昔格達(dá)地層土體工程地質(zhì)特性分析

昔格達(dá)地層土體工程地質(zhì)特性分析

在河流和山谷的發(fā)育過程中，由于水流的侵蝕，侵蝕被切斷，加深河床和溝渠。隨著材料的侵蝕，磨損部分進(jìn)入上游，也被稱為向源侵蝕。溯源侵蝕主要包括水力侵蝕與重力侵蝕兩方面。重力與水力侵蝕并不是單獨(dú)存在的,兩者相互作用、相互影響,而重力侵蝕則是造成邊坡失穩(wěn)的直接原因。溝坡下部在雨季形成行洪溝道,由于坡面下部在水流作用下不斷下切,溝坡本身將受到水流的強(qiáng)烈側(cè)向沖刷而加大直立面高度,不斷下切和加寬的溝道在重力作用下失穩(wěn),造成坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。昔格達(dá)地層是分布于中國西南地區(qū)的一套半成巖,也是一種工程性質(zhì)較差的極軟巖。昔格達(dá)地層分布面積有4.00×104km2,主要由灰綠色、灰黑色、灰黃色的黏土巖、粉砂質(zhì)黏土巖和粉砂巖組成。目前國內(nèi)對于昔格達(dá)邊坡的研究主要集中在昔格達(dá)土的物理力學(xué)性質(zhì)及其工程地質(zhì)特性等方面。如周云金等進(jìn)行攀枝花地區(qū)提水設(shè)施設(shè)計(jì)時,分析了昔格達(dá)地層的特征:其結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均一,富含黏土顆粒及黏土礦物,具有壓縮性較強(qiáng)、遇水軟化等特點(diǎn)。黃水亮等通過對喇嘛溪溝昔格達(dá)土研究認(rèn)為,其工程地質(zhì)性質(zhì)極差,抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度低,軟化性強(qiáng),將直接對雅瀘高速公路的修建造成影響。宋建廣等通過雅攀公路昔格達(dá)地層滑坡成因與治理分析認(rèn)為,昔格達(dá)地層與第四紀(jì)沉積物有明顯的分界面,為滑坡的形成提供了有利的滑動面。由于昔格達(dá)地層土體工程地質(zhì)性質(zhì)差,強(qiáng)度低,遇水極易崩解,使得其在降雨作用、河水側(cè)向沖刷以及重力作用下更易發(fā)生邊坡失穩(wěn)、崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。昔格達(dá)地層化學(xué)成分豐富,主要含有SiO2,Al2O3,Fe2O3,MgO,以及少量的P2O5,MnO2,TiO2,此外還含有一些不穩(wěn)定化學(xué)成分如Na2O,K2O,CaO等,這些化學(xué)成分異常活潑,在地下水及地表水的作用下易于發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成次生礦物,影響昔格達(dá)土強(qiáng)度,加速邊坡的失穩(wěn);因此有必要對溯源侵蝕作用下的昔格達(dá)土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,為開展同類分析及研究提供依據(jù)及參考。1國外回歸侵蝕模型的建立1.1單位寬度坡面概化昔格達(dá)地層巖土體風(fēng)化程度與第四紀(jì)冰川黏土相當(dāng),總體抗風(fēng)化能力相對較弱,昔格達(dá)地層經(jīng)過不同程度成巖作用,在尚未成為巖石前又開始風(fēng)化,目前正處在化學(xué)風(fēng)化的階段,為溯源侵蝕的發(fā)生發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。本文將溯源侵蝕發(fā)生的單位寬度坡面概化及受力分析如圖1所示。模型中考慮了邊坡土體重力、抗滑力、下滑力還有水流的切應(yīng)力,同時考慮地下水位的動水壓力Pw對邊坡穩(wěn)定性的影響。1.2b土體沖刷作用模式昔格達(dá)土層富含黏土礦,粉粒和黏粒含量高,具有遇水軟化、泥化、脫水崩解的特點(diǎn)。因此,物理特性可按具有一定黏結(jié)力的黏土考慮。昔格達(dá)土層邊坡坡腳下形成的溝道是雨季主要的行洪通道,由于其坡降一般較大,洪峰較為集中,因此水流對坡腳將形成強(qiáng)烈的側(cè)向淘刷。根據(jù)唐存得出黏土的起動切應(yīng)力公式,本模型的土體起動切應(yīng)力應(yīng)用公式為:式中:τc———土體起動切應(yīng)力(N/m2);d———邊坡土體顆粒有效粒徑(mm)。