含泥岩类夹层巴东组斜坡工程地质特性及其孕滑机理研究

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鄂西-渝东地区作为滑坡灾害高发区,境内广泛出露的巴东组地层对区域斜坡稳定性及其孕灾演化具明显控制作用,因此巴东组斜坡孕滑失稳对区内的工程建设与人身安全等影响显著。然而,工程实践与应用研究表明,即使区域环境普遍易于孕灾(易滑地层出露、易滑地貌发育和易滑构造展布等),事实上仍存在巴东组斜坡是否孕滑形成滑坡及其孕灾模式、成灾规模等差异,其产生与斜坡结构类型和岩土体性状等紧密相关。因此,为提高与深化对含泥岩类夹层巴东组斜坡特性的认识,解决理论与生产上均密切关注的此类斜坡是否能够孕滑形成滑坡这一实际问题。文章针对含泥岩类夹层巴东组斜坡工程地质特性及其孕滑机理开展研究。首先基于鄂西-渝东地区107例巴东组滑坡信息,阐明滑坡基本特征及其斜坡结构特点,概化巴东组斜坡工程地质模型。然后针对T2b2段紫红色泥岩与泥岩类夹层开展力学试验与数值试验,据此揭示其工程地质特性变化规律,并探讨岩土体宏观特性变化的微细观机制。随后在查明含夹层巴东组斜坡孕滑变形影响因素敏感性和几何特征因素作用下孕滑变形响应规律的基础上,建立其易孕滑几何模型。最后,依据上述成果,开展含泥岩类夹层巴东组斜坡孕滑模型试验与数值模拟,通过分析内部多场信息响应与外部宏观变形迹象,划分斜坡孕滑阶段并阐明孕滑演化机理。论文主要取得的研究成果列述如下:(1)在揭示巴东组滑坡基本特征与斜坡结构特点的基础上,选择顺/逆向坡、坡度、坡高、地质层位、岩性结构、岩层倾角为模型构建因素,并建立斜坡地质模型类别划分的因子构成体系,概化得到11类巴东组斜坡工程地质模型。对比隶属不同模型类别的斜坡所孕育滑坡的发育特征差异后,选择由T2b2段地层构成的含泥岩类夹层顺向斜坡模型,作为成坡下切→孕灾演化→成灾失稳的研究基础。(2)依据T2b2段紫红色泥岩巴西劈裂与压缩破坏的力学试验与数值试验结果,采用应变曲线法与改进的轴向应变差响应法计算特征强度,据其划分压缩变形阶段后,分析了水作用下的泥岩特征强度变化和压缩破坏阶段特征。对比天然与饱和状态泥岩特征强度点处能量值、各阶段能量分配及受载破坏全过程能量演化等特征差异,揭示了饱水对泥岩能量演化的影响规律与作用程度,并从能量角度阐明泥岩压缩损伤破坏机制。分析饱水时的水-岩作用类型,并论述其能量状态特征,给出巴东组泥岩饱水软化机制的能量解释。从岩样模型的微裂纹发育与能量分析等角度,揭示了巴东组泥岩压缩破坏过程中能量演化的微细观机制。(3)围压对泥岩的σci、σcd、σf具正相关影响,对σcc影响较小,无量纲参量σcc/σf、σci/σf与σcd/σf随围压增加波动不明显。饱水软化与围压效应对泥岩的吸能、释能和耗能等性质影响显著。Ue储存与Ud耗散的能量演化机制共存于岩样破坏全过程,由两者产生的应变硬化与应变软化机制共同驱动泥岩压缩变形破坏。(4)据不同颗粒级配与不同含水率泥岩类夹层的CU剪切试验结果,阐明了级配特性与含水率对其应力-应变关系、孔隙水压力、抗剪强度、破坏形态等的影响规律。基于PFC2D数值试验结果,揭示了级配与含水率不同的夹层模型承载能力和变形特性存在差异的细观原因,认为主要与模型组构不同有关。