基于结构性的土石混合体斜坡变形特征研究

发布时间：2017-09-08 12:10

本文关键词：基于结构性的土石混合体斜坡变形特征研究

【摘要】：近年来,随着我国基础建设的进一步开展,在边坡(滑坡)治理、水电站建设、基础工程等工程建设过程中不可避免地遇到包括残坡积物、崩坡积物和冲洪积物的松散堆积介质,亦即土石混合体。由于土石混合体具有物质组成的复杂性、结构分布的不规则性以及试样的难以采集性等内在的独特性质,从而给研究带来了极大的困难,现有的岩土力学理论尚不能对这类特殊地质体进行准确的描述与概化。据调查,崩坡积成因的土石混合体滑坡在我国三峡库区分布极为广泛,且这类滑坡通常具有规模较大、影响因素众多、失稳突发性强、滑移条件复杂,常给国民经济建设、人民正常生活与生命安全带来严重危害和巨大的财产损失。因此,将土石混合体的研究成果与土石混合体滑坡的稳定性分析相结合显得尤为重要。事实证明,自2003年三峡库区蓄水开始,到目前库区最高蓄水位达到175m,在库水位变动和强降雨共同作用下,三峡库区堆积层滑坡均发生一定程度的变形。因此,对该类堆积层滑坡进行合理的稳定性评价以及变形特征研究,提出行之有效的防治措施,减少滑坡灾害对库区人民生命财产安全的损害,显得尤为重要。目前在对土石混合体边坡稳定性分析时,由于现有技术条件的限制通常将边坡视为均匀土质边坡,忽略土石混合体的结构性特征,参数采用细粒组分的参数来近似代替。这种处理方法无论在边坡结构还是参数选择上都进行了很大程度的简化,忽略了土石混合体内部“块石”(尤其是巨型“块石”)在控制边坡稳定性方面的作用,从而给计算分析带来了误差。本研究选取“基于土石混合体结构性的斜坡变形特征研究”为研究主题,选取三峡库区一处变形趋势明显的典型堆积层滑坡——白水河滑坡作为研究对象,聚焦崩坡积成因的土石混合体的结构性,从细观和宏观的角度切入,分别在典型滑坡土石混合体露头照片进行图像处理的基础上进行细观结构性指标的统计分析(第2章),并通过对地面核磁共振技术测量数据进行解译的基础上,对滑坡区空间分布的水文地质参数进行变异函数分析,探讨土石混合体分布的宏观结构性(第5章)。基于细观结构性,建立崩坡积土石混合体模型随机生成系统(第3章),运用反演分析法、解析法以及数值仿真试验多种方法综合获取典型滑坡中崩坡积土石混合体的抗剪强度指标(第4章)。基于宏观结构性,采用非侵入式随机有限元分析方法分析了抗剪强度和饱和渗透系数不同空间变异结构对理想边坡入渗过程、安全系数以及变形特征的影响。与此同时,建立典型滑坡的二维计算模型,考虑饱和渗透系数的空间变异性,对一个水文年的实际工况(水库运营+降雨)进行渗流场——应力场耦合分析,将模拟结果与监测数据进行对比,进行变形特征的探讨(第6章)。本研究的创新点主要体现在以下方面：1.针对崩坡积成因土石混合体的结构特征,采用数值试验的方法对不同土/石阂值下的土石混合体模型的物理力学性质进行比较分析,选取最适用的土/石阈值用以进行基于细观结构性特征的土石混合体随机模型建立。同时,通过对不同尺寸不同长径比的试样进行力学数值试验,研究土石混合体力学性质的尺寸效应。2.提出利用各向异性的变异函数分析来定量研究土石混合体参数场地分布的宏观结构性特征。将地面核磁共振技术解译获得的空间分布的渗透系数和含水量作为研究对象,通过变异函数分析,研究参数的自相关距离和最主要相关方位。3.将高斯序列条件模拟与有限元法相结合,提出了一种非侵入式的随机有限元计算方法用以斜坡稳定性分析。这种方法在模拟具有不同空间相关结构的参数对斜坡降雨入渗过程、稳定性和变形特征的研究具有相当的优越性。整个研究取得以下结论：1.根据三峡库区典型堆积层滑坡——白水河滑坡的工程地质调查资料,对滑坡区内广泛分布的崩坡积土石混合体的工程地质特征进行描述。区内崩坡积成因的土石混合体分布厚度不均衡,从7.75m至38.5m不等。据钻孔资料显示,区内土石混合体的块石块径一般为20-200mm,局部分布300-500mm的大块石,且不随研究尺度(钻孔深度)增大而明显增大,这一点与Medley基于加州melange提出的块石块径自相似性假设不符。2.基于对滑坡区内典型土石混合体露头照片进行照片处理,提取其中的块石的信息从细观结构和形态特征角度进行细观结构特征的定量描述和统计特征分析。细观结构指标主要由最大视径(MOD)、长短轴比(AR)和定向角(OA)描述。经统计分析,MOD和AR的概率分布符合对数正态分布,OA符合正态分布规律。此外,MOD的概率分布函数拟合参数与含石量呈高度线性相关。形态特征指标由基于傅里叶级数的形状指数(FFI)和棱角性指数(FAI)描述。通过对所研究图像内2458个块石进行分析,其中75%的块石的FFI低于1.2,92%的块石FAI低于0.05,表明区内土石混合体中大部分块石呈次圆状,且绝大多数表面较光滑,没有明显的棱角性。3.基于崩坡积土石混合体的细观结构特征统计规律,研究土石混合体力学响应的重要方法是建立随机仿真模型进行数值力学实验。其中,两个关键问题关乎仿真模型的代表性,即为土/石阂值问题和尺寸效应问题。本文运用露头照片根据不同的阂值(5mm,10mm,0.05dmax, 0.1dmax和0.05Lc)建立仿真模型,运用有限差分方法和有限元方法分别进行数值单轴压缩试验、三轴压缩试验和定水头渗透性试验,获取不同阈值取值的物理力学参数对比,结合颗粒分析,结果表明5mm的阈值能最大化地反映原代理模型的物理力学性质。