花岗岩残积土边坡破坏规律研究 地质勘测专业.docx

花岗岩残积土边坡破坏规律研究 地质勘测专业.docx

《花岗岩残积土边坡破坏规律研究 地质勘测专业.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《花岗岩残积土边坡破坏规律研究 地质勘测专业.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

花岗岩残积土边坡破坏规律研究地质勘测专业

题目（中文）：

花岗岩残积土边坡破坏规律研究

（英文）：

StudyonFailureLawofGraniteResidualSoilSlope

摘要

目前我国对花岗岩残积土边坡破坏规律还没有科学的检测手段，实际上，这类土质比较常见，在日常的施工中可能会误导致花岗岩残积土边坡破坏而造成一系列工程事故。

花岗岩地区地质灾害类型主要有滑坡和崩塌两种类型，在实际应用中，影响土质边坡的牢固形态的原因非常复杂。

比如说，纹理出现裂缝，以及掺杂杂质，还有结构和水文性质等，都会导致花岗岩的稳定性被破坏。

但是最主要的原因应当是花岗岩残积土中空间中的原生与次生结构面的相互关系。

本文针对花岗岩残积土边坡破坏，通过对花岗岩残积土的物理特性进行分析研究，阐述花岗岩残积土边坡破坏特征，以广东省梅州市的花岗岩残积土边坡为例，并参考花岗岩残积土的各项相关试验，研究花岗岩残积土在不同降雨条件下的破坏规律，并为设计花岗岩残积土边坡防护提供依据。

论文研究对象主要是我国花岗岩覆盖范围较为广泛的地区，结合国内有关参考文献的研究，针对那些地区的建筑工程项目具有指导性，同时也能够解决实际的项目问题，对防治这些地区的边坡破坏有一定的现实意义。

关键词:

花岗岩；残积土；边坡；稳定性；破坏规律

Abstract

Atpresent,thereisnoscientificdetectionmethodforthefailurelawofgraniteresidualsoilslopeinourcountry.Infact,thiskindofsoilisrelativelycommon,whichmayleadtoaseriesofengineeringaccidentsduetothefailureofgraniteresidualsoilslopeindailyconstruction.Therearemainlytwotypesofgeologicaldisastersingranitearea,landslideandcollapse.Inpracticalapplication,thereasonsthataffectthefirmshapeofsoilslopeareverycomplex.Forexample,theappearanceofcracksinthetexture,aswellasthedopingofimpurities,aswellasthestructuralandhydrologicalproperties,willleadtothedestructionofthestabilityofgranite.Butthemainreasonshouldbetherelationshipbetweenprimaryandsecondarystructuralplanesinthespaceofgraniteresidualsoil.Inthispaper,accordingtothefailureofgraniteresidualsoilslope,throughtheanalysisofthephysicalcharacteristicsofgraniteresidualsoil,thefailurecharacteristicsofgraniteresidualsoilslopeareelaborated.TakingthegraniteresidualsoilslopeinMeizhoucityofGuangdongProvinceasanexample,andreferringtotherelevanttestsofgraniteresidualsoil,thefailurelawofgraniteresidualsoilunderdifferentrainfallconditionsisstudied,Itprovidesabasisforthedesignofgraniteresidualsoilslopeprotection.TheresearchobjectofthispaperismainlytheareaswithawiderangeofgranitecoverageinChina.Combinedwiththeresearchofdomesticreferences,itisinstructivefortheconstructionprojectsinthoseareas,andcanalsosolvetheactualprojectproblems,whichhasacertainpracticalsignificanceforthepreventionandcontrolofslopedamageintheseareas.

