鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月资源环境与工程 .收稿日期:改回日期:责任编辑:于继红资助项目:鄂西北变质岩区典型涉水滑坡成因机制分析及监测预警技术应用()第一作者:梅红专()男 高级工程师 水工环地质专业 从事地质灾害勘查与调查评价工作 :通信作者:杨新()男 硕士 土木水利专业 从事工程地质研究工作 :梅红专杨潇于义军等.鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析.资源环境与工程():.():.鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析梅红专 杨 潇 于义军 李 彬 何文武 杨 新 田静静 朱智超(.湖北省地质局 第八地质大队湖北 襄阳 .湖北省地质局 冶金地质勘探大队湖北 十堰.中国地
2、质大学(武汉)环境学院湖北 武汉)摘 要:十堰市地处中国鄂西北山区 区内地质环境背景复杂 主要地层岩性为变质岩 受地质环境的影响 区内变质岩岩性软弱 岩体结构较为破碎 风化强烈 与第四系松散岩地层一起构成了易滑地层 是滑坡灾害的高易发区 以十堰市软弱变质岩为研究对象 基于吸水性、耐崩解性、单轴压缩试验及直剪试验 分析变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理 结果表明 软弱变质岩吸水性较强且具有明显的各向异性特征和遇水软化特征 其单轴抗压强度随着法向应力方向与片理面之间夹角的增大呈现出两边高、中间低的“”型变化规律 抗剪强度参数随着法向应力方向与片理面之间夹角的增大而增大 并且随着浸水时间的延长而逐渐
3、减小 同时降雨诱发软弱变质岩滑坡的变形破坏 与岩土体强度、潜水、承压水作用息息相关 均遵循有效应力的原理 其研究成果可对十堰地区以及中国类似软弱变质岩地区的滑坡成灾机理认识及防灾减灾工作提供有益参考关键词:软弱变质岩 库岸滑坡 工程特性 变形破坏机制 十堰市中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.十堰地区广泛分布软弱变质岩岩体结构较为破碎风化强烈与第四系松散岩地层一起构成了主要易滑地层是该地区滑坡的主要诱因之一 境内河流均属于汉江第一大支流 堵河流域水系地质构造背景复杂地貌变化过程活跃河谷深切地势陡峭汛期频发暴雨及洪水是滑坡等地质灾害的高易发区 堵河流域由于水位涨落变化库岸边坡岩土体遭
4、到水体长期浸泡导致岩土体松软水位面一带常形成岩土体软弱带在上部自重或人为扰动作用下涉水滑坡总量逐年递增 因此开展十堰地区软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析十分必要目前国内外学者针对软弱变质岩水理力学性质有许多可借鉴的研究成果他们通过对不同含水状态下变质岩耐崩解性、吸水性与软化性系统研究了软弱变质岩的水理特性 如李志刚等 通过试验测定软弱变质岩的膨胀性、耐崩解性、吸水性与软化性研究变质岩的水理特性及其风化机理和强度劣化规律叶宏林开展了鄂西北云母石英片岩干湿循环作用下物理、力学性质劣化试验分析岩石物理、力学性能的劣化规律 同时学者们通过单轴压缩试验、点荷载强度试验、三轴抗压强度试验、巴西劈
