【摘 要】
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花岗岩在福建分布广泛且表现出显著的不均匀风化现象,形成的风化土体具有典型的大孔隙结构。在长期降雨入渗条件下,风化土体中的细小粘粒在大孔隙的粗粒土架空结构中迁移运动至下伏基岩顶面时,容易集聚形成低强度的泥膜或高粘滞层,形成渗透性突变和控制边坡稳定的不连续界面,在花岗岩二元结构边坡表现的尤为明显。本文在花岗岩边坡内部侵蚀现象孕育背景的调查与分析的基础上,采用颗粒流离散元数值模拟方法开展花岗岩风化土体中
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目(No.41972268),花岗岩二元结构边坡中差异风化界面的粘粒集聚特征及其触滑机制研究;
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花岗岩在福建分布广泛且表现出显著的不均匀风化现象,形成的风化土体具有典型的大孔隙结构。在长期降雨入渗条件下,风化土体中的细小粘粒在大孔隙的粗粒土架空结构中迁移运动至下伏基岩顶面时,容易集聚形成低强度的泥膜或高粘滞层,形成渗透性突变和控制边坡稳定的不连续界面,在花岗岩二元结构边坡表现的尤为明显。本文在花岗岩边坡内部侵蚀现象孕育背景的调查与分析的基础上,采用颗粒流离散元数值模拟方法开展花岗岩风化土体中粘粒迁移-集聚现象发生发展过程与渐进演化规律的研究,重点分析土体颗粒级配对该现象的作用机制,并开展密实度、应力状态、水力梯度等关键参数的敏感性分析,力图揭示该类土体内部侵蚀现象的孕育机制。主要研究工作及成果有:(1)调查分析了福建花岗岩的风化与侵蚀特征,在花岗岩二元结构边坡中普遍存在明显的粘粒迁移-集聚现象,形成上部风化土体的多孔疏松结构和依附差异风化界面集聚粘粒形成了低强度的泥膜或高粘滞层,对二元结构边坡的破坏模式和稳定状态有明显控制作用,是该类边坡变形破坏的重要致灾因素。(2)讨论了模拟风化土体中粘粒迁移-集聚特征现象的颗粒离散元分析理论、计算流程、关键本构模型和流固耦合分析方法,采用现场采集的花岗岩差异风化土体的直剪试验成果完成了数值模拟中微观计算参数的标定。(3)模拟再现了粘粒在花岗岩风化土体中迁移运动并在土岩界面停留集聚的过程,将该过程分为四个阶段:渗透压密阶段、骨架松动阶段、粘粒迁移阶段、土体结构再稳定阶段。通过对模拟过程中横纵剖面图、孔隙率、粘粒运动路径及速度、粘粒平均竖向迁移量、渗透系数等参量进行分析,揭示了粘粒迁移-集聚过程演化规律:中上部土体的粘粒迁移现象最为活跃,在中下部及模型出口处出现粘粒集聚现象;粘粒在骨架颗粒疏松处以及边壁附近形成优势渗流通道,加速了颗粒迁移的过程;溢出试样的粘粒主要为底层土体在水流作用下冲刷所致。(4)构建了多种典型颗粒级配的土体并对比分析其粘粒迁移-集聚现象,结果表明粘粒的粒径与含量对粘粒迁移现象的发育程度及试样的变形破坏模式都有显著影响;存在与土体骨架颗粒间的孔隙大小相对应的最小粒径值,最小粒径超过该值之后,粘粒无法穿过骨架颗粒之间的孔隙,粘粒迁移现象难以发生;而当颗粒级配不均匀时,土体骨架较为疏松,试样在较小流体力的作用下就会发生迁移且粘粒的竖向迁移量较大。(5)采用基于正交实验的数值计算方法开展密实度D、应力状态S、每级水力梯度变化幅度α、每级水力梯度往复幅度β等对粘粒迁移-集聚现象影响的敏感性分析,结果表明密实度、应力状态对粘粒平均竖向迁移量X、临界水力梯度icr的影响最为显著,每级水力梯度变化幅度对临界水力梯度icr的影响较为显著,每级水力梯度往复幅度的影响较不显著。(6)对密实度、应力状态、每级水力梯度往复幅度三个参数设置单因素模拟分析,完成对正交试验的验证与补充。结果表明土体密实度的提高会增大组成拥有足够基质吸力的团聚体的机会,容易在土体中形成粗细颗粒联合骨架,因此密实度的增加会减缓甚至停止粘粒迁移的现象;应力状态主要影响渗透压密阶段的粘粒迁移量,当密实度较小时,骨架中传递轴向应力的位置会发生明显的压缩变形,从而抑制粘粒迁移-集聚现象的发生与发展;随着水力梯度变化幅度的增大,试样的破坏时间提前,临界水力梯度也有所下降。
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