Keywords：

granite;residualsoil;slope;stability;failurelaw

1导言

1.1研究背景及意义

我们国家很多地区花岗岩覆盖面积很多，尤其是在广东省、福建省等一些我国东部和东南部地区，且花岗岩地区花岗岩的占地面积会达到将近这些地区总面积的十分之一左右，更有些省份花岗岩覆盖率更大，甚至可能接近该地区总面积的一半。

花岗岩母岩在长期的物理和化学作用下，出露的部分被风化成壳且厚度极大，但花岗岩表层的残留在原地的碎屑物即成为花岗岩残积土。

花岗岩残积土作为我国华南地区的一种主要土类，且这种土类的工程性质十分特别，然而我们现在对花岗岩残积土的工程特性的相关知识少之又少，所以在实际的建筑工程项目当中边坡破坏造成的山体塌方，以及局部崩坏等施工产生的副作用经常会出现，本文选择调查的地区是梅州市，广东省作为台风等自然灾害高发地，工程建设中会遭遇更多的意外情况，由于该地区有很多高高低低的山丘，但平原地区占地面积很少，存在着很多会出现花岗岩边坡破坏的可能性。

根据资料显示，该地区还存在着很多不合理的削坡方式，加上当地的气候属于亚热带季风气候，全年的温度都比较高，而且降水量十分丰沛，再加上花岗岩的残积土自身还具有特殊的性质，这一系列的因素就导致每年降雨频率高的天气很容易出现花岗岩残积土的边坡破坏灾害，会给当地人民和国家带来很大的不便和损失。

因此，就需要我们对这些地方的花岗岩残积土边坡的破坏规律有充分的了解，从而帮助这些地区从根本上顺利解决由于花岗岩残积土边坡破坏带来的灾害。

1.2国内外研究现状

1.2.1花岗岩残积土研究现状

中国的研究人员大概在四十年前，才开始研究花岗岩残积土，对花岗岩残积土的工程分类进行了研究后，只是把它当成是红土或红土的一个分支，并提出了当前工程界对各类型红土研究发展不均衡。

直到二十世纪九十年代初，花岗岩残积土才逐渐地被相关研究者视为一种不同寻常的土壤，而且为这个研究项目专门做了研究小组进行探讨。

而在实际应用中，花岗岩残积土的工程性质和项目分类的问题，Lumb在1962年研究了香港花岗岩残积土的风化过程，并对花岗岩残积土的物理力学指标及其变异性进行了分析。

刘明俊等在1985年采用多种试验方法进行了对深圳花岗岩残积土的力学性质综合研究。

程昌炳等在1986年研究了原状和原状花岗岩残积土的显微结构和强度的异同。

李江等在1989年研究了花岗岩残积土在循环荷载作用下的力学性质。

在1991年王清等人以花岗岩残积土的颗粒程度、组成该土质的具体元素成分，以及微观组成，还有间隙的特殊性质作为调查的目标，在众多的含有花岗岩残积土的山地进行了深入研究，得出花岗岩残积土的风化原因以及风化过程和结果，并提出花岗岩残积土的强度与土体收缩膨胀之间的关系。

吴能森在2006年考虑到花岗岩残积土的特殊结构性，结合其颗粒程度、微观结构和物理特性等有关的要素进行实验分析，总结归纳出一套系统的评判方法。

首先就花岗岩残积土的结构方面进行说明，即从其微观形态和本构特征开始查证，汤连生等研究人员在2013年认为非饱和花岗岩残积土表现出强烈结构和脆性弹塑性损伤是土颗粒之间粘结的重要因素。

