学术前沿 | Engineering Geology 细颗粒物迁移诱发的土壤流态化:来自 2015 年深圳垃圾填埋场滑坡的见解

学术   2024-11-06 08:00   陕西  

自然完全分解的花岗岩 (CDG) 土壤通常在不排水的剪切条件下表现出应变硬化行为。尽管如此,流式山体滑坡在 CDG 垃圾填埋场并不少见。本文试图通过对 2015 年深圳滑坡事件进行案例研究来解决观察到的矛盾。基于实地调查,我们提出了一个假说,即 CDG 垃圾填埋场边坡中流型滑坡的发生和演变,称为“粘土颗粒泥化、泥水迁移和静态液化”。这一假设通过元素尺度的内腐蚀测试和三轴试验得到了验证,并通过微尺度颗粒分析进一步阐明了这一假设。据观察,内部侵蚀诱导的塑料细颗粒的去除和低塑性细颗粒从CDG土壤中保留促进了粗颗粒在剪切应力下的滑动和重组,从而增加了土壤在不排水条件下对流化的敏感性。提出的假设和实验结果为 CDG 垃圾填埋场和类似的广泛分级滑坡的不稳定性和随后的广泛流失提供了新的见解。

图 1.光明新区滑坡鸟瞰图

图 2.垃圾填埋场的初步设计配置(实际的山体滑坡事件发生在 2015 年 12 月,在 T9 平台完工后)。

图 3.滑坡床的岩土工程剖面

图 4.沿滑移面不同区域的土壤样品的粒度分布(符号“B3-22”表示从 B3 钻孔 22 m 深处提取的样品;其他符号遵循类似的约定)。

图 5.光明滑坡现场不同埋深土壤样品的细颗粒含量(这里,T1-0 表示 T1 平台的表层,T6-1 表示 T6 平台以下 1 m;SC-1.5 对应于坡顶处的 1.5 m;B3-22 表示钻孔 B3 内 22 m,其他符号遵循类似的约定)。

图 6.2013 年至 2015 年深圳垃圾填埋场的降水记录。

图 7.在接收站点填充前的积水条件示意图(2013 年 11 月 25 日)。

图 8.从钻孔溢出的水:(a) B3;(b) B5;(c) B7 和 (d) B11。

流滑机制假说

在野外调查和地质勘探的基础上,提出了2015年深圳垃圾填埋场滑坡的流滑机理,即“粘土颗粒泥化、泥水运移、静液化”,如图9所示。此方案可分为以下主要组件:
  • a)

    粘土颗粒泥化:由于浸出和堆叠过程,上层垃圾填埋层中建筑垃圾的细颗粒会受到高水力梯度的影响。在这些条件下,粘土颗粒极易发生泥化。

  • b)

    泥水迁移:粘土颗粒的泥质化后,孔隙水迁移,导致浅层的粘土颗粒向更深移动,形成更细粒的泥土。细粒含量较高的土壤在含水量达到液体极限时更容易流化。细颗粒的这种迁移会逐渐阻碍内部排水路径。

  • c)

    静态液化:泥水的迁移导致粘土颗粒最终从浅层垃圾填埋层中损失,留下可塑性低的成分。这种现象增加了孔隙体积并降低了浅层(例如,垃圾填埋场的波峰和脚趾)内土壤骨架的稳定性,同时导致细粒在更深层的积累。倾倒作业期间随之而来的快速填充和排水不充分进一步降低了垃圾填埋场内的剪切强度。当局部剪切强度不足以抵消堆积载荷增加的滑动力时,会触发局部塌陷或破坏,通常从斜坡的脚部开始,传播到更深的泥质土壤层,形成深层次的平移滑移表面,如图 9 所示.一旦滑坡开始,富含低塑性细颗粒的滑动体的后部和前部极易受到静态液化的影响。相比之下,滑动体的中间部分,其特征是塑性细粉含量高,由于土壤结构的坍塌和粘土颗粒在运动过程中的重新定向而发生应变软化。这些过程的综合作用在滑坡事件中引起了巨大的超孔隙水压力和随后的土壤强度降低,从而加速了滑坡的运动。滑坡的破坏后行为从滑坡转变为流滑。同时,滑动过程中的颗粒碎裂增加了低塑性细颗粒的比例,进一步削弱了土壤强度,最终促进了滑坡体的长距离移动。

图 9.2015 年中国深圳市光明新区拟议的滑坡机制。

图 11.测试设备设置示意图。

图 13.各种 CDG 土壤样品的渗透稳定性评价。

图 14.CDG粗晶粒的试验结果:(a) 偏应力q与轴向变形曲线ε一个(b) Q-P' 平面中的应力路径。

图 15.不同相对密度下塑料细颗粒土样的 CDG 实验结果 (Dr) 和围压:(a) 偏应力 q 与轴向变形之间的曲线 ε一个(b) Q-P' 平面中的应力路径。

图 16.塑性细颗粒土的 CDG 和低塑性细颗粒土的 CDG 的比较实验结果:(a) 和 (b) 偏差应力 q 与轴向变形ε曲线一个;(c) 和 (d) q-p' 平面中的应力路径。

图 17.样品的失效形态:(a) CDG 中塑料细颗粒的鼓形失效和 (b) CDG 中低塑性细颗粒的流动失效。

图 18.未受干扰的 CDG 土壤、重组的 CDG 土壤和 CDG 粗粒的临界状态线 (CSL):(a) q-p' 应力平面中的 CSL 和 (b) e-ln p' 空间中的 CSL。

图 19.CDG 粗颗粒的 SEM 图像:(a) 圆度参数测定示意图和 (b) 42 种 CDG 粗颗粒分析总结。

图 20.SEM 显微照片:(a) 精细 A 和 (b) 精细 B。

图 21.细颗粒对砂粒剪切行为的影响示意图:(a) 低塑性细颗粒和 (b) 塑性细颗粒

在这项研究中,我们提出了一个假设,即 CDG 垃圾填埋场边坡中流式滑坡的发生和演变,其灵感来自中国深圳光明新区 2015 年滑坡。这种被称为“粘土颗粒泥化、泥水迁移、静态液化”的情景已通过多尺度实验方法得到初步验证。根据我们的研究,可以得出以下结论:

  • 1.

    垃圾填埋场中的高低吸附土来自隧道和基坑,导致土壤颗粒机械碎裂,棱角众多,缺乏圆度。这些土壤特性阻碍了具有塑料细颗粒的 CDG 表现出应变软化行为的能力。

  • 2.

    垃圾填埋场的 CDG 土壤包含大量的细颗粒。在垃圾填埋场的水力条件下,塑料细颗粒溶解形成泥浆并迁移,阻塞了垃圾填埋场前部的排水通道,使后部土壤保持水分丰富。相反,低塑性细颗粒仍留在垃圾填埋场的后边缘。

  • 3.

    细颗粒对 CDG 土壤的剪切特性有显著影响。CDG 土壤含有 10% 的塑料细颗粒,表现出应变硬化行为。然而,低塑性细颗粒有助于粗颗粒的滑动和重排,导致体积收缩和应变软化。光明滑坡期间,滑坡体表现出应变软化和流动特征。

必须认识到,假设的流滑情景源自广泛的实地调查,并得到微观和元素尺度实验室实验的证实,只能为 2015 年灾难性的深圳垃圾填埋场流滑提供潜在的解释。鉴于垃圾填埋场环境固有的复杂性,实际的现场机制可能更加复杂。因此,强烈建议在斜率尺度上采用离心机建模进行进一步验证,该建模可以准确复制真实的材料特性和地形条件。

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