新疆乌尉高速天山段岩石冻融破坏特征及崩塌模式分析

摘要

乌尉高速天山段以近南北向横切东天山，属于高寒高海拔地区，区内地层岩性复杂，且属天山构造带，经历了多期的复杂褶皱、断裂、抬升等运动，形成如今的构造格局。路线沿途经历山前洪积平原、高山峡谷、山间盆地、河谷阶地等多种地貌单元，并切割不同的岩土体，加上研究区特有的大温差气候条件，形成了边坡地质灾害的多样性。
　　本文通过现场深入调查，系统收集了乌尉高速天山段具有典型高寒高海拔地区的岩体冻融及边坡崩塌灾害的地质信息，对沿线91个边坡崩塌灾害进行分析与评价，探索了区内岩体冻融风化对边坡稳定性的影响以及区内崩塌边坡的破坏机制。在此基础上，选取典型崩塌灾害点，结合室内试验及数值模拟等方法，分析了研究线路上崩塌灾害的成灾机制，失稳模式及发展规律。
　　通过以上研究，论文主要成果如下:
　　(1)研究区跨越多种地貌单元，其中天山北坡主要为横向峡谷及盆地宽谷区，而南坡则多为宽谷区。地层岩性复杂，路线走廊带分布了自元古界～古生界～中生界～新生界的地层以及花岗岩体。气候多样，本地区一年中最大温差达到70℃，昼夜最大温差也可达40-50℃，降雨主要集中在6-8月，且4、5月时天气较暖，开始雪融、河流解冻。
　　(2)研究发现，乌尉高速天山段岩石冻融主要受以下因素影响:①气候因素，提供冻融风化所需的大温差及水分;②岩性条件，岩石的胶结程度越好，抗冻融风化能力越强;③结构面条件，结构面是冻融风化的通道，增大了裂隙，提供了更多的临空面，加速了冻融风化;④地应力因素，地应力影响了岩体内裂隙的扩展以及裂隙水的赋存范围，从而影响了岩石的冻融风化;⑤岩体的物理性质是影响冻融特性的主要因素，密度小、孔隙率大、含水量高的岩石受冻融循环影响显著，反之，含水量小的岩石受冻融循环影响较小;⑥冻融温度范围越大周期越长则冻融风化越强烈;⑦岩石热力学性质，在一定程度上影响着岩体温度的变化以及大温差的范围，从而影响了冻融风化的速度。
　　(3)天山北坡线路边坡高陡，崩塌灾害发育程度比南坡高，且主要集中在海拔2200m以上的高寒高海拔山区。按照崩塌灾害的失稳模式分类，可把区内崩塌分为冻融—风化剥落、滑塌、倾倒、坠落四种模式;其中，冻融—风化剥落为研究路线上典型的失稳模式，主要分布在胜利达坂附近2500m以上的路段。而其余三种典型失稳模式，在研究区段内均有分布，且滑塌失稳的数量最多，研究揭示这一现象源于区内边坡岩体的卸荷裂隙（沟谷与区域最大主应力方向垂直）、构造裂隙与冻融劈裂频繁的耦合作用。
　　(4)从对典型冻融崩塌边坡的数值模拟可以看出，①温度越低，冻融时间越长，循环次数越多，则边坡的冻融越强烈，其冻融深度也随之逐步加深。②随着温度的降低，冻融循环的次数的增多，岩体所受剪应力越来越大（一般呈线性关系增长），边坡被破坏的速度越快。③在冻融作用中，边坡首先从外层临空面开始被破坏，并随着冻融的进行，岩体逐层剥落并最终形成崩塌。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 冻融边坡国内外研究综述

1．2．2 崩塌破坏模式国内外研究综述

1．3 研究内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第2章 自然地理及工程地质条件

2．1 自然地理及气象

2．2 地形地貌

2．3 地层岩性

2．3．1 柴窝堡中～新生代凹陷

2．3．2 北天山褶皱带

2．3．3 中天山隆起带

2．3．4 南天山褶皱带

2．3．5 博斯腾凹陷

2．4 地质构造

2．5 新构造运动与地震

2．6 水文地质

2．6．1 地表水

2．6．2 地下水

第3章 岩石冻融破坏特征分析

3．1 岩石冻融破坏的影响因素

3．1．1 气候因素

3．1．2 岩性条件

3．1．3 结构面条件

3．1．4 地应力因素

3．1．5 岩石的孔隙率、含水率和饱和度

3．1．6 冻融循环的温度范围及周期

3．1．7 岩石热力学性质

3．2 岩石冻融破坏的试验分析

3．2．1 裂隙岩体冻胀过程应变试验

3．2．2 岩体冻融冰劈试验

3．3 小结

第4章 崩塌灾害成因机制分析

4．1 崩塌形成机制分析

4．1．1 崩塌的发育分布特征

4．1．2 崩塌灾害影响因素

4．2 崩塌灾害典型失稳方式分析

4．2．1 冻融-冰劈-剥落

4．2．2 滑塌

4．2．3 倾倒

4．2．4 坠落

4．3 小结

第5章 典型冻融边坡热-应力耦合模型

5．1 模拟应用软件ANSYS简介

5．2 模型建立

5．3 参数选取

5．4 模拟结果分析

5．4．1 -10～10℃冻融循环条件下边坡模拟

5．4．2 -20～0℃冻融循环计算

5．4．3 -30～-10℃冻融循环计算

5．5 小结

第6章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果