赖榕洲在2014年通过对常规固结排水三轴试验及结果，分析研究了我国东南地区花岗岩残积土的模型参数与含水量的变化之间的关系。

范冲在2015年展示了花岗岩残积土的结构性在通过利用结构性参数的条件下，对结构模型参数的影响，并且将花岗岩残积土的结构性引入到结构模型中。

计算所得的结论能够在数理上表征土质的形态变化过程。

对于边坡的稳定性的相关问题，阮林龙等专家学者曾经在2010年初提出，可以把土质遭到破坏的原因分成两种，第一是滑动，第二个是崩塌。

前者能够进行二级分类，也就是说，滑动可以是土质的软化，也可以是其他外力的牵拉，导致土块之间产生滑动的现象。

而所谓崩塌破坏，不仅指的是山体滑坡这样大型的崩塌事故，还有雨水的冲刷等导致的边坡表面剥落的状况。

另外还有其他的学者总结出边坡遭到破坏后的整体规律。

比如说，学者柯云斌于2010年对相关问题进行了分析，而且采用了渗透学原理，讨论了在饱和或者非饱和情况下，即不同降雨条件下花岗岩残积土边坡稳定性的变化规律。

简文彬等在2013年根据花岗岩残积土土体饱和度和含水量之间的关系，从而得出土体达到饱和所需的具体降雨量，他们在文中认为在计算边坡的土块构成时，不同部位的计算公式不一样，也就是说机舱稳定性的时候要分成上下两个方面进行，需要采用不同的抗剪强度；杨淑华等专家学者也进行了相关稳定性变化的调查，他在2014年发表了论文，得出的结论是如果华岗岩土坡的稳定性被破坏，那么最有可能是资深的土块结构崩坏或者是孔隙强度被破坏造成的。

而陈玮等研究小组分析了土质的软化程度，对于其稳定特性的作用，还有邓喜等学者，提出的研究办法是，同时在多个方面的相关要素作用下，对不同降雨条件下花岗岩残积土边坡安全系数的影响。

从以上对多个文献的研究可以发现，许多学者对花岗岩残积土进行的分析和研究主要开展在微观结构、本构模型、工程分类等方面，在花岗岩残积土的结构、崩解性和抗剪强度等多个方面取得了许多成果。

然而边坡稳定性研究是主要分析花岗岩残积土的力学性质和一些外部因素对边坡稳定性的影响，比如开挖和降雨等。

从大体上看，我国已经在花岗岩残积土方面的研究取得了不小的成就，但与其它种类的特殊土相比，还有许多地方有待研究。

例如，目前对于边坡渗流场特征的研究，主要是在分析体积含水量和孔隙水压力这两个方面，而对于其他渗流特征的研究相对比较少。

因此，我们需要详细分析边坡内部渗流速度、渗透性、体积含水量和孔隙水压力在不同降雨条件影响因素下的变化规律。

1.2.2边坡稳定性分析方法研究现状

对于边坡稳定性的分析，已经有诸多的办法，目前可以借鉴的主要有，对于花岗岩的特定性分析，以及定量分析法和数值分析法。

目前，在工程实际中极限平衡法应用的最为广泛，因为这种方法在实际操作中的熟练度已经很高了，对我们来说也很方便去进行理解和计算。

在极限平衡法中瑞典圆弧滑动法不考虑土条之间的作用力，因此，此方法是最简单的极限平衡条分法。

Bishop在1955年提出了bishop法，他又弄了一个“安全系数”的概念，指的是一个表示滑动程度的比值，具体公式是滑动面的剪应力厨艺实际情况的剪应力，实际效果还不错，简化的方法在工程实际中得到了广泛的应用。

由于科学技术的发展十分迅速以及相关应用软件也变得越来越健全，边坡稳定性的分析也逐渐开始应用有限元法。

由于有限元分析边坡的稳定性不需要预先假设边坡滑面，所以也不存在对边坡会通过极限平衡分析法太过简化的问题，边坡的变形和破坏机制可以大致从应力应变的角度进行研究。

1975年，我国相关研究人员提出了有限元强度折减法，该方法的运行机制主要是由于强度折减，在这种情况下，该折减的倍数成为一个稳定的系数，一直到计算不收敛。

2花岗岩残积土的物理性质

花岗岩残积土兼有砂土和黏性土的土体性质，因此花岗岩残积土亦不同于平常普通的土质。

化学材料的不同组成也会导致相应物理性质出现新的特性，与平常的土质相比，花岗岩残积土更加偏向于大的间隙比例，以及各项异性表现的比较强，还有就是在不同方向上土块的均匀性差的比较大，另一方面，残疾土比较容易崩解，受血量影响比较大，此外，还表现出软化的特征。

2.1花岗岩残积土的颗粒组成

经花岗岩残积土相关文献研究显示，粗粒花岗岩经过风化形成的残积土的颗粒组成特点明显具有在两端相对较大，而在中部较小的规律。

大于2毫米的花岗岩残积土颗粒由石英颗粒为其主要材料成分所组成的，颗粒含量在20%至40%之间；小于0．075毫米的花岗岩残积土颗粒是由黏土矿物为主要材料成分所组成的，其颗粒含量在40%到60%之间；其余花岗岩残积土土样颗粒是由石英和剩余的长石颗粒为主要材料成分所组成的，其颗粒为2毫米至0．075毫米。