5、裂试验系统研究了软弱变质岩的力学性质 如刘胜利等开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验探讨了试样各向异性的力学特征和在不同受力状态下的变形破裂特性以及在不同变形破裂方式下的力学机制 .通过单轴压缩和巴西劈裂试验研究了片麻岩和片岩变形破坏及强度的各向异性特征 由于十堰地区软弱变质岩形成与演化过程的多期性和结构的复杂性造成岩石成分复杂片理、板理面发育各向异性特征十分显著且取样、加工试件都存在较大困难导致其水理力学特性还不能完全掌握本文以十堰地区软弱变质岩为研究对象通过吸水性、耐崩解性、单轴压缩试验及直剪试验分析其水理、力学性质及其滑坡致灾机理揭示该地区软弱变质岩工程特性
6、及其与滑坡的成生关系以期为十堰地区以及中国类似变质岩地区的防灾减灾工作提供有益参考 研究区概况.地质背景条件十堰市位于湖北省西北部地处秦巴山区腹地、汉水中上游 区内地形地貌从北到南依次为秦岭山区汉江河谷低丘地区中部武当山区山间盆地区大巴山区地形陡峻高差变化大新构造活动较强烈根据岩土体工程地质类型的划分区内变质岩工程地质岩组可划分为较软弱薄片状片岩工程地质岩组()、较坚硬薄板状板岩与较软弱千枚岩互层工程地质岩组()、较坚硬薄板状板岩夹坚硬薄板状硅质岩工程地质岩组()、较软弱薄片状片岩与较坚硬块状粒岩互层工程地质岩组()类区内非变质岩工程地质岩组可划分为第四系松散软土体类()极软弱厚层块状半胶结砾
7、岩、泥岩、黏土岩工程地质岩组()较坚硬薄层状页岩、黏土岩工程地质岩组()坚硬薄厚层状岩溶较发育灰岩、白云岩夹软弱页岩工程地质岩组()坚硬薄厚层状岩溶较发育灰岩、硅质岩夹较坚硬板岩工程地质岩组()坚硬块状岩浆岩类()类(图)受区域地形条件影响及高差的不同十堰市降雨集中、雨量充沛、暴雨频发在软弱变质岩区常发生滑坡灾害 基于此本次研究的主要软弱变质岩类别包括板岩、千枚岩和片岩图 十堰市工程地质岩组分区图 .变质岩滑坡发育特征十堰市软弱变质岩滑坡约占滑坡总数的.从物质组成上来看其主要为土质滑坡从滑体厚度上来看多数为浅层滑坡从运动形式上来看主要为牵引式和推移式滑坡从形态上来看主要发育的平面形态为舌形、半
8、圆形和不规则形剖面形态为凸形、直线形和阶梯形从规模上来看软弱变质岩区主要发育中小型滑坡 在时间上滑坡分布具有较强的规律性由于受降雨影响非常大所以一年内滑坡主要集中在 月份年际滑坡表现为与暴雨同期在空间上滑坡主要分布在软弱炭质板岩、绢云母石英片岩、绢云石英千枚岩等且沿河流呈明显条带状分布及断裂构造带中各分断层的两侧分布 受降雨、库水等因素影响软弱变质岩水理及力学性质变化较大因此软弱变质岩区极易诱发滑坡资源环境与工程 年 研究方法.水理试验.吸水性试验为了解软弱变质岩的吸水性本文开展了天然条件下片岩、板岩的吸水性试验 按照工程岩体试验方法标准(/)将岩样分别加工成尺寸为 的浑圆状岩块其中片岩 块、
9、板岩 块试验步骤如下:()将岩样置于烘箱内在 温度下烘 再取出放入干燥器内冷却至室温后称量()采用自由浸水法将岩样放入水槽先注入洁净水至试件高度的/处以后每隔 分别注水至试件高度的/和/处 后全部浸没试件再每隔 将试件取出沾去表面水分后分别称量()岩石饱和吸水率在岩石吸水率测定后进行采用煮沸法强制饱和后测定煮沸时间为 将煮沸的试件放置在原容器中冷却至室温后取出并沾去表面水分后称量岩石吸水率计算公式如下:()/()()/()()/()式中:为天然含水率()为自然吸水率()为饱和吸水率()为试件天然状态下的质量()为试件自然吸水后的质量()为试件烘干后的质量()为试件强制饱和后的质量().耐崩解性
