强降雨作用下类土质滑坡演化过程及破坏机理研究

【摘要】滑坡作为一种最常见的地质灾害之一,其造成自然环境及社会环境的损失是毋庸置疑的。占滑坡总量90%以上的降雨型滑坡具有广分布、规模小、频率高,突发性强等特点。福建省山区丘陵地带广泛分布着由火成岩经风化作用形成的厚达十到数十米的类土质风化壳斜坡,在台风气候作用下,造成成群分布的类土质滑坡,且大量滑坡处于“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的临界滑动状态。严重威胁着地质环境脆弱地区的安全。受内部微观结构及非饱和工程特性的控制,类土质斜坡受降雨入渗作用效应及滑动特征不同于均匀土质滑坡。对研究区内广泛分布的三种类土质微观水力特性进行室内试验及观测,结合实际气候条件设计降雨工况,确定滑坡地下水渗流特性及宏观破坏特征,对揭示该类滑坡的启动及复活机理的研究起到关键作用。根据已有研究区内各类降雨型滑坡灾害统查资料,选取区内三种典型类土质滑带土,并以含两种类土质滑坡—永泰旗山滑坡为例,通过室内非饱和试验对三种类土质宏观及微观工程特性进行研究。基于坡体含水量与抗剪强度关系的分析,考虑干湿循环引起的不同土体内部渗流场变化对滑坡宏观形态的影响,最终得出类土质滑坡演化过程及内在破坏机理。本文主要的研究内容和研究成果如下所述。(1)对研究区内区域地质构造环境,包括地形地貌、岩性、构造环境及气象水文进行阐述,重点分析了研究区内类土质滑坡与降雨的关联效应,从总降雨量、短时降雨量、降雨强度三个方面分析降雨与类土质滑坡发生的时间及空间分布关系。结果显示,小到中雨的天数在滑坡启动条件中作用最大,次要影响因素为连续降雨天数及降雨量≥25.0mm天数。选取了总降雨量x1>25mm降雨天数x6以及最长连续降雨天数x9三个因子与研究区滑坡概率y进行拟合,以此估算研究内滑坡发生概率与降雨因子的关系。(2)通过薄片试验重点分析了凝灰岩、钾长花岗斑岩、花岗闪长岩及二长花岗斑岩的岩矿及化学成分,其中云母化微细凝灰岩具凝灰结构,其他三种喷出岩岩样均具中-细粒结构,均含有斜长石与石英,主要矿物成分Si02含量均超过68%。类土质试样的X衍射试验结果表明,三种类土质试样的主要矿物成分为石英、长石及高岭石、绿泥石等粘土矿物,由于母岩种类的不同,微量矿物也有所差异。(3)由滑带及裂缝的分布规律可知,研究区内滑动带主要集中在土岩接触面或不同结构土层分界面；冲沟、拉张裂缝及干湿胀缩裂缝则对雨水的入渗起到了加强及重分布的作用。以类土质滑坡形态、滑带土滑体土物质成分组成,滑带及裂缝分布特征为主要考虑因素,对研究区内的滑坡发育强度进行了分区。研究区内的降雨型滑坡主要集中在山区丘陵地带。(4)随着研究区降雨的入渗,类土质斜坡内部土体处于非饱和与饱和干湿循环状态。本文针对研究区不同基岩对应的不同矿物成分及不同初始状态的类土质土体进行了压力型土水特征曲线试验。试验结果表明三种类土质土水特征曲线脱湿过程拟合参数排列顺序为：α闪>a钾>a凝,且造成进气值的差异机理为各试样粘土矿物成分的组成,即含亲水性粘土矿物越多,则进气值越大,与孔径分布相关的系数n则相反；而吸湿过程中进气值则主要有细颗粒含量所控制,即粉粘粒含量越高则进气值越大,而n则与矿物成分关联性较大。(5)在不同初始状态方面,土水特征曲线拟合参数变化规律与土的干密度和初始含水量紧密相关,且二者有着相互作用的关系。随着干密度的增加,进气值越大,试样初始含水量的不同代表了各试样的吸水和存水能力,系数越高,说明在内部微观孔隙的持水能力越强,表现出较高的进气值与较为均匀的孔径分布规律。三类试样表现出类似的变化规律,但由于粘土颗粒含量及成分的不同,α凝值的增减幅度最大。