松散堆积体斜坡稳定性研究

我国是一个地质灾害发生十分频繁的国家，尤其是我国西南地区，不仅地质灾害数量多，而且灾种全，其中崩塌、滑坡、泥石流等浅表生地质灾害异常突出。分布大量的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰溃堆积、坡积物等组成的松散堆积体斜坡。松散堆积斜坡的变形及稳定性将直接制约到我国社会经济可持续发展，已成为西南地区的重大环境地质问题之一。本书作者申请了国家自然科学基金项目：堆积体-抗滑桩与堆积体-基岩接触面剪切力学特性对堆积体滑坡推力分布形式影响研究，得到了关于堆积填体变形破坏模式及复杂环境下斜坡变形及稳定性规律的研究成果。本书的内容主要来自该项目及作者的其他相关研究。

我国是一个地质条件极为复杂的国家，地质灾害在我国的发育不但数量多，而且灾种全，崩塌、滑坡、泥石流等浅表生地质灾害异常突出，由此而产生的由滑坡堆积、崩塌堆积、残积层、冰碛堆积、破积层等组成的松散堆积体在我国具有广泛的分布。与一般的土体不同，构成这类地质体的主要物质为土与块石的混合物，其中块石的粒径较大，从几厘米到数米不等，有的甚至超过数十米。由于构成这类岩土介质的“块石”及“土”在物理力学性质相差悬殊，使得其细观及宏观力学性质及变形破坏特征较一般的土体或岩体（石）有很大的差异，为区别其他一般土体将其称为土石混合体。土石混合体是随着各类岩土工程建设的不断开展而提出的，也是当今岩土力学发展的必然。土石混合体在自然界中有着广泛的分布，构成了我国乃至世界上的主要地质灾害体。随着我国各类大规模基础工程（尤其是西南地区水电工程）的不断开展，土石混合体成为工程中常见的一类岩土介质，与岩质及土质边坡相比，土石混合体的物质成分变异性很大，且空间结构较为复杂，该类堆积体在物质构成方面界于土和岩石之间，对其参数试验和稳定性研究尚缺乏成熟的理论与技术，几乎难以见到有关的技术规范和要求，其物理力学性质及其稳定性问题对工程的施工及建成后的正常运营问题有很大的影响。
本书以梨园水电站坝址区分布的大型土石混合体边坡为研究对象，对工程区土石混合体的分布、物质组成、形成机理、发育规律、水文地质特征、物理力学性状进行了分析，以工程地质学、数学、力学及数值分析为手段，对土石混合体边坡的稳定性进行了系统的研究，并提出了相应的处理措施建议，不仅对梨园水电站的工程建设及安全运营具有直接的应用价值，而且对于促进这类高度不均质混合岩土体（土石混合体）的成因及物理力学性能的研究具有重要的意义，也为以后的类似工程建设提供相关经验。本书的出版得到了2019年度河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（2019GGJS188）的资助。
由于著者水平有限，书中不足之处在所难免，希望广大读者批评指正。

著者
2023年1月

张健， 南阳师范学院副教授，在博士阶段先后参与了国家十一五重大科技支撑计划两个二级课题《特大型滑坡的早期识别与空间预测》和《重大滑坡、泥石流灾害综合风险评估技术》研究，曾多次参与对湖北、 四川和云南地区典型堆积体滑坡野外地质详细调查，并对该类型滑坡的形成条件和基本特征、形成机理和长期稳定性进行了详细分析。工作期间，主持与堆积体滑坡相关的国家自然科学基金项目《堆积体-抗滑桩与堆积体-基岩接触面剪切力学特性对堆积体滑坡推力分布形式影响研究》和河南省重点科技攻关项目《典型堆积体滑坡灾害预测预警方法研究》。

本书以梨园电站坝址区分布的大型松散堆积体（土石混合体）滑坡为研究对象，对工程区土石混合体的分布、物质组成、形成机理、发育规律、水文地质特征、物理力学性状进行了分析，以工程地质学、数学、力学及数值分析为手段，对土石混合体边坡的稳定性进行了系统的研究，并提出了相应的处理措施建议。
本书可供岩土工程、水利水电工程、地质工程、交通工程等专业的相关人员阅读或参考。

第1章概述1
1.1土石混合体概念提出1
1.2土石混合体与地质灾害2
1.3土石混合体的科学定义4
1.3.1土-石阈值定义5
1.3.2“土”与“石”的强度6
1.3.3含“石”量6

