度的加深而降低,其变化范围分别为13~42%、0~21 g/kg、4~24(Fe2O3)和1~7(Al2O3)g/kg;塑限和液限的变化规律不明显,范围为22~30%和28~52%;红土层的土壤孔隙主要集中于0.01~0.1μm,而表土层因生物活动的影响土壤具有较多的大孔隙,而砂土层和碎屑层则受大颗粒的影响,大孔隙含量较高。Fredlund-Xing模型可以很好的模拟花岗岩风化岩土体的水分特征曲线(R20.99,SE0.00,RSS0.02),其模型参数与土壤颗粒组成和液塑限存在显著的相关关系(r0.98,p0.01;r0.8,p0.05)。(2)花岗岩风化岩土体的脱水收缩形变特征在脱水过程中,红土层的收缩形变明显,体积形变量高达0.2 cm~3/cm~3其中正常收缩阶段占总形变量的52%以上,而碎屑层的收缩形变量较小,体积形变量小于0.05 cm~3/cm~3;不同层次土壤收缩形变的异向性随含水率的变化而变化,其中表土层和砂土层的体积收缩应变以径向收缩为主,几何因子γ的变化范围为1.2~2.2,而红土层和碎屑层的以轴向收缩应变为主,几何因子γ均大于3.0;粉粒含量是影响花岗岩风化岩土体干缩形变的主要因子,土体形变容量受孔隙度影响较大(p0.05)。(3)花岗岩风化岩土体的饱和-非饱和抗剪强度特征不同层次间花岗岩风化岩土体的非饱和抗剪强度特征差异明显,其中红土层和砂土层随着含水率的降低呈应力软化,而碎屑层则呈应力硬化,且质地较黏重的土层抗剪强度较大,尤其在低含水率条件下;非饱和抗剪强度随基质吸力呈明显的非线性变化,这可以用Lee等(2005)的非饱和抗剪强度公式表征;高基质吸力条件下,抗剪强度受基质吸力和法向压力相互作用的影响;基于非饱直剪试验结果求得有效抗剪强度参数(c′和φ′),其大小随土壤含水量的增加而减小;在100~1000 k Pa的基质吸力范围内红土层的抗剪强度受基质吸力的变化影响较大,而超过此范围则影响较小;砂土层和碎屑层抗剪强度受基质吸力影响相对较小,尤其是碎屑层,其抗剪强度的变化范围为45~75 k Pa。除碎屑层以外,花岗岩风化土的非饱和抗剪强度与饱和度相关的参数具有线性相关关系(R20.6,RMSE28,AICc-23);当土壤含水率在14~7%时,抗剪强度总体较大;红土层在土壤含水量为21%左右,其抗剪强度异向性明显(λ1.5);土壤黏聚力和内摩擦角的变化范围分别为0~120 k Pa和22~52°,且风化层次、土体方向及土壤含水率均对黏聚力具有显著影响(F=9.48,p0.01),而内摩擦角仅受含水率影响(F=17.78,p0.001)。Duncan-Chang本构模型可以较好的模拟花岗岩风化岩土体的应力应变特性,据该模拟计算得到饱和花岗岩风化体红土层、砂土层和碎屑层弹性模量,其变化范围分别为46~172、66~338和61~163 k Pa,其变异性受总孔隙度和粉粒含量影响(p0.05);砂土和碎屑层的有效黏聚力远小于总黏聚力,而对于红土层和表土层,其差异不明显;饱和条件下基于三轴压缩试验求得的黏聚力普遍较直剪试验大,而内摩擦角则相反。(4)花岗岩风化岩土体的非饱和渗流及稳定性分析非饱和渗流分析结果表明,花岗岩风化土体的底部砂土和碎屑区域容易发生积水,这与剪应力增量剧烈的区域一致;土体的整体稳定性受坡度大小控制,极限平衡条件下45°为临界坡度值,土体的破坏方式以剪切破坏为主,表土和红土层存在明显的拉伸破坏;塑性破坏面的角度随土体坡度的增大而增大,潜在破坏面的移动方式由土体原有坡度决定,坡度小于45°时以滑移破坏为主,而大于65°时则容易发生崩塌破坏,且土体的破坏是从土体底部开始往上发展,这可能是风化岩土体底部易受侵蚀影响的原因。
【学位授予单位】：华中农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S157.1
【图文】：

剖面图,剖面,风化过程,黏土

水化程度的影响，风化体通常呈现出红色、橘色、黄Ogundipe,2012; Marto et al., 2013)，且土体中可溶性铁铝氧化物较多，硅铝率多在 1.5~2.5 之间，但南北南方地区的 3.5 倍，黏土颗粒的含量及铁离子的氧化碱饱和度和离子交换能力则降低（Lan et al., 2003），有明显的地带性特征。地区典型花岗岩风化剖面如图 1-1 所示。除了剖面土粒度分异也很明显，从底层到表面依次为：完整岩石砂土→黏土。在早期的风化过程中，母岩的原始结构矿物分解较缓慢。随着风化过程的加深，原有的母风化加深并形成黏土矿物。由于不同区域风化程度同，比如在风化过程中钾长石的变化顺序依次为：钾岭石。

次生矿物,类型,岩土体,风化壳

图 1-2.我国南方花岗岩风化剖面的次生矿物类型 1-2. Secondary minerals in the granitic weathering profile in Sout土环境及矿物组分的影响，花岗岩风化岩土体具有其独特结构以下几方面：层厚度。我国南方地区花岗岩土体的风化壳厚度可达 20~60m境、成土时间、土壤侵蚀等因素的影响风化壳厚度的区域差异壤层次。花岗岩风化岩土体虽然没有地层分层现象，但具有非平层次分异性。土壤水中溶解的矿物元素淋溶及可溶性盐在剖促进了花岗岩风化岩土体剖面不同层次肉眼可见的淋溶析出水质组分。花岗岩风化剖面是由不同风化程度的碎屑物质形成，显，其颗粒大小、土层结构等变异较大。岗岩地区土壤侵蚀

侵蚀地貌,花岗岩区

壤黄壤区侵蚀总面积的 28%；其中高度和剧烈侵蚀占总侵蚀面积的 22%，中度侵蚀占 49 %（表 1-1）（史德明，1991）。此外，花岗岩风化岩土体分布区域内土壤侵蚀模数高达 104t/（km2·a），高度和剧烈侵蚀区的土壤流失量分别为容许流失量的 21.5 倍和 27 倍。在持续的侵蚀作用下，南方花岗岩地区形成了较为特殊的侵蚀地貌特征（图 1-3）。表 1-1. 南方花岗岩区土壤侵蚀面积及比例（引自史德明，1991）Table 1-1. Soil erosion and ratio in granitic soil areas of South China (Shi, 1991).侵蚀强度面积104km2占花岗岩区总面积（%）占花岗岩区侵蚀总面积（%）占南方红黄壤区侵蚀总面积（%）无明显侵蚀 4.2 17.56轻度侵蚀 5.64 23.58 28.62 8.17中度侵蚀 9.77 40.84 49.54 14.16重度侵蚀 2.95 12.33 14.96 4.28剧烈侵蚀 1.36 5.69 6.9 1.97合计 19.72 82.44 100 28.58

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