(5)数值试验结果表明:细粒组含量决定着模型的接触力链数目与强度、拉/压应力力链占比和承载力链架构,并影响力链结构、分布和强、弱力链占比,进而使颗粒间的接触力传递、分布、分配等不同,导致模型剪切破坏特征存在差异;优势粒组粒径变化导致的级配差异,影响着模型承载骨架和力链结构及其传递、分配效率等,进而决定其承力特性;含水率对细观参数的影响,反映在模型内部接触力链数量、粗细、类型占比、强弱分配等差异上,宏观上模型力学响应不同。(6)建立含夹层斜坡孕滑影响因子评价体系,对比四类评价指标下的因子敏感性结果差异后,综合确定因子敏感性高低为:一级因子中斜坡几何特征参数对孕滑变形影响最显著;二级因子中坡度、夹层倾角为高敏感因子,夹层厚度、岩体泊松比为相对敏感因子,夹层埋深、岩体密度与弹模、岩体粘聚力与内摩擦角、夹层粘聚力与内摩擦角为低敏感因子。据几何特征参数作用下的斜坡孕滑变形响应规律,采用支持向量机建立的含泥岩类夹层巴东组斜坡易孕滑几何模型为:以坡度85°、夹层厚度0.20m、夹层倾角40°为底面椭圆球心的四分之一椭圆柱体,短轴9.8°(坡度轴向)、高度0.8m(夹层厚度轴向)、长轴12.6°(夹层倾角轴向)。(7)选取适宜的原材料和影响因素及其水平数,依据正交设计理论开展配比试验,在采用极差、方差、多元线性回归等方法分析因素与相似材料参数间敏感性、显著性、量化关系等的基础上,研制了 T2b2段紫红色泥岩与泥岩类夹层的相似材料。开展的模型试验再现了河谷下切、开挖卸荷、夹层泥化等作用下的斜坡孕滑全过程,并且宏观变形迹象与多场信息演化分析结果表明:成坡下切时,斜坡内部以坡体挖除卸荷导致的应力调整为主,未产生明显变形;受开挖卸荷与夹层泥化的不利影响,斜坡孕滑变形剧烈,破坏类型包括后缘拉陷槽与宽大裂缝、中部裂缝网络、前缘剪出垮塌等;坡内各处位移、土压力、孔隙水压力等的量值大小与曲线形态因所在位置的孕滑变形破坏程度不同而异。(8)采用PFC2D程序模拟含单/多夹层巴东组斜坡成坡一孕灾演化一成灾失稳的地质历程,分析斜坡孕滑全过程的应力场、位移场、能量场及微裂纹的演化特征可知:含单夹层斜坡孕滑过程具一定的阶段性,但各场信息的阶段性特征表现程度不同,而且不同孕滑变形时期坡内各处多场信息随深度的演化规律存在差异;含多夹层斜坡孕滑变形过程表现出明显由的浅至深渐进性破坏特征,由前缘至后缘的多场信息演化规律受深度影响显著且程度不同,并表现出阶段性演化趋势。(9)能量场最能充分表征斜坡孕滑过程中的系统整体状态信息变化规律,而且多场信息演化特征分析表明能量场的阶段性变化趋势最为明显。因此,以能量场演化曲线为依据,结合坡内裂纹发育分布,将含单夹层斜坡孕滑过程划分为蠕滑变形、整体滑移、拉裂解体、堆积停止四个阶段,将含多夹层斜坡孕滑过程划分为蠕滑变形、浅层滑移、整体滑移、拉裂解体、堆积停止五个阶段。分析各阶段的位移云图与模型破坏特征,结合同类型巴东组滑坡破坏现象,阐明含夹层巴东组斜坡孕灾演化一成灾失稳的孕滑机理。本文研究成果,查明了巴东组斜坡工程地质模型类型,深化了对T2b2段紫红色泥岩与泥岩类夹层的特性认识,一定程度上解决了含泥岩类夹层巴东组斜坡孕滑与否及成灾模式差异等问题,为巴东组滑坡变形预测和防治设计等提供了指导。
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