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南方花岗岩区崩岗崩壁稳定性研究

发布时间:2019-03-15 19:49  文章来源:笔耕文化传播
【摘要】:崩岗侵蚀是我国南方热带、亚热带花岗岩丘陵地区最主要的特有的侵蚀类型。由于花岗岩风化壳土层深厚,土体质地粗,结构疏松,并伴随有大量的节理和裂隙发育,力学特性不稳定,各层次的岩土特性差异明显。因此该区域崩岗分布广泛,数量多,大规模的侵蚀过程造成该地区严重的水土流失,对农田、水利设施等造成了严重的危害。开展崩岗土体的岩土特性及其与崩岗崩壁稳定性关系研究,对进一步深入理解崩岗失稳机理以及对崩岗的治理有重要的意义。本文分别选取湖北通城县(TC)、江西赣县(GX)、福建安溪县(AX)与广东五华县(WH)四县的崩岗密集分布区的一处典型崩岗,以崩壁剖面的表土层、红土层、砂土层和碎屑层作为研究对象,根据各层次的土层厚度,每个层次设置1-3个采样点,其中通城县崩岗采集6个亚层次(无碎屑层),其他三地的崩岗采集了8个亚层次。通过野外调查与资料收集以及室内土体分析相结合,分析了崩岗分布区的环境特征。分析了不同土层的基本理化性质、粒径分布、崩解特性、入渗特性以及不同水分条件下的抗剪强度。揭示崩岗侵蚀成因的物质基础以及崩岗土体崩解机理和入渗特性对崩壁稳定性的影响机理,探讨不同水分条件下崩岗土体的抗剪强度衰减机制以及崩塌临界高度和稳定安全系数。得到相关研究结果如下:(1)纬度越低,崩岗数量越多,崩岗侵蚀面积逐渐增加,单个崩岗平均面积以及崩岗密度也在增加。纬度越低,混合型崩岗数量占各区调查数量的比例呈现增加的趋势,活动型崩岗数量所占的比例急剧增加。总体上表现为纬度越低崩岗侵蚀越严重。同时纬度越低崩岗侵蚀区植被也越稀疏,乔木层主要以马尾松疏林为主,林下植被四个地方则均以铁芒萁为主。(2)崩岗的砂土层和碎屑层的粗颗粒含量高,细颗粒含量低,而表土层和红土层则表现相反。随着风化程度的减弱(从表土层到碎屑层),四个崩岗的各粒级的含量变化趋势相同,特别是砂粒含量的变化以及粘粒含量的变化。随土层的加深,通城县、赣县和五华县崩岗的不同土层的分形维数值呈现下降的趋势,分别从2.85到2.72,2.88到2.73以及2.85到2.72,但安溪县崩岗的红土层有最高值(2.91),然后下降到2.67(碎屑层)。一元线性回归和二次线性回归结果表明分形维数与2.0-1.0mm、1.0-0.25mm、0.25-0.05mm以及1.0-0.05mm的颗粒含量都呈现极显著的负相关关系(P0.01),与0.002mm的颗粒含量则呈现极显著的正相关关系(P0.01)。(3)崩岗的砂土层和碎屑层容易发生崩解,而表土层和红土层的崩解指数(Kc)值较高则不易发生崩解。风干状态下的土体较天然状态下的土体容易发生崩解。崩解指数(Kc)值与0.002mm的粘粒含量呈极显著的正相关关系(P0.01),与其他粒级的颗粒含量之间则呈负相关。探讨了崩岗不同土层在不同水分差异下的崩解机制以及不同粒径分布差异下的崩解机制。在较低含水量情况下,崩岗土体遇水后内部孔隙气压力的作用是导致土体崩解的主要原因;而在不同粒径分布差异下,粘粒含量以及有机质等胶结物质的含量则控制着土层的崩解过程,胶结物质越少,崩解速度越快。(4)四处崩岗不同土层的总孔隙度大体上随深度的增加先减小后增大,毛管孔隙和非毛管孔隙彼此随深度的变化规律相反,在红土层和砂土层的一些亚层次,非毛管孔隙的含量较低。表土层单位面积累积入渗量和入渗速率显著高于其他三层,红土层的则要高于砂土层和碎屑层的,崩壁中部土层的累积入渗量和入渗速率较低。崩岗的中部土层(即红土层与砂土层的交错位置)存在一个入渗性能较弱的层次,即存在弱渗透层。各土层的入渗过程最符合Horton模型,其次是Kostiakov模型,不符合Philip模型方程。(5)除五华县崩岗的表土层的黏聚力c值要高于其他各层次外,其他三地的崩岗的红土层的黏聚力要高于表土层,且显著高于砂土层和碎屑层的。除表土层和属于红土层的一些亚层次的黏聚力c和内摩擦角φ随水分含量的增加呈现下降的趋势外,其他各层次的黏聚力c和内摩擦角φ随水分含量的增加呈现先增后降的趋势。在风干阶段,黏聚力c和内摩擦角φ与两极的颗粒关系较密切,且与0.002mm的相关系数均高于其他粒级的颗粒含量。在含水量较高时,黏聚力c则与大部分粒级颗粒之间关系较为密切,且呈显著相关关系,而内摩擦角φ与各粒级的相关关系的系数较低。(6)崩岗崩壁的表土层和红土层的抗剪强度衰减机制:在风干状态下,裂隙的产生是在此阶段下土体抗剪强度下降的主要作用机制。在增湿阶段,土粒间的加固凝聚力和吸附凝聚力的消散是此阶段抗剪强度下降的主要原因。崩岗崩壁的砂土层和碎屑层的抗剪强度衰减机制:在风干状态和天然状态下,基质吸力是控制其抗剪强度的主要原因。在增湿阶段,土粒间的加固凝聚力和吸附凝聚力的减小以及消散是控制其抗剪强度的主要原因。(7)在假定崩壁为直立边坡的条件下,采用崩塌临界高度计算公式计算了不同含水率下土层崩塌临界高度,结果表明表土层在各水分条件下几乎不会崩塌;红土层在水分接近饱和时才易产生崩塌;而砂土层和碎屑层在天然状态下稍微增湿就易发生崩塌。给出了崩壁的不同土层在有裂隙存在和无裂隙存在两种情况下的稳定安全系数K的计算公式。崩塌临界高度(H)和稳定安全系数(K)与土体的含水量之间关系密切,总体上随含水量的增加而减小。有裂隙存在的情况下,能在很大程度上降低土体的稳定性,增加崩塌的几率。
[Abstract]:......
【学位授予单位】:华中农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:S157.1

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