腾冲市曲石生态小镇玄武岩残积土力学特性及建筑边坡稳定性分析

 腾冲分布有大量的第四系火山，而玄武岩作为一种基性喷出岩，在腾冲境内有大量的分布，露出地表的玄武岩日积月累形成了残积土。本文以腾冲市曲石镇生态旅游度假小镇项目为依托，对研究场地的玄武岩残积土分旱季和雨季两个季节取样分析，对其进行了室内土工试验、现场直剪试验等技术手段，从基本物理性质、颗粒组成、变形特性、强度特性等方面进行研究
第一章 绪论

1.1 选题的背景及意义

  玄武岩不仅是组成洋壳最主要的部分，同时也是组成陆壳的重要部分，广泛地分布在陆地之上。玄武岩作为一种基性喷出岩，在我国具有十分广泛的分布，我国玄武岩的出露面积约有 50 万平方公里[1]，占陆地总面积的 5％，其广泛分布的玄武岩主要为新生代玄武岩和二叠系峨眉山玄武岩。腾冲火山群是我国著名的第四纪火山群，它不但有许多的晚第四纪新期火山，如马鞍山、打鹰山、黑空山等，也有一系列的自早更新世以来有过喷发活动记录的老火山，如来凤山、余家大山、大六冲等[2]。该地区广泛分布有一层第四系喷出岩，其中喷出岩中的玄武岩具有喷发年代晚、喷发期次多、分布范围广等特点。根据云南省地质局区域地质调查队测制的区域地质图《腾冲幅》可以看出，该地区第四系玄武岩主要分布在腾冲市北部及中部区域，且主要集中在火山口附近；该层玄武岩的喷发年代为上更新统和全新统，岩性主要为玄武岩、橄榄玄武岩和安山质玄武岩，如图 1-1所示。腾冲市属热带季风气候，年温差小，昼夜温差大，干湿季节明显，地形垂直温度变化异常。此外年降雨量大，使得玄武岩岩体很容易遭受风化。玄武岩残积土是原岩风化后未经搬运而残留在原地的松散堆积物，土层分布具有上细下粗的特征。风化之后的玄武岩残积土因其大的孔隙比和对水的敏感性，更加容易在水的作用下，使得土体各项物理力学指标下降，因而大大增加了该地区自然灾害发生的概率。腾冲隶属云南省，位于滇西边陲，是由保山市代管的县级市，西部与缅甸毗邻，是中国通向南亚、东南亚的重要门户。由于不同的地区有其独特的地理位置和历史原因，因此该地区的重大工程建设相对较少，工程建设多位于盆地、缓坡区，山区工程建设经验相对匮乏。伴随着社会经济发展速度的不断加快，西部大开发和“一带一路”发展战略等政策的施行，边境贸易的旅游发展较原有的基础之上有了一定的进步，因此该地区修建了一些旅游建筑设施，山区斜坡地带的建设力度越来越大，也积累了较丰富的工程经验，为工程建设后期的发展奠定坚实的基础，但是对于该地区广泛分布的第四系玄武岩风化形成的残积土的工程力学特性的研究还是相当匮乏，不利于该地区的工程建设[3]。随着该地区在基础设施建设过程中对玄武岩残积土的接触越来越多，对玄武岩残积土进行现场调查、原位测试、室内土工试验等综合研究手段来研究其工程力学特性对该地区的工程建设具有重要的指导意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 玄武岩残积土研究现状

  近年来，国家的工程建设日益发展，许多的道路、桥梁、建筑设施等建立在玄武岩残积土之上，因此越来越多的学者对国内不同地区的玄武岩残积土进行了有针对性的研究，为依托在玄武岩残积土上的基础建设提供了宝贵的建议。唐大雄等[4]对雷琼地区玄武岩残积红土进行了全面系统分析，包括其化学成

分、矿物成分、粒度成分、物理化学特性、宏观结构、微观结构形态、孔隙特征，研究表明玄武岩残积红土的物理化学性质和一般物理力学性质与西南碳酸盐类岩石红粘土相近似，不同的是玄武岩残积土的土质是不均匀的，压缩性较高，抗水性较差；张丽，林英华[5]通过对雷州半岛玄武岩残积土的实验研究，建议对这类土进行工程勘察时，应注重原位测试中的标准贯入试验；王国华，陈海明[6]采用原位测试并结合室内土工试验来研究雷州半岛玄武岩残积土，试验结果表明该地区玄武岩残积土有着高含水率、高液限、高孔隙比、低密度、水中崩解速度较快、SiO2含量较低等特殊的物理性质，并给出了地基承载力特征值；龙焕林，张军[7]通过对琼北地区玄武岩残积土的工程特性进行现场勘察与实践，分析评价了玄武岩残积土的物理力学性质，建议在判定该类土与地基承载力的关系时，对于玄武岩残积粘土可以直接采用土的孔隙比指标来判定，而对于玄武岩残积粉土质砾质土，则应结合标准贯入试验来进行判定；王参松[8]对贵州二叠系峨眉山玄武岩残积土的力学特性展开了研究，他通过室内土工试验、原位测试等试验手段分析了三种不同风化程度的玄武岩残积土在不同含水率的情况下的力学特性。结果表明，含水率是影响土体抗剪强度的重要因素，含水率越大，土的抗剪强度越小；张先伟等[9]在化学成分、矿物成分和结构形态方面对雷州半岛玄武岩残积土进行研究，研究表明雷州半岛玄武岩残积土的主要粘土矿物为高岭石、伊利石和三水铝石，风化过程中经历了 Fe 、 Al 的富集，化学成分以 Fe2O3和 Al2O3 为主。他还通过微观结构对该类土体中的结构特征进行了研究，研究表明雷州半岛玄武岩残积土的微观结构类型为凝块结构和絮凝结构，颗粒通过胶结物质 Fe2O3包裹形成团聚体，从而加大了土的结构强度；土体孔隙以溶蚀孔隙以及团聚体内的微孔为主，微孔具有较大的比表面积和吸附能，在水的作用下会产生较大的表面张力，引起土体的软化从而引发灾害；陈洁等[10]利用环剪试验研究了重塑红棕色玄武岩残积土的残余强度，她对干密度和含水率均不相同的玄武岩残积土采用环剪仪在不同加载方式下进行了多级环剪试验，研究了干密度、含水率和加载方式的不同会对大剪切位移下土的峰值强度和残余强度产生怎样的影响。试验表明：试样的剪切应力与剪切位移关系曲线呈应变硬化型，试样的状态对其峰值强度和残余强度均有影响，且试样的峰值强度和残余强度相差不大。在相同的加载方式下，试样的干密度相同，则随着含水率的变化各强度指标的变化趋势也大致相同。随着剪切速率的增大，试样的峰值强度、残余强度和内摩擦角指标也相应的增大，但是对粘聚力指标的影响在不同的加载方式下并不一致。

