本文關鍵詞：基于結(jié)構(gòu)性的土石混合體斜坡變形特征研究

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【摘要】：近年來,隨著我國基礎建設的進一步開展,在邊坡(滑坡)治理、水電站建設、基礎工程等工程建設過程中不可避免地遇到包括殘坡積物、崩坡積物和沖洪積物的松散堆積介質(zhì),亦即土石混合體。由于土石混合體具有物質(zhì)組成的復雜性、結(jié)構(gòu)分布的不規(guī)則性以及試樣的難以采集性等內(nèi)在的獨特性質(zhì),從而給研究帶來了極大的困難,現(xiàn)有的巖土力學理論尚不能對這類特殊地質(zhì)體進行準確的描述與概化。據(jù)調(diào)查,崩坡積成因的土石混合體滑坡在我國三峽庫區(qū)分布極為廣泛,且這類滑坡通常具有規(guī)模較大、影響因素眾多、失穩(wěn)突發(fā)性強、滑移條件復雜,常給國民經(jīng)濟建設、人民正常生活與生命安全帶來嚴重危害和巨大的財產(chǎn)損失。因此,將土石混合體的研究成果與土石混合體滑坡的穩(wěn)定性分析相結(jié)合顯得尤為重要。事實證明,自2003年三峽庫區(qū)蓄水開始,到目前庫區(qū)最高蓄水位達到175m,在庫水位變動和強降雨共同作用下,三峽庫區(qū)堆積層滑坡均發(fā)生一定程度的變形。因此,對該類堆積層滑坡進行合理的穩(wěn)定性評價以及變形特征研究,提出行之有效的防治措施,減少滑坡災害對庫區(qū)人民生命財產(chǎn)安全的損害,顯得尤為重要。目前在對土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析時,由于現(xiàn)有技術條件的限制通常將邊坡視為均勻土質(zhì)邊坡,忽略土石混合體的結(jié)構(gòu)性特征,參數(shù)采用細粒組分的參數(shù)來近似代替。這種處理方法無論在邊坡結(jié)構(gòu)還是參數(shù)選擇上都進行了很大程度的簡化,忽略了土石混合體內(nèi)部“塊石”(尤其是巨型“塊石”)在控制邊坡穩(wěn)定性方面的作用,從而給計算分析帶來了誤差。本研究選取“基于土石混合體結(jié)構(gòu)性的斜坡變形特征研究”為研究主題,選取三峽庫區(qū)一處變形趨勢明顯的典型堆積層滑坡——白水河滑坡作為研究對象,聚焦崩坡積成因的土石混合體的結(jié)構(gòu)性,從細觀和宏觀的角度切入,分別在典型滑坡土石混合體露頭照片進行圖像處理的基礎上進行細觀結(jié)構(gòu)性指標的統(tǒng)計分析(第2章),并通過對地面核磁共振技術測量數(shù)據(jù)進行解譯的基礎上,對滑坡區(qū)空間分布的水文地質(zhì)參數(shù)進行變異函數(shù)分析,探討土石混合體分布的宏觀結(jié)構(gòu)性(第5章)�；诩氂^結(jié)構(gòu)性,建立崩坡積土石混合體模型隨機生成系統(tǒng)(第3章),運用反演分析法、解析法以及數(shù)值仿真試驗多種方法綜合獲取典型滑坡中崩坡積土石混合體的抗剪強度指標(第4章)�；诤暧^結(jié)構(gòu)性,采用非侵入式隨機有限元分析方法分析了抗剪強度和飽和滲透系數(shù)不同空間變異結(jié)構(gòu)對理想邊坡入滲過程、安全系數(shù)以及變形特征的影響。與此同時,建立典型滑坡的二維計算模型,考慮飽和滲透系數(shù)的空間變異性,對一個水文年的實際工況(水庫運營+降雨)進行滲流場——應力場耦合分析,將模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比,進行變形特征的探討(第6章)。本研究的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下方面：1.針對崩坡積成因土石混合體的結(jié)構(gòu)特征,采用數(shù)值試驗的方法對不同土/石閡值下的土石混合體模型的物理力學性質(zhì)進行比較分析,選取最適用的土/石閾值用以進行基于細觀結(jié)構(gòu)性特征的土石混合體隨機模型建立。同時,通過對不同尺寸不同長徑比的試樣進行力學數(shù)值試驗,研究土石混合體力學性質(zhì)的尺寸效應。2.提出利用各向異性的變異函數(shù)分析來定量研究土石混合體參數(shù)場地分布的宏觀結(jié)構(gòu)性特征。將地面核磁共振技術解譯獲得的空間分布的滲透系數(shù)和含水量作為研究對象,通過變異函數(shù)分析,研究參數(shù)的自相關距離和最主要相關方位。3.將高斯序列條件模擬與有限元法相結(jié)合,提出了一種非侵入式的隨機有限元計算方法用以斜坡穩(wěn)定性分析。這種方法在模擬具有不同空間相關結(jié)構(gòu)的參數(shù)對斜坡降雨入滲過程、穩(wěn)定性和變形特征的研究具有相當?shù)膬?yōu)越性。整個研究取得以下結(jié)論：1.根據(jù)三峽庫區(qū)典型堆積層滑坡——白水河滑坡的工程地質(zhì)調(diào)查資料,對滑坡區(qū)內(nèi)廣泛分布的崩坡積土石混合體的工程地質(zhì)特征進行描述。