根据确定的阈值,开发了考虑较小块石(5mm-0.05dmax)的土石混合体随机生成系统。依据给定的模型尺寸和含石量,生成了不同含石量下的土石混合体模型,从中依据不同的试样尺寸和高径比随机取样,用以进行数值单轴压缩试验从而研究力学性质的尺寸效应和土石混合体的变形破坏机制。结果表明,单轴压缩强度与试样尺寸呈对数关系,并在边长为1.5m时试样强度开始稳定。并且这种变化趋势与含石量有关,具体表现为较大含石量的试样表现出相对均质的特征从而强度随尺寸增大而减小,较小含石量的试样强度随尺寸增大而增大,因为鲜见的大块石增大了破坏面的曲率。同时,单轴压缩强度与弹性模量随试样高径比的增大分别呈指数和幂函数关系减小,这种变化趋势随着土石比的增大愈发明显,且在高径比为2时接近稳定。综合比较分析,对于厚度很大的土石混合体而言,合理的试样尺寸为1m×2m。4.滑坡区分布的滑体和滑带均为土石混合体,故本文运用反演分析法、解析法和数值仿真试验方法确定了滑体和滑带的抗剪强度参数。反演分析法用有限元法模拟不同参数组合下的典型计算剖面在一段时间内实际工况下(降雨和库水位升降)相应GPS监测点的地表变形曲线,根据非加权组平均法进行分析,选取最优参数组合作为滑带的抗剪强度参数。解析法根据以往文献对大量崩积物的试验结果提出的估算模型,根据室内试验结果和相应的土石比,分别求取滑带和滑体的抗剪强度指标。数值仿真试验方法基于崩坡积土石混合体随机生成系统,生成滑体和滑带土石混合体随机模型各60组,施加不同的“围压”进行三轴压缩试验,并对所得的共120组数据进行统计分析。结果表明,数值试验获得的粘聚力平均值小于以上两种方法,而内摩擦角明显较大。根据对三轴压缩条件下土石混合体模型试样的应力状态分析,认为在较大加载条件下块石与基质土之间的外摩擦力使得表征内摩擦角显著增大。综合三种分析方法,提出了抗剪强度指标建议值。5.滑坡区土石混合体分布貌似混沌无序,实际存在一定的宏观结构特征。本文通过对滑坡区内地面核磁共振方法获取的空间分布的水文地质参数进行各向异性变异函数分析,利用空间相关性表征宏观结构性特征。水平面的变异函数分析结果表明,区内饱和渗透系数(Ks)呈几何各向异性特征分布,且在北偏西9°方向上具有最大的空间相关距离(508.37m),在东偏北9°方向上具有最小的空间相关距离(286.75m),表明整个滑坡区的组成物质在接近横向上相互关联整体性较强,而在纵向上(滑坡滑动方向)关联性较差；区内含水量呈带状各向异性特征分布,且在北偏西45°方向上具有最大的空间相关距离(262.98m),在正北方向具有最小的相关距离(113.82m),该结果与坡体的水文地质交换程度有关。6.为研究空间变化的物理力学参数对斜坡渗流过程、稳定性和变形特征的影响,选取理想边坡,提出基于序列高斯随机场条件模拟的非侵入性随机有限元计算方法,分别就渗透系数(Ks)和抗剪强度(c,φ)在各向异性和各项同性情况下的7种不同的空间相关结构的50个实现进行总共1050次计算。不同空间变异结构的Ks的渗流场结果显示,各向异性分布的随机场在选取的截面上易于产生更高的负孔隙水压力以及孔隙水压力变化范围。各向同性的情况下,相关距离越大,孔隙水压力变化范围越大,且获得的地下水位线波动范围也越大；各向异性情况下,当空间相关主方向与截面方向垂直时,孔隙水压力变化范围显著增大。而相应的地下水位线波动范围变化不甚显著。不同空间变异结构的物理力学参数计算的稳定性系数平均值显示,考虑φ空间变异性计算的稳定性系数均小于不考虑空间变异性的计算结果,考虑c空间变异性的稳定性系数结果相对于不考虑空间变异性的结果相差不大。因此,不考虑空间变异性的计算方法易于高估斜坡的稳定性。此外,参数空间参数变异结构对斜坡最危险滑动面的分布也具有十分显著的影响。总的来说,计算结果对于c,φ的敏感度高于Ks,因此产生相对较大的最危险滑动面分布范围。各向同性情况下,最危险滑动面变化范围随相关距离增大而增大；各向异性情况下,当空间相关主方向为水平方向或与坡面方面平行时,最危险滑动面变化范围最大,且最易于发生深部大范围滑动。7.基于前文的结果,建立白水河滑坡的地质-渗流-力学数值模拟计算模型,依据SNMR结果和普通克里格插值估算方法考虑滑体和滑带的Ks空间变异性,进行一个水文年实际降雨与库水位综合工况下的渗流场-力学场耦合模拟计算,得到滑坡在综合工况下表现出的变形特征。结果表明,白水河滑坡可被视为牵引式滑坡,且主控因素为降雨。在库水位和降雨的作用下,地下水位逐步抬升,孔隙水压力增大,一方面抗剪强度降低,另一方面形成的不平衡渗流矢量均对滑坡的变形不利。滑坡变形首先发生在滑坡中部平台,随着变形的进一步加剧,变形范围逐步向滑坡后缘延伸；同时,在超强降雨作用下,由于滑坡后缘坡度较陡,后缘发生极为显著的浅表局部变形。经过与滑坡监测数据以及宏观变形迹象调查,验证了数值模拟过程和结论的正确性和可靠性。论文研究以贴近具体工程实例为基础,旨在通过采用综合技术手段,系统性研究基于崩坡积土石混合体结构性的斜坡变形特征,其思路可推广到对其他同类型滑坡的研究中,具有较强的工程借鉴价值。
【关键词】：崩坡积 土石混合体 堆积层滑坡 结构性 细观结构 空间变异性 随机有限元
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU43
