林芝地區(qū)冰水堆積體本構(gòu)模型及物理力學性能研究

林芝地區(qū)冰水堆積體本構(gòu)模型及物理力學性能研究林芝地區(qū)位于青藏高原的東南部,是我國典型的現(xiàn)代海洋性冰川活動區(qū),受青藏高原冰期—間冰期氣候的交替影響,冰川活動范圍變化較大,充足的降雨及冰雪融水為冰水堆積體的發(fā)育提供了有利的水動力條件;此地區(qū)出露的地層主要有寒武系、泥盆系、石炭系、三疊—白堊系和第四系,巖性種類多,且多出現(xiàn)了不同程度的變質(zhì),受區(qū)域構(gòu)造及構(gòu)造運動的影響,為當時冰水堆積體的形成提供了豐富的固體物源條件。林芝地區(qū)典型的冰水堆積體多堆積在人煙稀少的高海拔地區(qū),交通和工程建設都不方便。20世紀以前人們對冰水堆積體的研究極少,尤其是關于冰水堆積體工程力學性質(zhì)尚缺乏系統(tǒng)性的全面研究,國內(nèi)外選擇在冰水堆積體上修建建筑物極為慎重。我國西部大開發(fā)的全面開展,又不可避免的要接觸冰水堆積體,工程不能一味的采取繞避措施。本文以西藏林芝地區(qū)典型冰水堆積體為研究對象,在前人研究成果的基礎上,通過野外地質(zhì)調(diào)查和遙感解譯等手段,對冰水堆積體的沉積特征、顆粒組成、地貌及分布特征、膠結(jié)程度等特性進行了野外詳細的地調(diào)查和分析;進而在大量的室內(nèi)試驗和相關研究成果的基礎上探究了冰水堆積體的擊實試驗、滲透特性、力學特性、溫度及尺寸效應等;通過工程類比、參數(shù)反演等手段,求得一套冰水堆積體的宏觀及微觀參數(shù),在參數(shù)確定的基礎上,利用極限平衡法和數(shù)值模擬的思想,對冰水堆積體邊坡的穩(wěn)定性做了綜合性評價。本文的研究成果在一定程度上補充了工程界和學術(shù)界在林芝地區(qū)冰水堆積體物理及力學性質(zhì)研究上存在的不足,為工程的進展和學術(shù)的探討提供了理論參數(shù)的取值及其變化規(guī)律的分析。本文的技術(shù)路線主要分為三個階段:第一階段是在查閱文獻及收集相關資料的基礎上,結(jié)合野外現(xiàn)場調(diào)查,主要研究林芝地區(qū)冰水堆積體的基本特征,采用的方法主要有現(xiàn)場測繪、顆分試驗、原位滲透試驗及一些輔助性的試驗方法;第二階段是利用野外采取的試樣進行相應的室內(nèi)試驗,主要研究冰水堆積體的物理力學性質(zhì),本次用到的試驗儀器主要有液塑限聯(lián)合測定儀、多功能電動擊實儀及脫模器、常水頭滲透試驗儀、大型三軸剪切試驗儀、小型三軸剪切試驗儀、中型直剪試驗儀等。第三階段是在前兩個階段成果研究的基礎上,建立冰水堆積體本構(gòu)模型和進行冰水堆積體邊坡工程穩(wěn)定性分析。通過以上研究思路及方法,主要取得了以下研究成果:（1）通過對林芝地區(qū)冰水堆積體的野外調(diào)查、現(xiàn)場顆分、滲透、容重等試驗,結(jié)合不同含石量條件下的室內(nèi)中型剪切試驗成果,在傳統(tǒng)分類方法的基礎上,提出以冰水堆積體顆粒組成、膠結(jié)程度、滲透性能和力學性能為分類指標的綜合分類方法,將冰水堆積體分為3級5個亞類。（2）冰水堆積體的滲透系數(shù)一般在i×10^-3cm/s,屬于中等滲透介質(zhì);野外滲透試驗的穩(wěn)定時間多在2小時后達到;結(jié)合顆分試驗,認為當細粒含量大于10%時對堆積體滲透性的影響較大。室內(nèi)滲透試驗表明隨著水力梯度的增大,試樣滲透速度呈近似線性^非線性增長,出口水流為清水時近似滿足達西定律,渾濁水時明顯不滿足達西定律,但均能用相應的滲透本構(gòu)關系描述。（3）擊實試驗表明:相同含石量條件下,試樣干密度隨著含水率的增加先增大后降低,有明顯的峰值,即存在最優(yōu)含水率和最大干密度;相同含水率的試樣,試樣干密度隨著含石量的增大而增大;最優(yōu)含水率整體均隨著含石量的降低而增大;含石量40%可以作為冰水堆積體擊實試驗的一個分界點。（4）室內(nèi)大型三軸壓縮試驗表明:冰水堆積體的黏聚力隨著含水率的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,且具有明顯的峰值點,并能用相應的多項式來擬合;內(nèi)摩擦角隨著含水率的增加整體呈降低的趨勢,在含水率為5.07%⁷.84%時,內(nèi)摩擦角降低的幅度較少,曲線上基本趨于平緩。（5）室內(nèi)小型三軸壓縮試驗表明:冰水堆積體的溫度從-10℃⁵0℃的變化過程中,隨著溫度的增加黏聚力先增加后降低且趨于穩(wěn)定,并在0℃時出現(xiàn)最大值。內(nèi)擦角隨著溫度的增加,變化不大,是在很小的一個范圍內(nèi)波動變化。（6）低圍壓條件下,冰水堆積體的本構(gòu)關系不符合鄧肯-張模型。在鄧肯-張本構(gòu)模型的基礎上,考慮應變軟化和體脹的情況,對切線模量和切線泊松比進行修正,并驗證了修正模型的正確性。（7）利用各種試驗測得的物理力學參數(shù),對評價區(qū)內(nèi)一處冰水堆積體邊坡進行了綜合穩(wěn)定性評價。利用數(shù)值模擬軟件分析了邊坡破壞后的堆積形態(tài),同時也驗證了顆粒流程序PFC^3D對散粒體介質(zhì)堆積形態(tài)數(shù)值模擬的適用性。本文對林芝地區(qū)冰水堆積體的物理及力學性質(zhì)的研究成果,與前人研究的一般成果相符。同時在前人研究成果的基礎上,補充了有關冰水堆積體在野外識別及遙感解譯、工程分類、工程特性、溫度及尺寸效應等方面研究的不足。本次研究主要針對林芝地區(qū),對其他地區(qū)冰水堆積體的研究僅提供