10、试验为获取干湿循环条件下片岩崩解的变化规律本文根 据 工 程 岩 体 试 验 方 法 标 准(/)开展了片岩室内静态循环崩解试验结合十堰地区气候条件将干湿循环次数设置为 次 试验步骤如下:()将从现场取回来的变质岩取 块 具有代表性的岩块进行试样描述记录后在 的温度下烘 再取出放入干燥器内冷却至室温后称量()将变质岩试样放入水槽中沿容器壁缓慢注入清水直至淹没岩样 观察并记录试样崩解情况()将残留试样(粒径 )在的温度下烘 冷却至室温对崩解物描述记录后称重()重复步骤 进行循环崩解试验每组试样干湿循环 次每一次烘干浸水循环后取粒径 的崩解物做下一次循环试验观察并记录试样崩解现象与过程图 烘干吸水
11、处理试样示意图(据参考文献修改)耐崩解性指数按下式求解:()式中:为试样循环耐崩解性指数()为原试样烘干质量()为残留试样烘干质量().力学试验本次力学试验包括单轴压缩试验和直剪试验根据工程岩体试验方法标准(/)单轴压缩试验圆柱体试件直径约为 高度约为共 组直剪试验正方体试件直径约为 高度约为 共 组 具体试验内容如下:()变质岩岩体受到与层理面夹角不同的荷载时会产生不同的破坏模式以层理角为控制变量在天然状态下进行层理角为、的单轴压缩试验和直剪试验获取变质岩试样单轴抗压强度、内摩擦角和黏聚力与层理角之间的关系()变质岩具有浸水软化效应因此本文选取层理角为的变质岩试样以浸水时间为控制变量开展天然
12、状态下浸水时间为、的直剪试验获取其内摩擦角和黏聚力随浸水时间的变化规律 变质岩水理及力学特性试验结果.软弱变质岩水理性质.吸水率随时间变化的特征从变质岩吸水率变化数据(图)可以看出在自然浸水条件下片岩(、)、板岩(、)的自然吸水率在 之后即趋于最大值 其中片岩的自然吸水率在 板岩的自然吸水率在 两者吸水率均较大并且随着浸水时间的延长片岩和板岩的自然吸水率无限接近于饱和吸水率.遇水耐崩解性能选取片岩()进行室内静态循环崩解试验以此分析水岩作用对片岩结构的影响第 期梅红专等:鄂西北软弱变质岩水理力学性质及其滑坡致灾机理分析图 片岩、板岩自然吸水率随时间变化图 .试样形态变化特征片岩在经过 次循环崩
13、解过程中岩块主体剥离崩解其崩解物呈块状、片状和颗粒状 随着循环次数的增加试样棱角逐渐磨圆崩解物的粒径总体上呈减小趋势 经历多次不同循环后的片岩()崩解过程形态见图 片岩崩解模式见图 图 片岩()初始形态及残留块体形态变化图 .试验结果分析()崩解循环次数对残余崩解物质量的影响 由残余崩解物质量与循环次数关系曲线(图)可知岩石崩解均是由外向内崩解且裂隙呈不断扩张的过程片岩试样每次干湿循环后残余崩解物质量变化较小试样质量损失较小图 片岩崩解模式示意图(据参考文献修改)图 残余崩解物质量与循环次数关系曲线图 ()崩解循环次数对耐崩解性指数的影响 片岩耐崩解性指数与循环次数关系曲线见图 图 耐崩解性指
14、数与循环次数关系曲线图 资源环境与工程 年 经过 次循环崩解后片岩的耐崩解性指数随循环次数的增加而降低并且耐崩解性指数与循环次数之间呈线性关系其表达式为 (式中:和 为系数 为循环次数).软弱变质岩力学性质.单轴抗压强度随层理方向变化特征对 组软弱变质岩试样进行单轴压缩试验以层理角为控制因子研究在不同层理角条件下软弱变质岩的单轴抗压强度的变化规律根据图 可得随着片理面角度的增大单轴抗压强度呈现先减小后增大的“”型分布 当片理面角度 或 时试样的单轴抗压强度值较大且 时试样的单轴抗压强度值最大达.当 时试样的单轴抗压强度值最小为.根据岩石坚硬程度分类表(表)十堰地区千枚岩为极软岩较软岩板岩为较软
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- 西北 软弱 变质岩 力学 性质 及其 滑坡 机理 分析