區(qū)內(nèi)崩坡積成因的土石混合體分布厚度不均衡,從7.75m至38.5m不等。據(jù)鉆孔資料顯示,區(qū)內(nèi)土石混合體的塊石塊徑一般為20-200mm,局部分布300-500mm的大塊石,且不隨研究尺度(鉆孔深度)增大而明顯增大,這一點與Medley基于加州melange提出的塊石塊徑自相似性假設不符。2.基于對滑坡區(qū)內(nèi)典型土石混合體露頭照片進行照片處理,提取其中的塊石的信息從細觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征角度進行細觀結(jié)構(gòu)特征的定量描述和統(tǒng)計特征分析。細觀結(jié)構(gòu)指標主要由最大視徑(MOD)、長短軸比(AR)和定向角(OA)描述。經(jīng)統(tǒng)計分析,MOD和AR的概率分布符合對數(shù)正態(tài)分布,OA符合正態(tài)分布規(guī)律。此外,MOD的概率分布函數(shù)擬合參數(shù)與含石量呈高度線性相關。形態(tài)特征指標由基于傅里葉級數(shù)的形狀指數(shù)(FFI)和棱角性指數(shù)(FAI)描述。通過對所研究圖像內(nèi)2458個塊石進行分析,其中75%的塊石的FFI低于1.2,92%的塊石FAI低于0.05,表明區(qū)內(nèi)土石混合體中大部分塊石呈次圓狀,且絕大多數(shù)表面較光滑,沒有明顯的棱角性。3.基于崩坡積土石混合體的細觀結(jié)構(gòu)特征統(tǒng)計規(guī)律,研究土石混合體力學響應的重要方法是建立隨機仿真模型進行數(shù)值力學實驗。其中,兩個關鍵問題關乎仿真模型的代表性,即為土/石閡值問題和尺寸效應問題。本文運用露頭照片根據(jù)不同的閡值(5mm,10mm,0.05dmax, 0.1dmax和0.05Lc)建立仿真模型,運用有限差分方法和有限元方法分別進行數(shù)值單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗和定水頭滲透性試驗,獲取不同閾值取值的物理力學參數(shù)對比,結(jié)合顆粒分析,結(jié)果表明5mm的閾值能最大化地反映原代理模型的物理力學性質(zhì)。根據(jù)確定的閾值,開發(fā)了考慮較小塊石(5mm-0.05dmax)的土石混合體隨機生成系統(tǒng)。依據(jù)給定的模型尺寸和含石量,生成了不同含石量下的土石混合體模型,從中依據(jù)不同的試樣尺寸和高徑比隨機取樣,用以進行數(shù)值單軸壓縮試驗從而研究力學性質(zhì)的尺寸效應和土石混合體的變形破壞機制。結(jié)果表明,單軸壓縮強度與試樣尺寸呈對數(shù)關系,并在邊長為1.5m時試樣強度開始穩(wěn)定。并且這種變化趨勢與含石量有關,具體表現(xiàn)為較大含石量的試樣表現(xiàn)出相對均質(zhì)的特征從而強度隨尺寸增大而減小,較小含石量的試樣強度隨尺寸增大而增大,因為鮮見的大塊石增大了破壞面的曲率。同時,單軸壓縮強度與彈性模量隨試樣高徑比的增大分別呈指數(shù)和冪函數(shù)關系減小,這種變化趨勢隨著土石比的增大愈發(fā)明顯,且在高徑比為2時接近穩(wěn)定。綜合比較分析,對于厚度很大的土石混合體而言,合理的試樣尺寸為1m×2m。4.滑坡區(qū)分布的滑體和滑帶均為土石混合體,故本文運用反演分析法、解析法和數(shù)值仿真試驗方法確定了滑體和滑帶的抗剪強度參數(shù)。反演分析法用有限元法模擬不同參數(shù)組合下的典型計算剖面在一段時間內(nèi)實際工況下(降雨和庫水位升降)相應GPS監(jiān)測點的地表變形曲線,根據(jù)非加權組平均法進行分析,選取最優(yōu)參數(shù)組合作為滑帶的抗剪強度參數(shù)。解析法根據(jù)以往文獻對大量崩積物的試驗結(jié)果提出的估算模型,根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果和相應的土石比,分別求取滑帶和滑體的抗剪強度指標。數(shù)值仿真試驗方法基于崩坡積土石混合體隨機生成系統(tǒng),生成滑體和滑帶土石混合體隨機模型各60組,施加不同的“圍壓”進行三軸壓縮試驗,并對所得的共120組數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明,數(shù)值試驗獲得的粘聚力平均值小于以上兩種方法,而內(nèi)摩擦角明顯較大。根據(jù)對三軸壓縮條件下土石混合體模型試樣的應力狀態(tài)分析,認為在較大加載條件下塊石與基質(zhì)土之間的外摩擦力使得表征內(nèi)摩擦角顯著增大。綜合三種分析方法,提出了抗剪強度指標建議值。5.滑坡區(qū)土石混合體分布貌似混沌無序,實際存在一定的宏觀結(jié)構(gòu)特征。本文通過對滑坡區(qū)內(nèi)地面核磁共振方法獲取的空間分布的水文地質(zhì)參數(shù)進行各向異性變異函數(shù)分析,利用空間相關性表征宏觀結(jié)構(gòu)性特征。