大于2mm的粗颗粒土，通常被称为中等砾砂；小于0．5毫米的细颗粒土通常被称为黏土，具体取决于它们的可塑性。

花岗岩残积土颗粒含量（%）中＞2mm，则可分为砾石土、砂土、黏性土，具体分类要按照国家规定的相关工程手册进行分类，比如说，《土木工程与地质手册》这本书比较规范，权威性也比较高，广受业界的认可，其中，对于花岗岩残积土的分类更加详细和具体。

2.2花岗岩残积土的透水性

花岗岩残积土具有透水性的特点，并且其透水性能表现出来的性质很小，它的透水性系数通常是1×

～1×

cm/s，渗透率随残留土壤的类型而变化很大，最大值可能是小值的几倍甚至到几十倍之间不等。

虽然土质都具有不同强度的渗水性，但花岗岩在这方面明显处于弱，其土壤的粘性比较大，因此相较于一般的岩土残积土，其渗透率非常低，而且按照不同的成分组成，砾质的比较砂质的透水性更强。

2.3花岗岩残积土的固结性

在实际工程项目中的实践表明，花岗岩残积土的固结速度通常都很快，固结速度与粉质黏土和粉砂的初始含量差不多。

一般而言，施工的对象如果完成了固化，那么接下来也会迅速完成沉降工作，在这之后的变化量就比较小了。

承载力测试表明，我们探究的残疾图强度比较好，一般可以承受巨大的压力，也不会变形，所以，在大型建筑物的地基过程中，都需要用到这类花岗岩残积土。

2.4花岗岩残积土的压缩性

在实际的工程项目中，土类的最终目的都是用于建造气密性良好的建筑材料，所以，良好的可压缩性质是评判土质高低的一个重要指标。

而花岗岩残积土在这方面的表现比较好，其具体的形变原理在这里进行简要说明，在开始的时候，石英粒子相互挤压，由于其本身就有粘性，则会变成一个个比较大块的颗粒，在这个过程中，形变的表征量

会相应增加，当应力低于八十千帕的时候，土壤并不能产生较好的弹性，压缩后的表现比较差。

2.5花岗岩残积土的抗剪强度

所以抗剪力，指的就是在外力进行某个特定方向的打击时，换个颜残疾土所表现出来的抵抗作用，实际上，可以把其抗剪的强度分为两个方面进行讨论，第一，就是粘土的聚合力c，另一方面，这是沙土的摩擦角度Ψ。

一般而言，不同材料的c值相差甚远，从颗粒比较粗的土到细粒土不等，通常由小变到大，并且c值一般在19至25kPa之间；内摩擦角Ψ的值通常从大到小变化，并且Ψ值一般在24．5°至13．5°之间变化。

因此，通常根据抗剪强度测试的计算，边坡可为7至8m垂直。

2.6花岗岩残积土的结构性

所谓结构性，放到花岗岩残积土这个特定的场景应用中，觉得就是不同材质的颗粒，比如石英颗粒以及其他材质的粒子，相互之间的间隙以及不同的排列方式，这些统称为土质的结构性。

对于花岗岩残积土来说，由于间隙比较大，而且渗透性比较低，粘性大的特点，整体而言，该土质比较容易崩坏，或者容易与水柔合变得更加软，在特定的工程应用中，这种现象不是好事，这意味着它的结构被破坏的很明显，当你需要用到它的强度时，就会发现含水量越大的土质越不容易成型，其物理学中的力学性质被破坏的就很大。

总之对于土质的结构性，需要多加注意。

3花岗岩区地质灾害特征及边坡渗流规律

3.1花岗岩地区地质灾害特征

在花岗岩残积土地区，我们经常会看到泥石流灾害的发生，这是由于在特定的地形条件下花岗岩残积土会发生滑坡和崩塌，从而造成局部的泥石流灾害，而出现滑坡或者坡面崩溃的情况，这主要是受自然灾害的影响。