第2章土石混合体滑坡分类及工程地质结构特征8
2.1土石混合体滑坡8
2.2土石混合体的基本类型及结构特征9
2.2.1重力堆积成因9
2.2.2水流堆积成因10
2.2.3冰川堆积成因12
2.2.4风化残积成因12
2.2.5构造作用成因13
2.2.6人工堆积成因14
2.2.7混合堆积成因14
2.3下咱日堆积体工程地质情况14
2.3.1工程地质背景15
2.3.2枢纽区工程地质特征22
2.4下咱日堆积体空间分布及工程地质结构特征26
2.4.1下咱日堆积体分布区空间形态特征26
2.4.2下咱日堆积体工程地质结构31
2.5土石混合体孔隙特征研究41
2.5.1试验准备及过程42
2.5.2试验结果与分析43

第3章下咱日堆积体成因机制分析53
3.1下咱日堆积体试样ESR年代测定53
3.1.1ESR年代测定53
3.1.2结果分析53
3.2下咱日堆积体成因模式及河谷演化54
3.2.1间冰期泛洪堆积54
3.2.2河流下切、侧向沉积56

第4章堆积体物理力学性质试验研究57
4.1研究方法57
4.1.1野外试验方法57
4.1.2本研究的研究方法58
4.2大尺度水平推剪试验59
4.2.1试验步骤及方法60
4.2.2试验数据处理原理及方法62
4.2.3编程实现65
4.2.4下咱日堆积体水平推剪试验成果66
4.3堆积体大尺度直剪试验研究69
4.3.1试验步骤69
4.3.2直剪试验粒度成分确定72
4.3.3直剪试验成果72
4.3.4剪切试验曲线特征76
4.4土石混合体重塑样制备及单轴压缩力学特性82
4.4.1土石混合体试样制备82
4.4.2土石混合体的压密特性84
4.4.3单轴压缩试验分析86
4.5渗透试验和现场密度试验88
4.6土石混合体强度特征分析91
4.6.1土石混合体剪切强度曲线特征分析91
4.6.2浸水条件下土石混合体的强度特征分析92
4.6.3土石混合体抗剪强度与含石量的关系93
4.6.4试验成果分析94
4.7随机细观结构条件下的土石混合体强度特性95
4.7.1土石混合体颗粒流模型建立95
4.7.2SRM随机细观结构生成系统程序实现98
4.7.3数值模拟与结果分析99

第5章土石混合体-基覆面相关力学性质试验研究109
5.1大型土石混合体-基覆面剪切试验机的研制109
5.1.1仪器结构组成109
5.1.2传统仪器缺陷及解决方案112
5.1.3框架构件变形验证113
5.1.4传统的直剪试验误差分析113
5.1.5仪器试验验证121
5.2土石混合体-基覆面剪切试验研究125
5.2.1土石混合体-基覆面剪切试验125
5.2.2土石混合体-基覆面粒径缩尺试验研究130
5.2.3土石混合体-基覆面往返剪切试验研究135
5.3土石混合体-基覆面剪切应力-应变关系137
5.3.1Weibull分布介绍137
5.3.2损伤变量及损伤演化方程140
5.3.3考虑损伤的接触面剪应力-应变关系方程建立140
5.3.4试验验证142
5.4压缩试验条件的力学性质及应力-应变关系146
5.4.1压缩试验及其力学特性146
5.4.2压缩试验条件下应力-应变关系研究148

第6章土石混合体边坡稳定性分析152
6.1概述152
6.1.1边坡稳定性评价方法分类152
6.1.2边坡稳定性评价方法研究现状153
6.1.3存在的问题与发展趋势156
6.2有限元强度折减法157
6.2.1基本原理157
6.2.2岩土材料的屈服准则159
6.2.3算例分析159
6.3库水位升降作用下边坡稳定性分析基本原理161
6.3.1库水位升降对边坡稳定性的影响161
6.3.2库水位上升作用下边坡稳定性分析162
6.3.3库水位骤降作用下边坡稳定性分析163
6.4下咱日堆积体二维稳定性分析163
6.4.1有限元模型的建立163
6.4.2结果分析164
6.5下咱日堆积体三维稳定性分析171
6.5.1三维有限元计算模型171
6.5.2三维稳定性分析方法172
6.5.3初始应力场172
6.5.4天然状态下堆积体三维稳定性分析172
6.5.5库水位上升过程中堆积体三维稳定性分析173
6.5.6库水位骤降过程中堆积体三维稳定性分析187
6.5.7地震作用下堆积体三维稳定性分析189
6.6考虑中间主应力影响的稳定性分析190
6.6.1概述190
6.6.2统一强度理论及其公式变换191
6.6.3实例分析193

第7章土石混合体边坡失稳模式及预测分析202
7.1下咱日堆积体失稳模式宏观分析202
7.2下咱日堆积体塌岸预测202
7.2.1卡丘金法塌岸计算公式202
7.2.2下咱日堆积体塌岸预测结果203

结语207

附录PD209左侧壁展示图208

参考文献214