(6)为研究试样的非饱和渗透系数变化规律,分别对三类试样进行的非饱和渗透试验,结果表明ks凝>k钾>ks闪。这一结果与粘土矿物成分含量一致,却与细颗粒含量结果相反。随着含水量的降低,矿物成分尤其是粘土矿物成分在吸水的过程中对渗透系数的贡献要高于颗粒级配的影响,该结论进一步说明了颗粒的微观结构对非饱和渗透系数的贡献最大。由于在研究区的滑坡往往存在两种或两种土体,且渗透系数是影响土体含水状态变化速率的决定因素,脱水、吸水以及矿物成分、颗粒级配对SWCC及渗透系数特征曲线影响的差异,将直接导致降雨条件下,雨水入渗及渗流特征。由于滞后效应的存在,使得粗颗粒含量较高的土体在脱湿过程中,含水量排出速率不同,促成滑带在细颗粒土层中发生及扩展。(7)对研究区内三种类土质非饱和试样在不同基质吸力状态及干湿循环路径抗剪强度进行了非饱和直剪试验。试验结果显示：与黄土或粘土存在类似的变化规律,即随着基质吸力的增加,内摩擦角变化很小,主要表现在抗剪强度的变化。不同的是,各种类土质试样抗剪强度在一定的基质吸力增加的范围内存在上移或下移的现象,移动幅度也有较大的差别。即：基质吸力的增加对抗剪强度的影响效果开始削弱,土样抗剪强度也在达到峰值后开始出现下降趋势。结合SWCC曲线可知三种试样接近抗剪强度峰值所对应的基质吸力类似,C值变化规律符合Gauss函数,φ’值变化规律则符合Hilll函数。Y1、N1峰值约在75KPa,对应的含水量分别是21.49%、26.7%；Y2峰值对应的基质吸力出现在100KPa,对应含水量为9.61%,对应含水量主要与试样中粘土矿物总含量及亲水性矿物含量成正比。(8)竖向荷载方面,三种试样的抗剪强度随基质吸力的变化也有差别,表现在Y1与N1试样在200KPa状态时,基质吸力对抗剪强度贡献最大,而Y2试样则在100KPa时,贡献最大。对于降雨型滑坡而言,不同埋深试样的抗剪强度对含水率或基质吸力的感应度是不同的,即在埋深约12m处Y1土体抗剪强度衰减速率最大,而Y2试样在埋深约5m处衰减速率最大。不同初始条件方面：随着初始含水量的增加,粘聚力呈先增加后减小的趋势,内摩擦角则呈减小趋势,幅度较小,可忽略不计;与其他类型土体一致,试样经过干湿循环路径后,抗剪强度急剧减小,但随着次数的增加,衰减幅度变小。(9)将三种类土质抗剪强度的试验结果,与建立基于吸应力理论及F&X模型的抗剪强度修正方程预测结果进行对比分析,可知修正后扩展的莫尔库伦抗剪强度方程的预测结果具有可观的准确度,但仍需进行大量的试验进行不断修正。对于研究区内降雨型类土质滑坡而言,坡面及坡体在雨季经常经受强降雨及长日照的影响,处于干湿循环状态或非饱和状态,因此采用基于吸应力理论的扩展的摩尔库伦抗剪强度修正准则来预测类土质非饱和抗剪强度性质,有利于合理的评价类土质斜坡的稳定性及灾害预测。(10)FESEM图片显示：凝灰岩残积土微观颗粒由柱状和块状的单粒以及片状矿物聚合成的集粒组成,且大部分集粒被含量较高的单粒(石英颗粒)所覆盖,集粒内的粘土矿物多呈边-面、面-面接触。钾长花岗斑岩残积土颗粒多成扁平薄片状,排列紧密,具成层性,有优势的排列方向,定向性明显,颗粒间的接触方式多为面-面接触或边-面接触,多为绿泥石与石英的共生矿物。花岗闪长岩残积土多见片状及柱状的矿物颗粒,有少量块状石英晶屑充填于孔隙当中,为絮凝状结构,薄片状集粒定向性明显,而长石矿物则排布较散乱。(11)在含水量相同状态下,随着竖向荷载的增加,平面孔隙率及平均孔隙面积呈减小趋势,试样颗粒排列更加密实,定向性越为明显。孔隙的圆形度呈增大趋势。当竖向荷载达到300KPa,土体结构有破坏迹象,排列趋于无序。竖向荷载相同时,初始含水率越高,试样结构改变越明显。初始含水量为24.9%试样的孔隙定向性要高于32.22%与9.8%,该结论与直剪结果一致。