在給定的時間內(nèi),洪水持續(xù)對溝坡進(jìn)行側(cè)向沖刷,沖刷導(dǎo)致的橫向后退距離。本文采用Osman等根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)得到的土體單位時間側(cè)向沖刷距離為:式中:ΔB———土體單位時間受水流側(cè)向沖刷而后退的距離(m);τ———水流與邊坡土體間切應(yīng)力(N/m2);τc———土體起動切應(yīng)力(N/m2);Cl———與土體理化特征相關(guān)系數(shù),根據(jù)Osman的試驗(yàn)資料可取Cl=3.64×10-4。坡腳受水流側(cè)向沖刷而后退ΔB后,由圖1所示溝坡將相應(yīng)產(chǎn)生直立高度,其轉(zhuǎn)折點(diǎn)之上的溝坡高度為:式中:H———溝坡的自然高度(m);H1———因水流側(cè)向沖刷,直立面轉(zhuǎn)折點(diǎn)上的溝坡高度(m)。受側(cè)向沖刷作用,坡腳土體橫向后退,邊坡穩(wěn)定性受到影響,在重力作用下,溝坡發(fā)生垮塌。此時破壞面與水平面的夾角為:式中:k———坡面中較大垂直節(jié)理或裂隙深度與溝坡高度比值,可根據(jù)地質(zhì)調(diào)查確定,無資料時可取0.3;φ———土體摩擦角(°);昔格達(dá)土邊坡無較大垂直節(jié)理或裂縫k=0,則:2穩(wěn)定系數(shù)解2.1溝坡土體質(zhì)量計(jì)算溝坡下滑力主要由溝坡土體重力、動水壓力在破壞面上的分力組成。(1)溝坡土體動水壓力。式中:γw———水的重度(N/m3);αi———第i塊地下水位線傾角(°);V2i———第i塊滑動體在地下水位線以下土體體積(m3);θi———第i塊滑動面傾角(°)。而坡腳處θ1=Ψ,通過試算確定最危險(xiǎn)滑動面,進(jìn)而確定θi。其余各量同上。(2)溝坡土體的重力。式中:Wti———第i塊土體重力(N);γi———第i塊土體的自然重度(N/m3);V1i———第i塊滑動體在地下水位線以上土體體積(m3);γsi———第i塊土體的飽和重度(N/m3),其余各量同上。(3)溝坡土體下滑力。式中:FDi———第i塊土體的下滑力(N)。其余各量含義同上。2.2非飽和土抗剪強(qiáng)度計(jì)算方法昔格達(dá)土層主要位于中國西南地區(qū),西南地區(qū)降雨量較大,夏季氣溫較高,使得土體地下水水位在較短的時間內(nèi)發(fā)生很大的變化,因此溝坡土體按非飽和狀態(tài)確定下滑力。目前飽和土抗剪強(qiáng)度理論已經(jīng)完善并可以直接用于實(shí)際計(jì)算中。而非飽和土性質(zhì)與飽和土相比要復(fù)雜的多,由于土體中水氣交界面處張力的存在,空隙中水與氣具有不同的壓力,并且空氣水壓力通常為負(fù)值,空隙水壓力與空隙氣壓力同時存在,使土的有效應(yīng)力不再等于粒間壓力,因此非飽和土抗剪強(qiáng)度理論至今還未形成統(tǒng)一的理論。目前得到廣泛承認(rèn)的非飽和土抗剪強(qiáng)度的理論的表達(dá)式,由Fredlund等在1978年提出:式中:τf———非飽和土抗剪強(qiáng)度(kPa);c′———飽和土體的有效黏聚力(kPa)與內(nèi)摩擦角(°);σ———總應(yīng)力;ua———空隙氣壓力;uw———空隙水壓力;b———由基質(zhì)吸力引起的吸附角,其本身又是基質(zhì)的函數(shù);按定義式較難應(yīng)用于實(shí)際計(jì)算當(dāng)中。一種簡化處理方法是,將非飽和土抗剪強(qiáng)度中的黏聚力分為飽和黏聚力和附加黏聚力,并通過實(shí)驗(yàn)得到不同土體附加黏聚力隨含水量的變化關(guān)系。土體的內(nèi)摩擦角隨含水量變化一般不超過±2°,因此,在計(jì)算中對于同一土體,其內(nèi)摩擦角可以按常數(shù)考慮。因此,非飽和土抗剪強(qiáng)度可近似寫為:式中:τf———非飽和土抗剪強(qiáng)度(kPa);c′———相應(yīng)于飽和土體的黏聚力(kPa);τ′———附加黏聚力(kPa)。附加黏聚力與含水量之間的冪函數(shù)關(guān)系:式中:ω———土體的含水量;a,b———冪函數(shù)的系數(shù)和指數(shù),可通過實(shí)驗(yàn)得到。