红层地区平缓岩层斜坡拉张裂缝形成机理研究——以四川南江县为例

摘要

在2011年9月16日暴雨中，南江县境内诱发了大量红层岩质滑坡，并造成严重的财产损失和人员伤亡。而四川境内的红层岩质滑坡根据岩层倾角大小不同主要分为近水平岩层滑坡和缓倾角岩层滑坡两种，并将其统称为平缓岩层滑坡。前人对平缓岩层滑坡进行广泛的研究，认为平缓岩层滑坡是降雨入渗优势结构面后，受到后缘裂隙静水压力、底滑面扬压力以及滑带土软化的共同作用下诱发的。但是目前对降雨入渗优势通道，即平缓岩层斜坡中后部拉张裂缝的形成机理还没有一个深入的研究。针对这个问题，笔者大胆假设认为斜坡体内部砂、泥岩层中拉张裂隙的形成主要是由于大地的构造运动对岩体结构的改造和砂、泥岩互层中砂岩和泥岩间非协调变形导致的。
　　本文以中国地质调查局探矿工艺研究所“川东巴河流域南江幅地质灾害调查(2015)”项目为依托，选取四川省南江县境内典型红层地区软硬互层结构的平缓岩层斜坡为研究对象，在对南江县红层地区的地形地貌、地层岩性、构造地质特征调查的基础上，通过对斜坡中后部节理裂隙的发育情况的统计分析，查明了研究区所经历的构造应力历史以及最大主应力方向;为了进一步证实砂岩和泥岩间的流变特性的差异，进行了岩石直接剪切流变试验，获得了砂岩和泥岩的长期强度、蠕变剪切模量及黏滞系数，为物理模拟试验和数值模拟试验提供了理论依据。以红层平缓岩质斜坡为典型原型，以物理模拟试验相似三定理为理论基础，开展物理模拟试验，揭示了砂岩和泥岩岩层间因存在的非协调变形导致平缓斜坡中后部拉张裂缝形成的过程;利用3DEC离散单元法，模拟了上层巨厚层砂岩夹中厚层泥岩的平缓斜坡的变形破坏过程，验证了物理模拟试验结果，揭示了拉张裂缝贯通过程。根据以上野外调查、室内试验和数值模拟的结果主要得到了以下结论及认识:
　　(1)查明了南江县境内的红层地区平缓岩层滑坡中后部的优势节理面及构造应力历史。南江县境内燕山早期的最大主应力方向为EW向，而喜山运动中期最大主应力方向为NNW-SSE向，并导致在燕山期形成的NEE向的节理在喜马拉雅运动时期处于受压闭合状态。
　　(2)通过直接剪切蠕变试验证明了砂岩的脆性特征和粉砂质泥岩的塑性、粘滞性特征。而在长期剪切应力的作用下，砂岩及粉砂质泥岩的长期强度、剪切模量都有显著降低，砂岩的粘聚力下降更为显著。而在相同竖向正应力条件下，泥岩的黏滞系数远小于砂岩，说明泥岩流变特性远强于砂岩。
　　(3)通过物理模拟试验和数值模拟揭示了平缓岩层斜坡中后部拉张裂缝的形成机理。砂岩和泥岩互层地层中，由于砂、泥岩的泊松比、长期强度的黏滞系数的不同，首先在斜坡前缘出现非协调变形的现象，而后这种非协调变形由斜坡前缘向后缘延伸，并且最终导致斜坡中后部砂岩主拉张裂缝的形成、发展和贯通。
　　(4)根据物理模拟试验和数值模拟所揭示的平缓岩层斜坡中后部拉张裂缝的形成过程，可以归纳为以下4个过程:①中后部压性走向节理形成。②压性节理张开并发展成拉张裂缝。③层间剪切破碎面逐步扩展。④拉张裂缝完全张开。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 红层地区区域地质环境的研究现状

1．2．2 红层平缓岩层岩质滑坡的研究现状

1．2．3 红层软岩及其流变特性的研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

1．3．1 主要思路及研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 区域地质环境及红层平缓岩层斜坡中后部节理发育特征

2．1 南江县红层地区的区域地质环境

2．1．1 地形地貌

2．1．2 地层岩性

2．1．3 构造地质特征

2．2 红层平缓岩层斜坡中后部节理裂隙的发育特征分析

2．2．1 断渠滑坡中后部节理裂隙的发育特征

2．2．2 朝阳村4社三台山斜坡中后部节理裂隙发育特征

2．2．3 小磅上滑坡中后部节理裂隙的发育特征

2．2．4 林家坎斜坡中后部节理裂隙发育特征分析

2．2．5 方家梁滑坡中后部节理裂隙发育特征

2．2．6 斜坡中后部节理的基本特征

2．3 本章小结

第3章 砂岩和泥岩流变特性试验研究

3．1 岩石剪切流变试验目的及原理

3．1．1 试验的背景及目的

3．1．2 试验的原理及设备

3．1．2 试样的选取和制备

3．2 试验过程

3．2．1 法向荷载及剪切荷载的确定

3．2．2 直接剪切流变试验过程

3．3 试验数据处理与分析

3．3．1 试验结果

3．3．2 长期强度的确定

3．3．3 剪切模量及其时间效应

3．3．4 黏滞系数的确定

3．4 本章小结

第4章 红层地区平缓岩层斜坡拉张裂缝形成机理的物理模拟试验研究

4．1 物理模拟概化模型的设计

4．1．1 概化模型的设计

4．1．2 模型相似材料及其性质

4．2 物理模拟模型的制作

4．2．1 试验设备

4．2．2 模型制作过程

4．3 拉张裂缝的形成过程及现象分析

4．3．1 物理模拟的过程和现象

4．3．2 物理模拟的结果分析

4．4 本章小结

第5章 红层平缓岩层斜坡拉张裂缝形成机理的数值模拟研究

5．1 离散单元法的基本原理

5．2 计算模型的建立及其参数取值

5．3 模型的计算及结果分析

5．3．1 模型的位移分析

5．3．2 模型的应力分析

5．3．3 模型的变形速率分析

5．3．4 砂泥岩单元块体拉张破坏分析

5．3．5 砂泥岩岩层层面变形情况

5．4 平缓岩层斜坡模型拉张裂缝形成过程分析

5．5 本章小结

第6章 结论及展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果