水平面的變異函數(shù)分析結(jié)果表明,區(qū)內(nèi)飽和滲透系數(shù)(Ks)呈幾何各向異性特征分布,且在北偏西9°方向上具有最大的空間相關距離(508.37m),在東偏北9°方向上具有最小的空間相關距離(286.75m),表明整個滑坡區(qū)的組成物質(zhì)在接近橫向上相互關聯(lián)整體性較強,而在縱向上(滑坡滑動方向)關聯(lián)性較差；區(qū)內(nèi)含水量呈帶狀各向異性特征分布,且在北偏西45°方向上具有最大的空間相關距離(262.98m),在正北方向具有最小的相關距離(113.82m),該結(jié)果與坡體的水文地質(zhì)交換程度有關。6.為研究空間變化的物理力學參數(shù)對斜坡滲流過程、穩(wěn)定性和變形特征的影響,選取理想邊坡,提出基于序列高斯隨機場條件模擬的非侵入性隨機有限元計算方法,分別就滲透系數(shù)(Ks)和抗剪強度(c,φ)在各向異性和各項同性情況下的7種不同的空間相關結(jié)構(gòu)的50個實現(xiàn)進行總共1050次計算。不同空間變異結(jié)構(gòu)的Ks的滲流場結(jié)果顯示,各向異性分布的隨機場在選取的截面上易于產(chǎn)生更高的負孔隙水壓力以及孔隙水壓力變化范圍。各向同性的情況下,相關距離越大,孔隙水壓力變化范圍越大,且獲得的地下水位線波動范圍也越大；各向異性情況下,當空間相關主方向與截面方向垂直時,孔隙水壓力變化范圍顯著增大。而相應的地下水位線波動范圍變化不甚顯著。不同空間變異結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)計算的穩(wěn)定性系數(shù)平均值顯示,考慮φ空間變異性計算的穩(wěn)定性系數(shù)均小于不考慮空間變異性的計算結(jié)果,考慮c空間變異性的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果相對于不考慮空間變異性的結(jié)果相差不大。因此,不考慮空間變異性的計算方法易于高估斜坡的穩(wěn)定性。此外,參數(shù)空間參數(shù)變異結(jié)構(gòu)對斜坡最危險滑動面的分布也具有十分顯著的影響�？偟膩碚f,計算結(jié)果對于c,φ的敏感度高于Ks,因此產(chǎn)生相對較大的最危險滑動面分布范圍。各向同性情況下,最危險滑動面變化范圍隨相關距離增大而增大；各向異性情況下,當空間相關主方向為水平方向或與坡面方面平行時,最危險滑動面變化范圍最大,且最易于發(fā)生深部大范圍滑動。7.基于前文的結(jié)果,建立白水河滑坡的地質(zhì)-滲流-力學數(shù)值模擬計算模型,依據(jù)SNMR結(jié)果和普通克里格插值估算方法考慮滑體和滑帶的Ks空間變異性,進行一個水文年實際降雨與庫水位綜合工況下的滲流場-力學場耦合模擬計算,得到滑坡在綜合工況下表現(xiàn)出的變形特征。結(jié)果表明,白水河滑坡可被視為牽引式滑坡,且主控因素為降雨。在庫水位和降雨的作用下,地下水位逐步抬升,孔隙水壓力增大,一方面抗剪強度降低,另一方面形成的不平衡滲流矢量均對滑坡的變形不利。滑坡變形首先發(fā)生在滑坡中部平臺,隨著變形的進一步加劇,變形范圍逐步向滑坡后緣延伸；同時,在超強降雨作用下,由于滑坡后緣坡度較陡,后緣發(fā)生極為顯著的淺表局部變形。經(jīng)過與滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)以及宏觀變形跡象調(diào)查,驗證了數(shù)值模擬過程和結(jié)論的正確性和可靠性。論文研究以貼近具體工程實例為基礎,旨在通過采用綜合技術手段,系統(tǒng)性研究基于崩坡積土石混合體結(jié)構(gòu)性的斜坡變形特征,其思路可推廣到對其他同類型滑坡的研究中,具有較強的工程借鑒價值。
【關鍵詞】：崩坡積 土石混合體 堆積層滑坡 結(jié)構(gòu)性 細觀結(jié)構(gòu) 空間變異性 隨機有限元
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TU43
【目錄】：

• 作者簡介6-8
• 摘要8-12
• ABSTRACT12-21
• CHAPTER Ⅰ INTRODUCTION21-38
• §1.1 Problem statement21-23
• 1.1.1 Research background21-22
• 1.1.2 Research objectives22-23
• §1.2 Review of research23-33
• 1.2.1 Structural characteristic of SRM23-24
• 1.2.2 Mechanical characteristic of SRM24-30
• 1.2.3 SRM slope stability30-31
• 1.2.4 Spatial variability of rock and soil mass31-33
• §1.3 Research content and outline33-38