然而，风化是一种特殊的情况，不同的风化岩石具有不同的渗透率。

渗透水可以轻松地在花岗岩残积土的强、中风化带里面进行流动，也可以从缝隙中见缝插针的排出。

此外，组成残积土的颗粒物质如果比较多，那么疏水特征就比较好，具体表现为具有较高的吸水率。

在降雨过程中，在有利的地形和主要或次要结构面的结合下，雨水渗透到次要裂缝和孔隙中后，部分土壤中的含水量增加，甚至可以实现饱和的清香，这样一来，土壤的重量将进一步的加大，这里有一个负面的作用，就是土壤的粘性被破坏了，其应力和静摩擦系数也会随之变小，浅层地下水会由于土壤的自重和水的浸泡，使得花岗岩残积土更容易沿其自身结构面下滑，滑坡就是这样引起的。

花岗岩岩土的风化程度可通过观察其形成的风化层的厚度来辨别，风化层越厚岩土土体出现的缝隙越多，就越容易产生滑坡，越容易在受人为和降雨等因素的影响下，引起花岗岩残积土边坡发生破坏。

风化花岗岩区域中的风化球会造成风化土层的地基不均匀，从而导致土体边坡隐含着不安全的风险，并对基础工程施工产生一定的影响。

部分区域花岗岩残积土暴露在空气中，并且经常易形成不稳定的岩石，在强降雨的影响下，风化球会发生塌陷并滚落，从而引起花岗岩残积土的崩塌。

3.2花岗岩残积土边坡渗流规律

影响花岗岩残积土边坡稳定的重要因素之一就是降雨，其较为直接的表现为花岗岩残积土边坡土体的含水量的变化。

随着降雨的持续不断，边坡土体的孔隙水压力、渗流速度和渗透力等渗流特性与此同时也不断变化，所以在降水条件下花岗岩残积土边坡的内部渗透场也会不断变化，并且其稳态也是连续的。

因此，要想研究花岗岩残积土边坡的稳定性问题，必须先研究花岗岩残积土边坡渗流在降雨条件的作用下的变化规律。

通过进行花岗岩残积土边坡的渗流试验，分析结果有：

（1）花岗岩残积土边坡土的含水量会随着降雨强度的增大和降水时间的增长而变化得越来越大，同时雨水产生的的渗透深度就越深。

由于初始水分含量的差异，花岗岩残积土边坡底部土体含水量在降雨强度较大时会先达到饱和状态，然而，降水对坡面含水量增加的影响大于坡中、坡底。

坡面土壤体积含水量的增加呈下降趋势，表明降雨初期土壤含水量增加较大，后期较小。

降雨的空间表现为坡顶土壤含水量大幅度增加，坡脚含水量略有增加。

（2）花岗岩残积土节点处的孔隙水压力在降雨强度和降雨时长不同的条件下变化规律和体积含水量相似：

当降雨强度增大、降雨时长增加时，孔隙水压力的变化也会越大，会导致土中含有越来越多的雨水。

另一方面，如果不在降水，并且又过了一段相对比较干燥的时间，间隙间的水压不再那么具有压迫力，随着水位的下降，渗水的速度也会下降，所以说水位对于渗水的影响是比较大。

我们做过一个相关的实验，就是在其他条件相同的情况，保证降水量一致，对照组是短期强效降水，而实验组则是长期的降水，最终发现，一段时间以后，前者的渗透速率竟然是更小的，这与我们的直观感受不一致，似乎雨水越急，那么渗透速率也越大，但实际上水压才是起关键作用的。

（3）花岗岩残积土节点渗流速率在降雨的过程当中，会随着降雨的强度和时间的增加而增大，而且实验证明，最终呈现的是“增大—减小—增大”趋势。

（4）在降雨过程中节点渗透力的表现趋势为先增大后减小，在降雨早期达到峰值，而且越大的降雨强度，节点渗透性越快达到峰值，坡顶最大渗透高度越低，仅与降雨强度有关，与降雨历时无关。

