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本论文是国家自然科学基金项目《三峡库区缓倾角红层基岩滑坡降雨启滑机制》的一个组成部分,选取缓倾角红层基岩滑坡的一个典型实例一天台乡特大型滑坡为具体研究对象,对该滑坡滑带软岩试验特征进行深入研究,探讨软岩特性在滑坡形成机制中的作用。
本论文以天台乡滑坡为研究对象,在收集滑坡勘查资料和研究成果(包括地质图、地形图、物理力学性质和水文地质实验资料、监测资料、气象资料、研究报告等)的基础上,对天台乡滑坡进行野外调研,包括地质构造、地层组合关系、地下水的入渗和排泄情况。采取天台乡滑坡红层软岩定向样品,模拟降雨之后水对红层软岩的作用,在室内浸水条件下,对滑带软岩定向样品(岩样)作浸水剪切实验、浸水单轴压缩试验与浸水流变实验,通过对不同浸水时间条件下的剪切强度和单轴压缩强度的比较分析,研究滑带软岩浸水软化合规律。通过流变试验,求取红层软岩的长期强度。结合已有的岩土体本构模型—伯格斯模型(Burgersmodel),应用回归分析法和最小二乘法对流变试验数据拟合分析,确定软岩的流变参数。
通过以上研究工作,得出以下结论:
(1)模拟降雨之后水对红层软岩的软化作用,使用剪切流变仪对红层软岩进行在浸水一天,浸水三天,浸水五天和浸水七天状态下的剪切试验。浸水一天有7块试样,其中5块为泥质粉砂岩,其余2块分别为粉砂质泥岩、砂岩;浸水三天有5块试样,全部为泥质粉砂岩;浸水五天有4块试样,其中2块为泥质粉砂岩,其余两块为粉砂质泥岩和泥岩;浸水七天有3块试样,这3块试样分别为泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。通过试验得出:浸水一天泥质粉砂岩的剪切强度为C=2.25MPa,φ=43.7°;浸水三天泥质粉砂岩的剪切强度为C=2.6MPa,φ=34.9°,比较各种正应力下泥质粉砂岩破坏时的剪应力,对比发现泥质粉砂岩浸水之后的剪切强度变化较小。泥岩在浸水五天正应力为0.14MPa下破坏时的剪应力为1.19MPa;泥岩在浸水七天正应力为0.14MPa下破坏时的剪应力为0.97MPa,强度较浸水五天下降了近20%。通过对各试样进行比较分析表明泥岩浸水之后的软化作用明显大于泥质粉砂岩。
(2)使用INSTRON1346动静两用伺服控制刚性试验机对泥质粉砂岩进行单轴压缩试验,这里对天然、浸水一天、浸水三天、浸水五天、浸水七天五种状态下的泥质粉砂岩试样进行试验,通过浸水压缩试验发现:泥质粉砂岩浸水后的单轴压缩强度在天然和浸水一天之间的变化较大,而浸水之后各时间点的单轴抗压强度变化较小,即泥质粉砂岩在浸水之后强度会发生急剧降低,但随着浸水时间的延长单轴抗压强度则变化较小。通过对实验数据的整理,发现单轴抗压强度与浸水时间的关系符合—阶指数衰减规律,单轴抗压强度与浸水时间的关系式为σ=15.28+8.38exp(-t/0.78)。弹性模量、体积模量和泊松比受浸水时间的影响较小。
(3)本文采用分级加载的方法,进行了红层泥质粉砂岩的蠕变试验,得到了泥质粉砂岩的蠕变累计应变-时间曲线,通过对蠕变曲线的分析,可以看出天台乡滑坡的泥质粉砂岩具有比较明显的流变性质。在不同的应力水平作用下,泥质粉砂岩的流变曲线表现出过渡蠕变阶段,稳态蠕变阶段以及加速蠕变阶段等不同的流变特性。
(4)本文利用应力-应变等时曲线簇确定出天台乡滑坡泥质粉砂岩的长期强度参数,粘聚力为1.1MPa,内摩擦角为29.4°,相对于变角板剪切试验的强度参数分别要减小21%和28%。因此对于由红层软岩构成的坡体,评价其稳定性时必须考虑红层软岩因流变而产生的强度降低,稳定性计算时须考虑红层软岩的长期强度。
(5)试验数据经过Boltzmann叠加后,对实验数据进行了分析,发现天台乡滑坡的泥质粉砂岩流变试验曲线具有以下特征:在各等级荷载作用的初期具有明显的瞬时变形,这是弹性变形的明显特征;瞬时变形结束后,试样就进入了减速蠕变阶段,变形速率下降;随着时间的推移,各级荷载作用下的变形越来小,表明试样进入了稳定匀速蠕变阶段。根据以上特征,本文选用了Burgers模型对流变曲线进行参数辨识。
(6)选用Burgers模型的本构方程ε=σ0[1/E1+t/K1+1/E2(1-e-E2/K2t)],采用回归分析法求得模型参数。经对比发现Burgers模型可准确的描述泥质粉砂岩的衰减蠕变阶段和匀速蠕变阶段。