• 1.3.1 Main research contents33-34
• 1.3.2 Key issues to be solved 31434-35
• 1.3.3 Main innovations35-36
• 1.3.4 Research outline36-38
• CHAPTER Ⅱ ENGINEERING GEOLOGICAL ASPECT AND MESOSTRUCTUREDNESS OFCDSRM38-64
• §2.1 Introduction38
• §2.2 Engineering geological characterization of Baishuihe landslide38-44
• 2.2.1 Overview of Baishuihe landslide39-41
• 2.2.2 Engineering geological characterization of Baishuihe landslide41-44
• §2.3 Engineering geological aspects44-48
• 2.3.1 Genesis of CDSRM44
• 2.3.2 Discriminating blocks from matrix44-47
• 2.3.3 Estimating block proportion47-48
• §2.4 2D image sampling and processing48-51
• 2.4.1 2D Digital image sampling48-49
• 2.4.2 2D image processing for CDSRM49-50
• 2.4.3 2D Block extraction and analysis50-51
• §2.5 Mesostructural quantitive characterization51-57
• 2.5.1 MOD of the blocks in CDSRM51-54
• 2.5.2 AR and OA of the blocks in CDSRM54-56
• 2.5.3 The centroid of blocks56
• 2.5.4 Block proportion56-57
• §2.6 2D Morphological quantitive characterization57-62
• 2.6.1 Indexes describing morphological characterization & blocks57-61
• 2.6.2 Morphological characterization of blocks in CDSRM61-62
• §2.7 Summary62-64
• CHAPTER Ⅲ KEY ISSUES IN GENERATING STOCHASTIC CDSRM MODEL64-93
• §3.1 Introduction64-65
• §3.2 Block/matrix threshold determination65-77
• 3.2.1 Grain size distribution of censored blocks65-67
• 3.2.2 CDSRM model generation in B/M determination67-68
• 3.2.3 Numerical mechanical experiments68-70
• 3.2.4 Numerical permeability experiments70-73
• 3.2.5 Results and discussion73-77
• §3.3 Scale effect of mechanical properties of CDSRM77-91
• 3.3.1 Generation of stochastic surrogate specimens77-80
• 3.3.2 Results of numerical unconfined compression experiment80-89
• 3.3.3 Discussion89-91
• §3.4 Summary91-93
• CHAPTER Ⅳ SHEAR STRENGTH DETERMINATION OF CDSRM93-109
• §4.1 Introduction93
• §4.2 Shear strength based on back analysis93-98
• 4.2.1 General idea and assumptions93-94
• 4.2.2 Calculation model94-96
• 4.2.3 Back analysis for shear strength of sliding zone96-98
• §4.3 Shear strength based on analytical estimation98-100
• 4.3.1 Adopted analytical model98-99
• 4.3.2 Estimation results99-100