干湿循环条件下,经历一次湿润-干燥过程,试样土体结构状态改变不明显,粒间孔隙有少量的增加,颗粒排列定向性明显；经历三次干湿循环以后,试样颗粒之间的孔隙大量增加,颗粒定向性变差,排列杂乱无序,片状颗粒破碎严重,颗粒尺寸变小,土体由叠片状结构转变为絮凝状结构。(12)三种类土质土体具有明显的分形特性,分形维数均在1.88-1.97之间。经过非饱和直剪试验凝灰岩残积土剪切面分形维数为1.9～2.0。且随着干湿循环次数的增加,分形维数也呈增加趋势。说明类土质在干湿循环之后土样中土颗粒变得松散,密实度降低,从而使土体的抗剪强度降低,这一特性与类土质的崩解性相符。孔隙分形维数与含水量及荷载的关系显示：随着初始含水量的增加,剪切面的孔隙分布维数也呈增加趋势,由干燥进入非饱和阶段增加幅度较大,在接近饱和状态时,维数接近稳定状态。在试验过程中,随着竖向荷载的增加,维数呈线性减小趋势。另一方面竖向荷载的增加,试样的密实度逐渐增加,当荷载增加到一定程度时,孔隙的调整变得越来越困难,土体结构逐渐趋于一种新的平衡状态,故分形维数也逐渐趋于稳定。(13)孔隙分布分形维数Dp与类土质非饱和抗剪强度之间存在显著的二次函数相关性特性,即随着孔隙分布维数的增加试样的粘聚力与内摩擦角分别呈二次函数增加和降低。结合试验数据建立孔隙分形维数与类土质宏观工程特性参数关联性公式,以此可从微观角度对类土质非饱和抗剪强度进行估算。(14)坡体内地下水渗流场分析结果表明：不同降雨条件下,土体负孔隙水压力的绝对值(即基质吸力)都有减小的趋势,减小的程度、速率与降雨的强度、持续时间以及土体的饱和度有关。对于强度小、持续时间长的久雨型降雨作用下,基质吸力随着降雨的持续时间的增加而逐渐减小,且速率逐渐放缓,直至土体饱和,基质吸力减为0；对于强度大、时间短的阵雨型降雨,基质吸力在短时间内迅速减小,坡体表层土体趋于饱和,甚至形成坡面积水。(15)不同的降雨条件下滑坡位移场对比结果显示：滑坡位移量与降雨量有较大的关系,表现为总降雨量越大,滑坡位移越大。滑坡的大部分位移是在降雨过程前期形成的,降雨后期坡体趋于稳定；降雨过程停止后,坡体中部位移最大,后缘次之,前缘最小。滑坡稳定性分析表明：自然状态下,旗山滑坡稳定系数是1.081,处于基本稳定状态,坡体安全储备不高。降雨历时相同时,坡体的稳定性随降雨强度的增加而减小,短历时小降雨对坡体稳定性影响较小;在降雨强度相同时,坡体的稳定性随着降雨历时的增加而降低,在降雨初期坡体稳定性系数降低较快,随着降雨的持续,土体趋于饱和,稳定性系数降低速率减小；在总降雨量一定的情况下,低强度长历时的久雨型降雨对坡体的稳定性影响比高强度短历时的阵雨型降雨对坡体稳定性的影响更大,对坡体的稳定性更不利。该计算结果与第二章统计结果一致。(16)采用大气—非饱和土相互作用模型,建立了考虑植被覆盖的土体表层蒸发量和蒸腾量,能滑坡长期稳定性变化计算模型。计算结果显示：气候变化对滑坡稳定性的影响主要是通过土体的在干湿循环条件下基质吸力的改变来实现的；类土质一次吸湿过程土体基质吸力减小,土体抗剪强度降低并接近饱和状态,导致滑坡的稳定性降低；蒸发蒸腾作用使得类土质进入再次脱湿过程,土体基质吸力逐渐恢复,但由于土水特征曲线滞回效应的存在,同等含水量条件下对应的基质吸力减小,此次土体抗剪强度能得到逐渐恢复,但长期的干湿循环作用,使得土体抗剪强度逐渐衰减,并最终导致坡体失稳。
【作者】徐颖；
【导师】陈建平；
【作者基本信息】中国地质大学，岩土工程，2014，博士
【关键词】强降雨；类土质滑坡；非饱和抗剪强度；微观结构；数值模拟；

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