西宁北山崩积物物理力学性质及微观结构思考

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论文字数:35262 论文编号:sb2022031210431244791 日期:2022-03-28 来源:硕博论文网
本文是一篇工程硕士论文,本文以西宁北山崩积物为研究对象,在整理分析前人研究成果的基础上,通过野外踏勘及相关部门走访形式收集西宁市北山地区有关地质概况、地质灾害等资料并实地取样,查阅国内外相关参考文献并进行室内试验及数据处理,对西宁市北山地区崩积物的物质组成、物理力学性质及微观结构进行了研究。

第一章 绪论

1.1 选题背景及意义
西宁作为青海省的省会,不仅是青藏高原人口超过百万的第一大中心城市,还是青海省政治、经济、文化、科技、交通和通讯中心。它是古“丝绸之路”南路和“唐蕃古道”的必经之地,自古就是西北交通要道和军事重镇。近些年来随着黄河流域生态保护和高质量发展等国家战略规划的实施,城市迅速扩张,人类工程活动频繁,导致地质灾害频发,使其成为我国省会城市地质灾害隐患最为严重的城市之一[1]。
西宁盆地在第三纪时期下降强烈,沉积形成了巨厚的湖相碎屑堆积物,在湟水河长期强烈侵蚀作用下,形成了山间河谷地貌景观。西宁北山地势陡峻,出露地层主要以第三系地层为主,由内陆湖相细颗粒碎屑沉积与化学沉积交替沉积[1],构成的岩体具有强度低、遇水易软化崩解的特点。城市化进程的加剧、绿化项目的持续推进导致该区人工活动和灌溉力度不断增强,加之西宁汛期暴雨集中的气候特点,使西宁市北山地区几乎每年都会发生不同大小的崩滑流地质灾害。地灾产物不规则地堆积在坡面或坡脚,形成了由土、石、盐等多相混合而成的崩积物,成为二次崩滑灾害的直接物源。
西宁典型的崩积体滑坡分布于东川北侧、南川东路及北山一带,其中西宁北山大寺沟、林家崖、付家寨等地处的最为典型。从表观上看,西宁北山这三处滑坡均肉眼可见有大量的白色石膏粉末,且从拦石墙、排水槽、防护网等防护措施的破坏可明显看出多次崩滑的痕迹。这类滑坡对水的响应最为敏感,坡体内盐分随着水的淋滤作用被大量带出,导致崩积碎石土结构架空、容重增加、滑动面软化泥化、最终失稳破坏。土体变形破坏的本质是土体结构的破坏[2],而土体内部微观结构特征的变化控制着其外在宏观变形的力学行为,故研究微观结构变化对查明土体的宏观性质变化起着决定性作用。西宁北山崩积物作为介于岩体和土体之间的一种特殊地质体,工程性质复杂,且在研究区内分布范围广泛、治理难度大、潜在危害性高。因此系统分析其物质成分、物理力学性质、水理性质和微观结构等特征,对查明其工程性质,为当地防灾治灾规划有着重要意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 崩积物研究进展
崩积物是由崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害产生,无规则的堆积在坡脚的介于岩体和土体之间的一种特殊地质体。由于其成因类型复杂、物质组成多元化且为堆积松散,一般具有结构复杂、强度低、变形性高且稳定性差的特点。在降雨和长期不合理灌溉等条件下,极易产生二次崩滑对居民生命财产安全造成威胁。故对崩积物相关性质进行研究对防灾减灾至关重要。目前国内对崩积土体的研究时间相对较短、研究成果相对较少。除此之外,目前对崩积土体的研究内容较为集中,主要分为以下三类:
第一类是对崩积土体物理力学性质和工程性质的研究,也是研究成果最多的一类。姚裕春等[3](2004)和刘忠强等[4](2012)分别对崩积土体的抗剪强度进行了研究,并对影响崩积土体强度指标的因素进行了相关分析;陈松等[5](2009)对黄土崩滑堆积体的颗粒组成、矿物成分、微观结构和物理力学特征等多个方面的性质进行了系统研究;蒋芳市等[6]在2013年对不同时期、不同部位崩积体的渗透性能进行了测定,发现其渗透性差异较大。在2014年[7]对花岗岩崩积土体的颗粒组成及分形特征进行了研究,发现花岗岩崩积土体由砾石、砂粒和粉粒构成,且其分形维数较低。
第二类是对崩积土体的分类。如董家钧和杨贤德[8]于2001年将台湾地区不同物源的崩积体进行了划分,共总结出了岩块堆积、岩层滑动和土石混合堆积崩积体三种类形;朱宝龙等[9]于2005年将广东省韶关市的残坡积、崩坡积、洪坡积“软土”定义为“类软土”。
第三类是对崩积土体结构稳定性和地灾关系方面的相关研究。如2000年殷跃平等[10]用离散元软件对三峡库区崩滑堆积体的形成演化过程进行了模拟研究,将其演化过程划分成了四个阶段。董志高等[11]于2006年使用有限元法对地震作用下崩积土体边坡的稳定性进行了分析,提出了安全系数的计算方法;王晗旭等[12]于2013年通过对贵州开阳金钟牛赶冲崩积体特征的研究,对崩塌落石的运动路径进行了模拟,并对危岩体未来失稳可能的危害范围做出了预测。
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第二章 研究区概况

