滑坡-碎屑流模型实验岩石相似材料特性研究.pdf
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1、书书书 工程地质学报 ()姬彦东,林棋文,王玉峰,等 滑坡 碎屑流模型实验岩石相似材料特性研究 工程地质学报,():,():滑坡 碎屑流模型实验岩石相似材料特性研究姬彦东林棋文王玉峰程谦恭任占强姚志勇孙先锋(西南交通大学地质工程系,成都 ,中国)(西南交通大学高速铁路运营安全空间信息技术国家地方联合工程实验室,成都 ,中国)(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 ,中国)摘要具有较低强度、较高脆性和良好水稳性的岩石相似材料是在物理模型实验中重现滑坡 碎屑流成坝与溃坝全过程的关键条件之一,然而目前却极少有合适的岩石相似材料能够用于该过程的物理模拟,因此,本文以重晶石和钙砂为骨料,以石膏和硅酸钠为
2、胶结剂,以羧甲基纤维素钠和甘油为辅助添加剂,并拌合一定的水进行岩石相似材料的配比实验。采用控制变量法研究了骨胶比、重砂比、硅膏比、羧甲基纤维素钠含量和拌合水量 种因素对相似材料物理力学性质的影响,初步探究了硅酸钠控制岩石相似材料水稳性的机理。实验结果表明:骨胶比主要控制弹性模量;重砂比对内摩擦角有较大影响;硅膏比控制水稳系数;羧甲基纤维素钠含量控制内摩擦角;拌合水量控制黏聚力和单轴抗压强度。硅酸钠在提高材料水稳性方面起到化学胶结作用、填充作用和骨架作用,是控制相似材料水稳性的关键因素。结合实验结果和理论分析,本文配制的相似材料具备较低强度、较高脆性和良好的水稳性,为在?的实验尺度下实现滑坡 碎
3、屑流成坝溃坝全过程物理模型实验奠定基础。关键词相似材料;配比实验;水稳性;滑坡 碎屑流中图分类号:文献标识码:收稿日期:;修回日期:基金项目:国家重点研发计划项目(资助号:),第二次青藏高原综合科学考察(资助号:),国家自然科学基金项目(资助号:,),中铁第一勘察设计院集团有限公司科研项目(资助号:院科 )(),()(),(,),()第一作者简介:姬彦东(),男,硕士生,主要从事高速远程滑坡研究 :通讯作者简介:程谦恭(),男,博士,教授,博士生导师,主要从事地质工程与岩土工程方面的研究 :(,)(,)(,),(),(),(),:,?;引言高速远程滑坡(、)是大型岩质滑坡或崩塌在源区失稳后经过
4、强烈的碎屑化作用而形成的超高速远程运动的岩屑流(,;王玉峰等,),被认为是具有极端破坏力的地质灾害之一,往往造成严重的人员伤亡和财产损失。高速远程滑坡多发生在世界各地的高山峡谷地区,容易形成滑坡碎屑流堵江灾害事件,具有灾害链效应,危害显著放大。例如,年月,西藏易贡扎木弄沟发生高速远程滑坡,滑坡 碎屑流冲出扎木弄沟,阻塞易贡藏布河,形成堰塞坝(殷跃平,;,);年 月西藏白格发生高速远程滑坡,堵塞金沙江,形成堰塞湖及溃坝洪水灾害(许强等,;冯文凯等,)。在滑坡碎屑流成坝与溃坝事件中,需考虑两个关键问题。一是滑体碎屑化过程。滑体碎屑化过程影响滑坡堆积范围和堆积特征(王玉峰等,;兰恒星等,;郑光等,)
5、,并且坝体结构受滑体碎屑化过程控制,直接影响坝体的稳定性。()研究发现碎屑堆积的颗粒级配影响坝体抗侵蚀能力以及缺口出现后的破坏速度,还影响坝体上下游边坡的稳定性以及抗剪强度;王忠福等()和郑鸿超等()发现崩滑碎屑体在成坝中出现分选现象,导致坝体稳定性较差。二是水流与坝体之间的相互作用,包括渗流、侵蚀、漫顶溃决等。柴贺军等()认为引起坝体稳定性降低的主要原因是随着坝体含水量的增加,坝体抗剪强度减弱;()认为坝体的渗透性决定了坝体的长期稳定性。物理模型实验是研究滑体碎屑化和成坝与溃坝过程机理的重要手段之一,国内外学者开展了大量的相关研究,但几乎现有的所有物理模型实验都将滑坡碎屑化过程和成坝与溃坝过