• §4.4 Shear strength determination based on numerical experiments100-107
• 4.4.1 Overview of numerical tri-axial compression experiments100-102
• 4.4.2 Numerical experiment results102-105
• 4.4.3 Discussion on the deformation mechanism105-107
• §4.5 Summary107-109
• CHAPTER Ⅴ MACROSTRUCTUREDNESS OF CDSRM BASED ON VARIGRAMANALYSIS 389109-133
• §5.1 Introduction109
• §5.2 Basic theory ofgeostatistics109-117
• 5.2.1 Regionalized variable theory110-111
• 5.2.2 Hypothesis ofgeostatistics111-113
• 5.2.3 The Variogram113-114
• 5.2.4 Theoretic models of variogram114-115
• 5.2.5 Anisotropy of spatial correlation115-117
• §5.3 Spatial variables obtained from SNMR in landslide site117-122
• 5.3.1 Basic theory of SNMR117-119
• 5.3.2 Variables obtained from SNMR119-120
• 5.3.3 Interpretation results from SNMR120-122
• §S.4 Field-scale spatial correlation of hydraulic parameters122-131
• 5.4.1 Surveyed data analysis123-124
• 5.4.2 Experimental variogram analysis124-126
• 5.4.3 Anisotropio analysis of field-scale spatial correlation126-130
• 5.4.4 Kriging interpolation based on anisotropic spatial variability130-131
• §5.5 Summary131-133
• CHAPTER Ⅵ SLOPE DEFORMATION BEHAVIOR CONSIDERING SPATIAL VARIABLEPARAMETERS133-175
• §6.1 Introduction133-134
• §6.2 Seepage and stability analysis of unsaturated SRM slope considering spatial variable properties134-162
• 6.2.1 Methodology of random field generation134-140
• 6.2.2 Simulation models for seepage and stability analysis140-149
• 6.2.3 Influence of spatial variability on seepage process149-155
• 6.2.4 influence of spatial variability on slope stability155-162
• §6.3 Deformation behavior analysis of Baishuihe Landslide considering spatially variable hydraulic conductivity162-173
• 6.3.1 Generation of calculation model162-164
• 6.3.2 Calculation condition selection164-165
• 6.3.3 Simulation results165-170
• 6.3.4 Deformation characteristics170-173
• §6.4 Brief summary of this chapter173-175
• CHAPTER Ⅶ CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS175-180
• §7.1 Conclusions175-178
• §7.2 Recommendations178-180
• Acknowledgement180-181
• Reference181-193

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：813931