【目录】：

作者简介6-8
摘要8-12
ABSTRACT12-21
CHAPTER Ⅰ INTRODUCTION21-38
§1.1 Problem statement21-23
1.1.1 Research background21-22
1.1.2 Research objectives22-23
§1.2 Review of research23-33
1.2.1 Structural characteristic of SRM23-24
1.2.2 Mechanical characteristic of SRM24-30
1.2.3 SRM slope stability30-31
1.2.4 Spatial variability of rock and soil mass31-33
§1.3 Research content and outline33-38
1.3.1 Main research contents33-34
1.3.2 Key issues to be solved 31434-35
1.3.3 Main innovations35-36
1.3.4 Research outline36-38
CHAPTER Ⅱ ENGINEERING GEOLOGICAL ASPECT AND MESOSTRUCTUREDNESS OFCDSRM38-64
§2.1 Introduction38
§2.2 Engineering geological characterization of Baishuihe landslide38-44
2.2.1 Overview of Baishuihe landslide39-41
2.2.2 Engineering geological characterization of Baishuihe landslide41-44
§2.3 Engineering geological aspects44-48
2.3.1 Genesis of CDSRM44
2.3.2 Discriminating blocks from matrix44-47
2.3.3 Estimating block proportion47-48
§2.4 2D image sampling and processing48-51
2.4.1 2D Digital image sampling48-49
2.4.2 2D image processing for CDSRM49-50
2.4.3 2D Block extraction and analysis50-51
§2.5 Mesostructural quantitive characterization51-57
2.5.1 MOD of the blocks in CDSRM51-54
2.5.2 AR and OA of the blocks in CDSRM54-56
2.5.3 The centroid of blocks56
2.5.4 Block proportion56-57
§2.6 2D Morphological quantitive characterization57-62
2.6.1 Indexes describing morphological characterization & blocks57-61
2.6.2 Morphological characterization of blocks in CDSRM61-62
§2.7 Summary62-64
CHAPTER Ⅲ KEY ISSUES IN GENERATING STOCHASTIC CDSRM MODEL64-93
§3.1 Introduction64-65
§3.2 Block/matrix threshold determination65-77
3.2.1 Grain size distribution of censored blocks65-67
3.2.2 CDSRM model generation in B/M determination67-68
3.2.3 Numerical mechanical experiments68-70
3.2.4 Numerical permeability experiments70-73
3.2.5 Results and discussion73-77
§3.3 Scale effect of mechanical properties of CDSRM77-91
3.3.1 Generation of stochastic surrogate specimens77-80
3.3.2 Results of numerical unconfined compression experiment80-89
3.3.3 Discussion89-91
§3.4 Summary91-93
CHAPTER Ⅳ SHEAR STRENGTH DETERMINATION OF CDSRM93-109
§4.1 Introduction93
§4.2 Shear strength based on back analysis93-98
4.2.1 General idea and assumptions93-94