另外黨進(jìn)謙根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到非飽和土強(qiáng)度理論,土的力學(xué)性質(zhì)在很大程度上取決于土的結(jié)構(gòu),土顆粒接觸點(diǎn)的性質(zhì)和數(shù)量與土天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接相關(guān),得出的非飽和土抗剪強(qiáng)度公式可表示為:式中:τs———不穩(wěn)定凝聚力(kPa);c———原始凝聚力(kPa),其值等于飽和土的凝聚力。同一種非飽和土,不穩(wěn)定凝聚力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的比值近似為一常數(shù),不受初始含水量變化的影響,取τs/qstanφ的平均值作為常數(shù)m,即:式中:m———隨土類而變化的參數(shù);qs———非飽和土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(qs=Aωλ,A,λ是由土體性質(zhì)決定的參數(shù))。因此,以非飽和土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度代替不穩(wěn)定凝聚力的抗剪強(qiáng)度公式為:對比簡化處理非飽和土抗剪強(qiáng)度與黨進(jìn)謙非飽和土抗剪強(qiáng)度理論公式(10)和(14)我們可以得到:確定了非飽和土的飽和黏聚力與附加黏聚力后,即可由圖1所示的幾何關(guān)系,確定溝坡滑動面上所受的抗滑力,如公式(16)所示:式中:Ni———第i條塊作用在滑動面上的法向力(N/m);FRi———第i條塊土體抗滑力(N/m);Li———第i條塊滑動體在滑動面上的長度(m);Ci————附加黏聚力與有效黏聚力之和由公式(15)確定。2.3溝坡穩(wěn)定系數(shù)k式中:Ks———溝坡穩(wěn)定性系數(shù);FR———邊坡土體抗滑力(N);FD———溝坡土體下滑力(N),其余各式同上。3確定邊坡穩(wěn)定性參數(shù)均質(zhì)昔格達(dá)土邊坡,高20m坡度1∶2。在平均降雨強(qiáng)度為80mm/d,持續(xù)降雨24h情況下,確定該昔格達(dá)土邊坡的穩(wěn)定性。其中水流平均切應(yīng)力為τ=8.0N/m2。土體的黏聚力c=10kPa,內(nèi)摩擦角α=20°,土的容重為γ=18kN/m3。由參考文獻(xiàn)可知,昔格達(dá)地層的抗侵蝕穩(wěn)定性與黃土接近,因此計(jì)算參數(shù)取黃土參數(shù)m=1.457。同時由參考文獻(xiàn)可知昔格達(dá)土各粒徑組直徑范圍及各粒徑組占總粒徑的百分比,通過計(jì)算求得土體平均粒徑為0.11mm。通過試算得到最危險(xiǎn)滑動面,并將滑坡將模型劃分為8個計(jì)算單元。計(jì)算模型如圖1所示。計(jì)算時塊體之間的作用力忽略不計(jì)。由公式(1)—(3),(5)分別計(jì)算得:通過公式(6)—(8),(16)—(17)計(jì)算可以得到邊坡穩(wěn)定性參數(shù),計(jì)算結(jié)果如表1所示。并通過公式(19)計(jì)算得到邊坡穩(wěn)定安全系數(shù):此昔格達(dá)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)KS=1.139,處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。參考文獻(xiàn)為相同條件下的均質(zhì)黏土邊坡,采用經(jīng)典Bishop法計(jì)算得到邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)如表2所示。4數(shù)值計(jì)算方法的應(yīng)用(1)昔格達(dá)邊坡的溯源侵蝕是由土體的重力與水流的側(cè)向沖刷相互作用的復(fù)雜過程,它包括坡腳的水力侵蝕過程和溝坡整體重力侵蝕過程兩部分。兩個過程相互影響,加速溯源侵蝕的速度,而且昔格達(dá)土化學(xué)成分豐富,含有一定易溶鹽,破壞土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)