差异性溶蚀作用下近水平碳酸盐岩崩塌形成机理研究

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贵州地区特殊的地层岩性、水文地质和气候条件,使该地区崩塌灾害多与溶蚀作用有着密切的关系。本文以惠水新寨崩塌为例,对研究区灰岩的化学成分和微观结构进行研究,对不同应力状态下灰岩的溶蚀速率进行分析,得出影响灰岩发生差异性溶蚀的因素。差异性溶蚀作用促进了坡底薄层岩体处凹岩腔的形成,通过UDEC模拟凹岩腔对崩塌体变形破坏的影响。主要内容及研究成果如下:(1)惠水新寨崩塌是典型的近水平碳酸盐岩崩塌实例,危岩体上部为厚层灰岩,底部为薄层灰岩。研究区内溶蚀作用发育强烈,随处可见大量的溶蚀现象,崩塌体侧壁和后缘处发育有数条水平和竖直的溶蚀裂隙。崩塌体底部薄层灰岩发育有凹岩腔,凹岩腔内同样发现有大量的溶蚀痕迹且岩体较为破碎。(2)不利的岩性组合和潮湿多雨的气候是崩塌体发生变形破坏的基本条件,强烈的溶蚀作用和凹岩腔的发育是崩塌体失稳的主控因素。崩塌体的变形破坏主要分为以下几个阶段:崩塌体底部薄层处凹岩腔形成;危岩体出现向临空面倾倒的趋势,后缘裂隙逐渐形成;凹岩腔继续发育,上部厚层岩石的重心前倾,坡体向临空面倾斜,后缘裂隙逐渐贯通;危岩体失稳发生倾倒-拉裂型崩塌。(3)对岩石的化学成分和微观结构对差异性溶蚀作用的影响进行研究发现:(1)厚层灰岩为白云质灰岩;薄层为纯质灰岩。(2)厚层灰岩为粉晶灰岩,岩体表面晶体结构发育较好;薄层灰岩为泥晶灰岩,岩体晶粒微小且发育不好。薄层灰岩不论是在化学成分上还是在微观结构上,均更有利于溶蚀作用的发生。(4)通过应力溶蚀试验可以发现,在应力溶蚀作用下岩样的抗压强度有所降低。在除应力外其余溶蚀条件均相同的情况下,岩样的溶蚀发育程度随着所受应力的增大而增强。具体表现为:试样表面的溶蚀形态随着应力的增加而逐渐增强,试样的溶蚀质量随着应力的增加而增大,可溶岩的溶蚀速率随着试样所受应力的增加而增快。(5)UDEC数值模拟凹岩腔发育对斜坡稳定性的影响,得到以下结论:(1)初始状态下的斜坡,坡体的岩溶作用尚未发育,斜坡的整体稳定性好。(2)凹岩腔的发育对崩塌体的变形破坏起到了至关重要的影响,上部厚层岩体的重心随着凹岩腔的发育逐渐朝临空向转移,危岩体向临空面倾斜,后缘处岩石的抗拉强度不足,使后缘裂隙在拉应力作用下贯通,崩塌体发生变形破坏。
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