第二章 玄武岩残积土力学特性研究的理论基础

2.1 玄武岩残积土的界定与分类

2.1.1 玄武岩残积土的界定划分

2.1.1.1 玄武岩风化程度划分

  风化作用是指出露在地表的岩石与大气圈、水圈和生物圈相互作用而变成松散堆积物的全过程，因此按照作用方式可分为三种类型：物理、化学、生物风化作用。玄武岩的岩体结构控制其风化作用，岩石的风化首先开始于其结构面，并逐渐发展到岩石的内部[38]。腾冲属热带季风气候，年温差小、昼夜温差大、年降雨量大、地形垂直温度变化异常，这为该地区玄武岩的风化作用提供了充分的风化条件。玄武岩的主要组成矿物为基性长石和辉石，次要组成矿物为橄榄石、角闪石和黑云母等，一般呈斑状结构、杏仁结构和气孔结构。露出地表的玄武岩受太阳、大气和水等因素的影响，导致一系列物理、化学和生物风化作用，其中起主要风化作用的是物理风化作用和化学风化作用，在岩石风化过程中，这两种类型的风化作用往往是同时发生并相互促进的。以下四个阶段控制着玄武岩的风化过程[39]：

（1）碎屑阶段：该阶段以物理风化为主，岩石由于温度变化、降雨、风和重力等因素而崩解破碎，这一阶段中只有最易淋失的氯化物和硫酸盐发生移动，玄武岩经风化形成碎石或矿物碎屑；

2.2 玄武岩残积土的分布特征

  在第四纪火山活动频繁的地区，玄武岩常以多层夹层或透镜体的形式分布于松散沉积层中[49]。通过对该研究场地钻探揭露发现，场地残积黏土层厚度一般介于 0.0~15.0m，层厚差异较大。该地区玄武岩为多期次喷发，由火山第一次喷发玄武岩风化于表面形成残积黏土层后，第二次再次喷发玄武岩覆盖于黏土层之上，继而露出地表的玄武岩再次风化形成残积黏土层，于是便有了黏土层与玄武岩存在交错分布的现象，如图 2-2 所示。黏土层在空间展布上表现出层厚差异较大的特点。

第三章玄武岩残积土变形特性研究

3.1试验设备及工作原理

3.2试验方案

3.3试验结果

3.4本章小结

第四章玄武岩残积土强度特性研究

4.1土体破坏基本理论

4.2玄武岩残积土结构性分析

4.3室内直接剪切试验

4.4现场直接剪切试验

第五章玄武岩残积土边坡稳定性分析

5.1极限平衡法

5.2数值分析法

5.3玄武岩残积土边坡稳定性分析

本章小结

第六章 结论与展望

  腾冲分布有大量的第四系火山，而玄武岩作为一种基性喷出岩，在腾冲境内有大量的分布，露出地表的玄武岩日积月累形成了残积土。本文以腾冲市曲石镇生态旅游度假小镇项目为依托，对研究场地的玄武岩残积土分旱季和雨季两个季节取样分析，对其进行了室内土工试验、现场直剪试验等技术手段，从基本物理性质、颗粒组成、变形特性、强度特性等方面进行研究，揭示了该地区第四系玄武岩风化形成的残积土的力学特性，并选取研究区某一玄武岩残积土边坡进行有限元软件模拟分析其稳定性。本文主要结论有：（1）研究区玄武岩残积土层厚差异较大，在地层分布上表现出残积土层与玄武岩层交错分布的现象；化学成分以 SiO2、Al2O3和 Fe2O3为主，三者总占比可达 80％左右；粉粒和粘粒总占比大，颗粒级配良好，为不均匀土；（2）腾冲市第四系玄武岩风化形成的残积土相较于贵州二叠系玄武岩风化形成的残积土，其物理性质有些差别，具体表现在高含水率、高孔隙比、低密度等特性；（3）研究区玄武岩残积粘土属高压缩性土，残积粉质粘土属中压缩性土，饱和土和重塑土的压缩系数均高于原状土。水对其强度有着重要影响，室内土工试验和现场直剪试验均表明土体含水率越大，强度越低。雨季由于降雨入渗使得玄武岩残积土的含水率和饱和度更高，因此强度明显低于旱季。相比于贵州玄武岩残积土，其压缩系数较大，粘聚力较大，而内摩擦角则较小；（4）综合结构势很好地表征了玄武岩残积粘土与残积粉质粘土的结构性强弱，土的细颗粒含量高，则土的结构性较好，但在受到外力后结构性容易遭到破坏；