花崗巖風(fēng)化巖土體力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)研究與穩(wěn)定性數(shù)值模擬.pdf

1、土壤侵蝕是我國南方花崗巖地區(qū)地力退化的重要因素?；◢弾r風(fēng)化殼受風(fēng)化程度的影響呈現(xiàn)明顯的剖面非均質(zhì)性，并形成了獨(dú)特的侵蝕地貌-崩崗。傳統(tǒng)的土壤侵蝕無法全面對(duì)崩崗侵蝕的形成和演替進(jìn)行解釋，且鮮有研究從巖土力學(xué)的角度對(duì)土壤侵蝕現(xiàn)象進(jìn)行探究。花崗巖風(fēng)化巖土體穩(wěn)定性的研究對(duì)于該區(qū)域土壤侵蝕預(yù)測、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及后續(xù)治理具有重要意義。
　　本文以鄂東南崩崗侵蝕集中區(qū)典型花崗巖風(fēng)化殼為研究對(duì)象，根據(jù)風(fēng)化程度將巖土體自上而下劃分為表土層、紅土層、砂土層

2、和碎屑層，通過測定其土壤結(jié)構(gòu)參數(shù)、土水特征、土體形變及強(qiáng)度等指標(biāo)，研究了花崗巖風(fēng)化巖土體理化及力學(xué)特性的變異性，并基于試驗(yàn)結(jié)果采用有限差分和極限平衡為主的數(shù)值分析方法進(jìn)行了土體非飽和滲流和穩(wěn)定性計(jì)算。主要結(jié)果如下:
　　(1)花崗巖風(fēng)化巖土體主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的及持水特性
　　花崗巖風(fēng)化巖土體的黏土礦物以高嶺石為主，顆粒形狀以片狀為主;不同風(fēng)化層次間土壤顆粒組成具有明顯的多重分形特性，且顆粒的排列方式及結(jié)構(gòu)特性差異明顯;不同層次間

3、土壤容重變化范圍較小，120～1.42g/cm3;土壤黏粒、有機(jī)質(zhì)及游離鐵鋁氧化物的含量大致隨著巖土體深度的加深而降低，其變化范圍分別為13～42％、0～21g/kg、4～24(Fe2O3)和1～7(Al2O3)g/kg;塑限和液限的變化規(guī)律不明顯，范圍為22～30％和28～52％;紅土層的土壤孔隙主要集中于0.01～0.1μm，而表土層因生物活動(dòng)的影響土壤具有較多的大孔隙，而砂土層和碎屑層則受大顆粒的影響，大孔隙含量較高。
　　

4、Fredlund-Xing模型可以很好的模擬花崗巖風(fēng)化巖土體的水分特征曲線(R2＞0.99，SE＜0.00，RSS＜0.02)，其模型參數(shù)與土壤顆粒組成和液塑限存在顯著的相關(guān)關(guān)系(r＞0.98，p＜0.01;r＞0.8，p＜0.05)。
　　(2)花崗巖風(fēng)化巖土體的脫水收縮形變特征
　　在脫水過程中，紅土層的收縮形變明顯，體積形變量高達(dá)0.2cm3/cm3其中正常收縮階段占總形變量的52％以上，而碎屑層的收縮形變量較小，體積

5、形變量小于0.05cm3/cm3;不同層次土壤收縮形變的異向性隨含水率的變化而變化，其中表土層和砂土層的體積收縮應(yīng)變以徑向收縮為主，幾何因子γ的變化范圍為1.2～2.2，而紅土層和碎屑層的以軸向收縮應(yīng)變?yōu)橹?，幾何因子γ均大?.0;粉粒含量是影響花崗巖風(fēng)化巖土體干縮形變的主要因子，土體形變?nèi)萘渴芸紫抖扔绊戄^大(p＜0.05)。
　　(3)花崗巖風(fēng)化巖土體的飽和-非飽和抗剪強(qiáng)度特征
　　不同層次間花崗巖風(fēng)化巖土體的非飽和抗剪強(qiáng)

6、度特征差異明顯，其中紅土層和砂土層隨著含水率的降低呈應(yīng)力軟化，而碎屑層則呈應(yīng)力硬化，且質(zhì)地較黏重的土層抗剪強(qiáng)度較大，尤其在低含水率條件下;非飽和抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力呈明顯的非線性變化，這可以用Lee等(2005)的非飽和抗剪強(qiáng)度公式表征;高基質(zhì)吸力條件下，抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力和法向壓力相互作用的影響;基于非飽直剪試驗(yàn)結(jié)果求得有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)（c'和ψ'），其大小隨土壤含水量的增加而減小;在100～1000kPa的基質(zhì)吸力范圍內(nèi)紅土層的抗剪強(qiáng)

7、度受基質(zhì)吸力的變化影響較大，而超過此范圍則影響較小;砂土層和碎屑層抗剪強(qiáng)度受基質(zhì)吸力影響相對(duì)較小，尤其是碎屑層，其抗剪強(qiáng)度的變化范圍為45～75kPa。
　　除碎屑層以外，花崗巖風(fēng)化土的非飽和抗剪強(qiáng)度與飽和度相關(guān)的參數(shù)具有線性相關(guān)關(guān)系(R2＞0.6，RMSE＜28，AICc＞-23);當(dāng)土壤含水率在14～7％時(shí)，抗剪強(qiáng)度總體較大;紅土層在土壤含水量為21％左右，其抗剪強(qiáng)度異向性明顯（λ＞1.5）;土壤黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化范圍分別

8、為0～120kPa和22～52°，且風(fēng)化層次、土體方向及土壤含水率均對(duì)黏聚力具有顯著影響(F=9.48，p＜0.01)，而內(nèi)摩擦角僅受含水率影響(F=17.78，p＜0.001)。
　　Duncan-Chang本構(gòu)模型可以較好的模擬花崗巖風(fēng)化巖土體的應(yīng)力應(yīng)變特性，據(jù)該模擬計(jì)算得到飽和花崗巖風(fēng)化體紅土層、砂土層和碎屑層彈性模量，其變化范圍分別為46～172、66～338和61～163kPa，其變異性受總孔隙度和粉粒含量影響(p＜0.

9、05);砂土和碎屑層的有效黏聚力遠(yuǎn)小于總黏聚力，而對(duì)于紅土層和表土層，其差異不明顯;飽和條件下基于三軸壓縮試驗(yàn)求得的黏聚力普遍較直剪試驗(yàn)大，而內(nèi)摩擦角則相反。
　　(4)花崗巖風(fēng)化巖土體的非飽和滲流及穩(wěn)定性分析
　　非飽和滲流分析結(jié)果表明，花崗巖風(fēng)化土體的底部砂土和碎屑區(qū)域容易發(fā)生積水，這與剪應(yīng)力增量劇烈的區(qū)域一致;土體的整體穩(wěn)定性受坡度大小控制，極限平衡條件下45°為臨界坡度值，土體的破壞方式以剪切破壞為主，表土和紅土層存