降雨诱发软硬互层顺倾斜坡失稳地质力学机制研究

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软硬互层斜坡是一种包含各类断裂破碎层及不整合面(带)的广义软硬组合结构体边坡。该类斜坡广泛分布于我国西南地区。与均质体斜坡相比,软硬互层斜坡的岩体结构较为复杂,层间结合较差。在极端条件(如降雨、地震)下,该类斜坡中软岩层强度折减较大,易出现“短板效应”,进而发生失稳破坏。由于其赋存环境、岩土特性及力学性质的不同,该类斜坡的降雨力学响应也呈现出独特的性状。已建的叙大铁路在施工过程中遇到较多的软硬互层斜坡,特别是在四川古蔺站场开挖时边坡出现降雨失稳滑动,严重影响了铁路的施工工期及后续运营安全性。本文以古蔺站场滑坡为依托原型,通过现场勘测和资料收集建立了相应的概化模型,开展了大型室内降雨物理试验及数值仿真计算,探索了该类斜坡在降雨工况下的不同力学行为。研究成果如下:1、通过对我国西南山区降雨诱发的典型软硬互层斜坡灾害进行野外踏勘和系统的资料整理,厘清了软硬互层斜坡降雨失稳的工程地质条件及分布特征,初步查明了该类斜坡降雨失稳灾害类型及诱发条件。针对典型依托斜坡工点在工程开挖及降雨作用下的破坏特征,初步分析了其发生两次失稳破坏的形成机理,并构建相应槪化模型。2、基于自主研发的模型试验装置及室内雾化降雨系统,开展了五组大型室内降雨模型试验和数值模拟计算研究,在考虑坡高及岩层结构组合因素的基础上,再现了近水平斜坡表层平推、中倾斜坡前端崩滑、浅层溜滑-多层回退、缓倾等厚度斜坡滑移-拉裂-弯曲、缓倾不等厚度层间错动-浅表层推挤等四种失稳模式。3、基于相似理论、量纲关系等推导了物理试验的相似常数,通过设计正交试验、渗透性试验等确定了模型试验所需的软、硬岩相似材料配比,分别为硬岩的相似材料配比重晶石粉∶石英砂∶石膏∶水泥∶水=36∶45∶0.5∶0.5∶18;软岩的相似材料配比重晶石粉∶石英砂∶石膏∶黏土∶水=40∶32∶9∶1∶18。综合采用内部和外部监测系统对坡体含水率变化、变形扩展等进行动态监测,从多方位揭示了该类斜坡在降雨破坏过程中的力学响应及破坏机理。4、通过室内软岩崩解试验探讨了其随时间的动态损伤效应,揭示了坡内岩体的破坏行为及机理,验证了坡体破坏过程中优先流效应及优先流通道的形成机制;通过对室内岩体软化系数进行测定,分析软硬岩遇水强度折减情况,得出其软化系数随时间呈幂函数型变化规律:软岩=-0.095 ln()+0.323;硬岩=-0.043ln()+0.7435。将该规律借助于fish编程引入UDEC离散元分析中,构建了软硬互层斜坡降雨失稳分析数值模型。5、揭示了降雨对软硬互层斜坡失稳的主要作用为裂隙不均匀切割效应和裂隙优先流效应。通过将坡体不同降雨时段的破坏特征与坡内相应时段的含水率、孔隙水压力、土压力数值变化结合分析,构建了坡体内部力学参数变化与坡体破坏特征之间的联系,为类似斜坡的防灾预警工作提供参考依据。6、通过离散元软件UDEC对软硬互层斜坡的降雨失稳过程进行数值模拟,揭示了坡度、岩层厚度对该类斜坡破坏模式的潜在影响,查明了坡体中优先流通道分布状况;并对不同坡体结构互层斜坡的降雨失稳显著性影响因素分析,得出缓倾顺层坡体的破坏深度最深,损伤方量最大;不等厚软硬互层斜坡中,坡内软岩占比越大,破坏损伤严重。坡内硬岩占比越大,坡体稳定性越强。
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