水-热联合作用下碳酸盐岩红黏土开裂特性及边坡裂隙演化研究

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红黏土是碳酸盐岩在湿热条件下经强烈风化及红土化作用后形成的特殊性黏土,在中国南方地区分布广泛,具有高含水率、强胀缩性和多裂隙性等工程地质特性。大量工程实例表明,红黏土边坡的自身稳定性较差,一些坡率1:1~1:1.5的边坡在建设初期稳定性较好,但运行几年后多出现不同程度的破坏,特别是在南方极端炎热和降雨交替环境下,容易造成斜坡变形和失稳破坏,影响人民生命财产安全。基于此,本文以贵阳红枫湖地区红黏土为研究对象,通过室内干燥及斜坡模型试验,对黏土裂隙演化特征、干裂过程中应力发展、斜坡水-土响应规律及变形破坏机制进行分析讨论,主要研究成果如下:1)红黏土理化特性。通过击实及液塑限等基础试验得出该红黏土塑限(wp)为59.2%,液限(w L)为73.8%,体缩率为29.12%,缩限含水率为33.8%,自然条件下处于可塑状态。XRD检测表明该红黏土粘土矿物含量超90%,且以亲水性粘土矿物绿泥石、蒙脱石类为主,含量约80%,高岭石、伊利石类亲水性较弱的粘土矿物含量约12%,较高含量的粘土矿物使该地区红黏土具备天然含水量及液塑限高、胀缩性及黏聚性强、孔隙率大等特性,自然条件下裂隙发育。2)红黏土干缩过程及裂隙演化规律。通过环境箱,展开不同环境温度、试样厚度及下界面粗糙度下的红黏土干燥试验,结果表明试样厚度越大,裂隙及裂块数量越少;环境温度升高,土壤临界开裂含水率增大,裂隙数量增加,宽度及长度减小;粗糙下界面对土壤底部有制约作用,失水收缩过程中应力集中更快,裂隙产生更早,发育过程快,多粗短。红黏土样的临界开裂含水率为60-70%,含水率50%时土壤基本裂隙轮廓形成,水分蒸发速率呈倒“S”型,包括常速蒸发、减速蒸发及残余蒸发三阶段。3)红黏土干缩过程力学行为。通过自主设计的卧式直接拉伸试验装置,对不同自然风干程度的红黏土样进行拉伸试验,得出最接近原状土的含水率-抗拉强度(w-σt)函数关系,含水率50%时土体抗拉强度约9k Pa,此后土壤抗拉强度随含水率降低迅速升高,含水率35%时黏土抗拉强度迅速增长至150k Pa。尝试性进行黏土干裂过程中张拉应力演化试验,得出黏土干燥期间拉张应力演化包括:初始稳定阶段→线性上升阶段→快速释放阶段。4)干湿循环下红黏土斜坡土水响应与变形机制。斜坡干湿循环试验表明膨胀性黏土在反复水-热作用下裂隙率呈阶梯型上升,四次循环后土壤失水收缩和吸水膨胀特性基本稳定,裂隙扩展趋于稳定。斜坡水-土响应规律受裂隙影响显著,体积含水率随干湿循环次数增加呈阶梯型减少,斜坡基质吸力发展受土壤水分控制,作为斜坡内的有效应力,干燥期间土壤基质吸力随水分蒸发可上升至300-400k Pa,能极大增强斜坡稳定性,但降雨期间雨水的快速入侵使斜坡基质吸力迅速降低至0k Pa左右,有效应力的减少与自重应力增加是土质斜坡在降雨期间稳定性降低的主要因素。对红黏土斜坡的变形破坏过程进行分析,得出表层淋蚀、沿层面滑动及浅层滑坡变形三种主要形式,裂隙可在斜坡浅部形成碎裂层,进而产生连续饱和带,坡脚的淋蚀破坏与人类工程扰动将逐步改变斜坡应力状态,应力场的重分布使碎裂土块沿临空面逐渐塌落,斜坡中上部由于坡脚的牵引作用逐渐沿连续饱和带产生缓慢滑动变形。
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