2.1 自然地理
2.1.1 地理位置
西宁为青海省省会,位于祁连山系达坂山(北山)与拉脊山(南山)之间的湟水谷地,呈东西向条带状,地理坐标为 36°25′05″N~36°47′30″N,101°33′45″E~101°56′15″E(图 2.1)。市区面积 7660 km2,市区面积 500 km2。
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2.1.2 地形地貌
西宁市地形地貌划归为低山丘陵和河谷平原两种类型。低山丘陵区主要分布在湟水及较大支流水系南北两侧,山体呈浑圆状。海拔高度 1800~2600 m,相对高差 100~500 m。河谷平原区主要由Ⅰ~Ⅲ级阶地组成,具有二元结构,地形相对开阔平坦、沿河呈带状分布,植被覆盖面积较广。河谷平原区主要分布在黄河流域河谷区和湟水河流域河谷区,地形开阔平坦,沿河呈带状分布,河谷宽 300~5000 m,为西宁市工农业发展的重要地带。
崩积物滑坡体主要分布西宁北山和南山坡脚部位,处于低山丘陵与河谷平原交替地带。经过水流长期的强烈侵蚀作用,该区地形被切割的非常破碎,沟谷极其发育,冲沟下切深度达 10~100 m,其横断面呈“V”字形。冲沟两侧谷坡较陡,其坡度大都在 30°以上,局部形成临空面,崩塌、滑坡、危岩和滚石极为发育,植被覆盖率和存活率低,水土流失严重,为地质灾害主要发育区。
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2.2 气象水文
2.2.1 气象
西宁市深居内陆,地处我国经向气候带第二、三气候带之间的过渡带,为高原半干旱大陆性气候,具有温差大、强蒸发、少降水的特点。据青海省气象站观测资料,自 1954年以来,年最高月平均气温为 17.2 ℃,高出最低月平均气温 25.6 ℃;多年平均降水量仅为 370 mm 左右,但蒸发量超过 1760 mm,两者相差近 5 倍;降雨主要集中于汛期(6~9月),据统计,汛期期间降水量占全省年降水量的 80%以上,其中降水强度超过 16 mm/h的暴雨有 11 次,其最大小时降水量达 32 mm;日降水强度超过 50 mm/h 的暴雨 4 次,其中最大日降水量达 66 mm。
据青海省地质环境监测总站调查统计,研究区内地质灾害与降水关系密切。地质灾害主要发生在 6~10 月,与降雨量以及降雨特征关系密切。区内近年发生地质灾害的频次与多年月平均降水量呈明显的正相关关系(图 2.2),其多发期与每年的雨季(5~10月)重合,在汛期(6~9 月)时这种相关关系尤为突出。
2.2.2 水文
西宁市内水系丰富,河流纵横。湟水河作为黄河的一级支流自西向东穿过研究区,区内流程约 230 km。据观测资料,湟水河多年平均流量为 32.8 m3/s,区内年径流深 75 mm左右。湟水河两侧支流众多,其中在研究区内的一级支流共有四条,分别为北川河、沙塘川河、南川河和云固川河。这四条一级支流中,北川河的多年平均流量最大,为 37.61m3/s;云固川河的多年平均流量最小,且不超过 1 m3/s;沙塘川河及南川河的多年平均流量分别为 3.64 m3/s 和 1.14 m3/s。湟水河及其支流的冲刷使西宁市内形成了大面积的沟壑,这些沟壑纵比降大,遇上暴雨时期,易引发泥石流灾害。
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第三章 西宁市北山崩积物物理力学性质研究....................17
3.1 试验样品采集...............................................17
3.2 矿物成分测定..............................................18
第四章 崩积物微观结构定性分析............................29
4.1 扫描电镜工作原理.................................................29
4.2 样品制备及试验方法...........................................30
4.3 西宁北山崩积物基本颗粒形态....................................31
第五章 崩积物孔隙结构定量表征..........................................38
5.1 SEM 图像预处理...................................................38
5.1.1 图像处理软件的选取.......................... 38
5.1.2 图像预处理..................................... 38