4.2.2 Calculation model94-96
4.2.3 Back analysis for shear strength of sliding zone96-98
§4.3 Shear strength based on analytical estimation98-100
4.3.1 Adopted analytical model98-99
4.3.2 Estimation results99-100
§4.4 Shear strength determination based on numerical experiments100-107
4.4.1 Overview of numerical tri-axial compression experiments100-102
4.4.2 Numerical experiment results102-105
4.4.3 Discussion on the deformation mechanism105-107
§4.5 Summary107-109
CHAPTER Ⅴ MACROSTRUCTUREDNESS OF CDSRM BASED ON VARIGRAMANALYSIS 389109-133
§5.1 Introduction109
§5.2 Basic theory ofgeostatistics109-117
5.2.1 Regionalized variable theory110-111
5.2.2 Hypothesis ofgeostatistics111-113
5.2.3 The Variogram113-114
5.2.4 Theoretic models of variogram114-115
5.2.5 Anisotropy of spatial correlation115-117
§5.3 Spatial variables obtained from SNMR in landslide site117-122
5.3.1 Basic theory of SNMR117-119
5.3.2 Variables obtained from SNMR119-120
5.3.3 Interpretation results from SNMR120-122
§S.4 Field-scale spatial correlation of hydraulic parameters122-131
5.4.1 Surveyed data analysis123-124
5.4.2 Experimental variogram analysis124-126
5.4.3 Anisotropio analysis of field-scale spatial correlation126-130
5.4.4 Kriging interpolation based on anisotropic spatial variability130-131
§5.5 Summary131-133
CHAPTER Ⅵ SLOPE DEFORMATION BEHAVIOR CONSIDERING SPATIAL VARIABLEPARAMETERS133-175
§6.1 Introduction133-134
§6.2 Seepage and stability analysis of unsaturated SRM slope considering spatial variable properties134-162
6.2.1 Methodology of random field generation134-140
6.2.2 Simulation models for seepage and stability analysis140-149
6.2.3 Influence of spatial variability on seepage process149-155
6.2.4 influence of spatial variability on slope stability155-162
§6.3 Deformation behavior analysis of Baishuihe Landslide considering spatially variable hydraulic conductivity162-173
6.3.1 Generation of calculation model162-164
6.3.2 Calculation condition selection164-165
6.3.3 Simulation results165-170
6.3.4 Deformation characteristics170-173
§6.4 Brief summary of this chapter173-175
CHAPTER Ⅶ CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS175-180
§7.1 Conclusions175-178
§7.2 Recommendations178-180
Acknowledgement180-181
Reference181-193