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风化和降雨作用下软岩边坡稳定性研究

刘胜利  
【摘要】:山体滑坡是山区常见的自然灾害,其危害性很大,常造成生命财产的重大损失,给人们的生产生活带来巨大威胁。 滑坡的发生离不开自身的地质条件和岩土体结构条件,风化作用是岩土体强度降低的主要因素,降雨是诱导边坡滑坡的最主要因素。因此研究岩土体在风化作用下的强度发展变化规律,探讨降雨对风化边坡稳定性的影响,具有重要的现实意义和工程价值。 本文以福州至银川高速公路十堰段的隧道边坡实际工程为依托,以十堰地区阳南沟公路隧道进口边坡为落脚点,通过岩土体室内外物理力学试验,考察了阳南沟风化软岩边坡的地质条件和岩土体的强度条件,在探讨风化的时间、深度效应规律的基础上,提出了符合阳南沟风化软岩边坡强度随深度变化的Boltzmann函数方程,根据十堰市降雨特征,考察了降雨对阳南沟风化边坡的影响,主要研究成果如下: 1、阳南沟隧道进口边坡母岩为绢云母绿泥石片岩,为软岩,强度低,易风化,且片理和裂隙发育。全风化片岩残积土为角砾碎石土,细颗粒部分塑性指数为9.5,小于10,具有粉土的性质。表层残积土直剪试验显示,其粘聚力分布于13~20kPa,内摩擦角约为30°,饱和后强度更低。采用中国科学院武汉岩土力学研究所与香港大学联合研制的应变控制式大型现场和室内两用直剪设备,对阳南沟边坡进行了全风化岩残积土现场大型直剪试验。试验显示全风化残积土大型直剪试验的应力应变曲线为应变硬化曲线,剪切面上具有明显风化片岩残留,具有方向性,试样保留有一定的原岩结构性特征。 2、利用中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C岩石力学试验系统,采用横观各向同性本构模型对该边坡绢云母绿泥石片岩进行了各向异性试验研究。研究表明该片岩具有明显的各向异性特征,平行片理方向抗压强度、变形模量均较大,试样整体变形小,垂直片理面方向抗压强度、变形模量均较小,试样整体变形较大。平行向与垂直向各参数比值,极限抗压强度比c/c'为2.44,弹性模量比E/E '为3.86,泊松比之比v/v '为1.26,剪切模量比为G/G '为4.10。当弹性模量比E/E '大于3时,便可以用更为简化的弹性方程G ' E '/2(1v')代替圣维南经验方程。平行片理加载,试样多为具有裂纹尖端的Ⅰ劈裂破坏,垂直片理面加载,试样多为剪切破坏。 3、岩体风化具有时间和深度效应,表现在时间和深度上岩体强度的逐渐变化上,目前缺乏对风化演变过程的探索研究,本文将风化结果看成是光照温度场、大气降雨渗流场影响的集合,据此探索性的建立了岩体风化强度降低过程的渐变性函数方程,利用片岩的干湿循环试验验证了该方程的有效性;探索性的提出了风化深度效应的Boltzmann函数方程,并利用阳南沟钻孔资料、直剪试验、风化过渡层岩石点荷载试验、新鲜岩石单三轴试验的成果,验证了该深度效应方程的有效性,对方程的参数取值进行了探讨。 4、根据十堰地区降雨特征,采用了两种雨型对阳南沟边坡进行了渗流分析,结果表明,降雨会造成边坡表层土体含水量增加,基质吸力下降,坡脚水位上升。随着降雨的进行,边坡土体孔隙水压力、体积含水率、水力传导系数在逐渐增大,在降雨停止后又逐渐减小;边坡表面最先受到降雨作用的影响,随着高程的降低,下层土体孔隙水压力、体积含水率和水力传导系数开始依次增大,沿高程的降低存在滞后效应。边坡稳定性随降雨的进行而减小,降雨结束后又开始增大,具有滞后性,强降雨对边坡稳定性影响较大。 以上研究成果消除了风化分带来的地层分界面上强度的突变性,可以为研究岩体的风化效应提供参考,为降雨下边坡的失稳提供预报,为边坡的合理设计和有效防护提供决策依据。


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