第五章 崩积物孔隙结构定量表征

5.1 SEM 图像预处理
由于本次试样观察面为手动掰断的原始新鲜面,表面高低起伏不平,导致所得图像局部产生阴影或亮斑,会影响之后的定量分析统计,故对图像进行分析前需对图像进行预处理。
5.1.1 图像处理软件的选取
基于数字图像处理软件的微观结构分析研究,其结果的准确性极大程度上取决于处理软件的选取和操作者对图像处理技术的掌握。近年来应用于土壤微观结构分析的软件有主要有 Matlab、Erdas imagine 、Seion image 和 Image-Pro Plus 软件(表 5.1)。
工程硕士论文参考
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早期部分学者利用 Photoshop 对图像进行处理,该技术虽然也能实现图像的显示、增强、剪切、滤波等一系列操作,但其一般用于图片的美化和编辑,不擅长对特定要素进行提取,数据统计和分析形式也过于单一,将其用于科学研究中图像处理的主要软件,略显不严谨。上表中的几种软件各有特点,其适用情形也不同,通过整体综合总结对比,结合该次研究所用试样和研究目的,决定选用 Image-Pro Plus 软件对此次研究的微观影像进行分析。
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结论与展望

结论
本文以西宁北山崩积物为研究对象,在整理分析前人研究成果的基础上,通过野外踏勘及相关部门走访形式收集西宁市北山地区有关地质概况、地质灾害等资料并实地取样,查阅国内外相关参考文献并进行室内试验及数据处理,对西宁市北山地区崩积物的物质组成、物理力学性质及微观结构进行了研究。主要研究结论如下:
(1)由矿物成分测定结果得出:研究区崩积物所含粘性土矿物成分为伊利石、绿泥石和高岭石,其中伊利石分布范围广泛且含量最高,范围为 16.7%~20.5%,非粘性土矿物成分为石英、钠长石、白云石、方解石和石膏,其中石英含量最高,范围为40.7%~56.5%,方解石的含量最少,只有 1.2%~5.8%。总体上,粘土矿物含量低于非粘土矿物含量,说明研究区崩积物土体结构胶结程度低,稳定性差。
(2)易溶盐含量测定结果表明:研究区崩积物浸出液中硫酸根离子含量最高,范围为 2792.26~3850.56 mg/L,且其含量远远高于其它离子含量,结合实地调查情况,判断西宁北山崩积物为硫酸盐性土;浸出液 pH 范围为 7.12~8.04,为中性偏碱;浸出液矿化度较高,范围为 2620~3284 mg/L,按矿化度分类,研究区内土体浸出液为微咸水和咸水;按照各离子含量,浸出液水化学类型为 Cl·SO4-Na 型水;根据优势离子组合,西宁北山崩积物易溶盐种类为 CaCl2+NaC l+Na2SO4 。这些特征决定了研究区崩积物具有随着温度变化进行反复盐胀作用的工程特性。
(3)颗粒分析结果表明:西宁崩积物中粘粒含量高。大寺沟崩积体滑坡(1~2 号)处的土样颗粒的曲率系数分别为 2.4 和 1.8,表明其粒径分布连续。不均匀系数分别为194.80 和 55.67,说明其分选不均匀。即同时满足 Cu≥5 且 Cc=1~3,表明颗粒级配良好;其余位置(3~6 号)土样,均为级配不良土。整体而言,西宁北山崩积物的粘粒含量高、粒径级配差异大。
参考文献(略)

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