6、程割裂开来进行研究,其主要原因是缺少一种既能够实现碎屑化过程,又能够实现成坝与溃坝过程模拟的岩石相似材料。目前,常规的滑坡相似材料存在强度偏高、脆性较低、遇水崩解等问题,无法有效模拟实验室尺度下滑坡的解体破碎和成坝溃坝现象。如,()使用土豆淀粉、石膏、石英砂等材料混合胶结,制成低强度岩石相似材料,用于块体碎屑化过程模拟,然而材料强度具有极大的不确定性和随机性,影响了实验结果的稳定性;徐楚等()以标准砂、滑体土、膨润土和水为原料按照一定的比例制成模型相似材料,得到一种比较理想的水库滑坡相似材料,但该种材料不能够实现滑体碎屑化过程。因此,本文的目的是研制一种具备较低强度、较高脆性和良好水稳性的岩石
7、相似材料,为在?实验尺度下实现滑坡 碎屑流成坝与溃坝全过程耦合模拟奠定基础。实验材料和方法 相似理论大部分高速远程滑坡的岩性以硬岩为主,如易 ()姬彦东等:滑坡 碎屑流模型实验岩石相似材料特性研究贡滑坡岩性以花岗岩、大理岩等为主,谢家店滑坡以花岗岩、辉长岩和花岗闪长岩为主。因此,本文以花岗岩等硬岩为原型,根据拟开展的实验,选取几何相似常数为?,密度相似常数 ,重力加速度相似常数 ,计算出相关物理量之间相似比(表 )和相似材料的力学参数(表 )。表 相似材料主要物理量之间相似比 物理量量纲相似比物理量量纲相似比长度?黏聚力?密度?应力?重力加速度?应变?内摩擦角?弹性模量?表 相似材料力学参数
8、力学参数密度 内摩擦角()黏聚力 抗压强度 弹性模量 原岩 相似材料 实验材料及方法结合任占强等()和 ()研究滑坡碎屑化相似材料的成果,本文选取 目的重晶石和 目的钙砂为骨料;石膏和硅酸钠为胶结剂;羧甲基纤维素钠和甘油为辅助添加剂,研制相似材料,进行配比实验。采用控制变量法研究骨胶比、重砂比、硅膏比、羧甲基纤维素纳含量和拌合水量 种因素(表 )对相似材料物理力学性质的影响。每种因素设置 个水平实验,如表 所示。根据前期实验结果,以骨胶比?、重砂比?、硅膏比?、羧甲基纤维素钠含量 和拌合水量 为基础水平工况,每种因素的实验中都包含基础水平工况。岩石相似材料力学特性 基本力学参数相似材料的基本力
9、学参数实验结果及敏感性分析结果如图 图 所示。由实验结果可以看出,在实验配比范围内,内摩擦角的分布范围为 ,黏聚力分布范围为 ,单 轴 抗 压 强 度 分 布 范 围 为 ,弹性模量分布范围为 表 影响因素 编号因素内容骨胶比骨料与胶结剂质量之比重砂比重晶石和钙砂质量之比硅膏比硅酸钠和石膏质量之比羧甲基纤维素钠含量羧甲基纤维素钠占固体总质量之比拌合水量水占固体总质量之比表 模型相似材料配比方案 编号骨胶比重砂比硅膏比羧甲基纤维素钠含量 拌合水量?。由实验结果的敏感性分析可知,内摩擦角受羧甲基纤维素钠影响较大;黏聚力主要受拌合水量的控制;单轴抗压强度主要受拌合水量和硅膏比的控制;弹性模量受骨胶比
10、的影响较大。对比实验结果和相似理论值范围可知,相似材料的黏聚力、单轴抗压强度、弹性模量的分布范围能够满足相似理论要求,但内摩擦力分布范围整体偏小。在大多数情况下,要求相似材料的所有力学参 工程地质学报 图 内摩擦角敏感性分析 图 黏聚力敏感性分析 图 单轴抗压强度敏感性分析 数完全满足相似条件较为困难,且本文主要关心材料的水稳性和脆性,因此,综合分析,本文配制的相似材料基本力学参数整体上满足相似理论要求。脆性指标在滑坡 碎屑流物理模型实验中,要求相似材料首先要能够实现滑体的破碎过程,即相似材料具备相对较高的脆性,保证其在实验中是脆性破坏的。采用周辉等()提出的脆性指标 评价本文相图 弹性模量敏
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