其实其余的面也与降雨的总时长没有关系，他们的渗透水能力与降水周期这个外界因素无关。

如果经过一段时期的降雨，而后停止施水，那么渗水的情况表现为，速率先增加然后缓慢下降。

此时，相渗透率受到降雨的干扰。

4花岗岩残积土边坡稳定性分析

4.1边坡模型的建立与计算

降水其实并不能够用一个平均值去代入，因为这是一个不断在变化的过程，而且雨水量的累积则会导致花岗岩残积土边坡的土体体积水含量和孔隙水压力不断变化。

不饱和抗剪强度理论中的基质吸力随体积含水量的增加而增加，进而边坡的稳定性会由于含水量不断的变化受到影响。

在此理论的分析之后，能够开始进行实验，最终实现的目标是得到目标土质的边坡稳定程度与降水的具体关系是什么。

而且这个变量并不能够用控制变量法进行讨论，因为降水会同时影响其他的因素，比如说一定要把土质的吸水能力考虑进去，这也会影响后续的工作。

这里采用的办法是，使用完全饱和的参数进行假设和进一步验证。

这些参数已足够，并且结合相关信息，在表4-1中列出了每个土壤层的相关参数设置。

表4-1各土层力学参数

土层名称

重度（kN/m3）

粘聚力（kPa）

内摩擦角（º）

坡残积土

18.7

9.2

21.1

砾质粘性土

18.6

6.94

23.63

本论文所讨论的方法中，将各种影响因素方案结合到以下四个计算方案中，来进一步探讨单位时间内降水量的相对强弱，以及总的降雨持续时长，还有土地的边坡倾斜度，还有高度对于整体的稳定程度的作用。

计算办法一：

这里设置第一种暴雨条件，就是每天降水60毫米，持续一天。

而比较强的“暴雨”，则指的是120毫米降水一天，最终我们把得到的参数大小插入到SLOPE/W，最后可以方便得到结论，即相同降雨周期下但不同降雨强度时边坡的安全系数变化情况。

稳定性计算方案二：

选取暴雨条件1降水强度60mm每天，降水周期为一天、暴雨条件2降水强度为每日60毫米，而且持续的时间为两日。

另外，设置第三种暴雨条件，就是，降水是每日60毫升，总体持续三日，这样的应用场景下来计算我们需要的参数。

计算办法三：

第一种计算方案是，设置坡比是一倍的关系，而降水条件选择条件一的大暴雨形式，，第二种计算方案是，设置一对0.8的形式安置斜坡，降水仍然选用上面说的条件一的大暴雨模式。

第三种设计的思路是，采用二倍的坡度关系，选择上述降雨模式，最终我们算得的结果是关于安全系数和透水率的，需要将具体的数值插入到SLOPE/W之中，最后得到稳定的程度与不同坡度比的关系。

稳定性计算方案四：

我们这里选用橡树方案三中的计算办法三，也就是说，采用二倍的斜率关系，大概角度为62度，在一开始的办法之下改变坡高，来研究相同土层分布情况下边坡高度对边坡安全系数的影响，得到分别在5米、7.5米、12.5米和15米的坡高的坡面相对位移还有整体的稳定程度之间的关系，以及后续的趋势。

4.2降雨强度对边坡稳定性的影响

在稳定计算方案一的背景下，根据不同降雨强度条件下边坡入渗场的分析结果，在图4-1中整理了边坡临界滑动面稳定性在三种不同降雨强度条件下的变化情况。

分析图4-1得出，降雨开始的时候边坡稳定性的安全系数为1.593，且相对稳定性较好。

如果将不同降雨强度下的边坡安全系数的波动范围进行比较，则边坡最低稳定性系数在暴雨条件一下为1.553，下降幅度很小，边坡最低稳定性系数在大暴雨降雨条件下为1.467，而边坡最低稳定性系数在特大暴雨条件下为1.355，这是非常极端的。

由此得出稳定性系数随着降雨强度变化越大，下降幅度和下降速率越大。

通过对不同降水条件下稳定性系数的增加曲线作对比，就会看出，边坡稳定性系数会随着降水强度增高而增加速度越来越快。

这是因为土体含水量随着降雨强度增高而越来越高。

降雨后渗透的水越多，孔