炭质页岩氧化带控制作用下顺层边坡失稳演化规律研究

As the infrastructure constructions continue to progress, there has been a significant increase in projects of highway and railway in mountain areas in Southern and Southwestern China. Due to the oxidation of sulfide minerals in carbonaceous shale, the potential failure of bedding slope has been becoming a serious problem that's facing us. This project is going to study the stability of the bedding slope of carbonaceous shale, mostly focusing on its local oxidation(clayzation) zone. The scope of the work includes:.• (1)Carry out in situ monitor, laboratory test, rock and soil mechanics analysis and geochemical analysis to study the oxidation process of sulfide minerals as well as the engineering properties of local oxidation (clayzation).zone, understanding the distribution and evolution of local oxidation (clayzation) zone and the ensuing impacts on rock microstructure and hence on mechanical properties;.• (2)Investigate how the formation attitude and location of the carbonaceous shale affect the slope stability and then the mode of failure in order to find out the most probable combinations of the carbonaceous shale with the surrounding rock which contribute to the slope failure;.• (3)Comprehensively investigate the oxidation damage, strain softening, and water induced strength loss in the local oxidation zone of the carbonaceous shale in an attempt to propose a cusp catastrophe theoretical model describing the progressive failure of the slope and a method of stability analysis with different.oxidation stages and slope structures..The goal of this project is to advance the understanding of engineering properties of the carbonaceous shale, providing the theoretical basis for the disaster prevention and mitigation of slope.

随着我国西南、华南山区线状交通工程建设逐渐增多，会越来越多地遇到炭质页岩硫化矿物氧化引起的顺层边坡灾害。本项目选取炭质页岩顺层边坡为研究对象，以炭质页岩局部氧化带为研究主线，采用现场监测、室内试验等手段，结合地球化学、岩土力学分析方法，在研究炭质页岩局部氧化带工程特性基础上，揭示硫化矿物氧化作用下局部氧化带的分布特征与演化过程及其水岩化学作用引起的边坡岩体结构微观变化与岩体力学性质的改变；研究边坡中炭质页岩产状、所处位置对边坡稳定性的影响及灾变模式的控制，分析边坡中炭质页岩与其他岩层最不利组合关系；揭示局部氧化带控制下坡体结构与稳定性随时间的演化规律；综合考虑炭质页岩局部氧化带氧化损伤、水致劣化等特性，建立多因素综合影响下的边坡失稳演化尖点突变模型；提出考虑坡体结构及氧化不同阶段的边坡稳定性数值分析模型。本项目不仅可提高对炭质页岩地层工程特性的认识，还可为边坡的防灾减灾工作提供科学依据。

近年来，在西南、华南等地区，由于活跃的外动力地质作用以及各项大规模基础设施建设的进行，出现了大量具有独特发生机理和演化模式的炭质页岩顺层边坡失稳现象，其区别于一般边坡破坏模式在于炭质页岩氧化带对顺层边坡的失稳控制作用，已成为工程实践中迫切需要解决的问题。.本项目针对氧化带控制下炭质页岩顺层边坡失稳演化规律，开展了表生环境中炭质页岩氧化带氧化过程中矿物成分、细观结构、物理力学性质的变化研究，得到炭质页岩在不同氧化机制作用下随时间变化的相关数据，特别是初始氧化阶段表面特征，总结得出炭质页岩氧化带黏土化过程细观演化机制。通过室内三轴试验，得到不同层理面倾角下炭质页岩应力应变数据，分析了层理面对炭质页岩物理力学性质与氧化过程的各向异性影响。研制了三向膨胀力试验仪，得到炭质页岩随时间变化的膨胀力变化曲线，构建了考虑时间效应遇水三向宏微观膨胀力模型，能完备描述炭质页岩膨胀力发展过程。研发了水岩化学作用连续反应装置，能够模拟实际表生环境中炭质页岩连续氧化过程，得到其在连续氧化过程中不同位置处矿物成分、细观结构等物理力学性质变化情况，对深入掌握炭质页岩氧化带在表生环境中的黏土化演化过程具有重要意义。采用模型试验与数值模拟方法，探讨了不同炭质页岩氧化带厚度、角度条件下顺层边坡稳定性变化情况。综合考虑炭质页岩局部氧化带应变软化、水致弱化等特性，建立了顺层边坡失稳演化尖点突变模型，有助于掌握炭质页岩顺层边坡失稳规律。同时，基于理想弹塑性固体本构模型，建立了考虑氧化带随时间弱化效应的顺层边坡失稳SPH运动模型，模拟了顺层边坡失稳运动过程。进一步针对顺层边坡加固的抗滑圆桩技术，采用透明土室内模拟技术分析了土拱加固机理，并对预应力锚索加固中可能的孔道弯曲效应，分析了其受力特征。研究成果对于提升炭质页岩地层的认识，促进对炭质页岩顺层边坡失稳规律的揭示以及提升顺层边坡加固技术的发展具有一定的积极意义。

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