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泥石流源区广泛存在宽级配弱固结的碎石土,对泥石流启动机理的研究表明这种碎石土的物理力学性质在很大程度上决定了泥石流等灾害的易发性,其中剪切强度决定了泥石流爆发的临界值,而渗透性则决定了泥石流是否能够启动。因此本文通过选取都江堰-汶川地区典型的泥石流沟为研究区域,以室内试验和原位测试相结合的办法,通过原位测试统计得到源地土天然状态下的实际物理力学参数与室内试验条件下的强度相关性变化关系,为泥石流启动机理的研究与防灾减灾提供基础的参数支持。 (1)对都江堰-汶川地区典型泥石流源地土进行原位水平推剪试验,得到试验区碎石土的剪切破坏特征与抗剪强度值。试验结果表明粗粒组含量,天然密度,含水率以及试样尺寸对剪切破裂面的发展和强度值计算均有较大的影响,其中P5(颗粒粒径大于5mm含量)含量为试验关键性控制因素。通过原位推剪试验所得统计了研究区域源地土的剪切强度参数值,原位推剪试验所得粘聚力相比室内直剪试验和三轴压缩试验所得参数值显著较小。 (2)通过原位双环渗水试验,对汶川地区典型泥石流沟源地土进行了原位测试,统计得到了研究区域内源地土的初渗率与稳渗率值。对张家坪沟源地土入渗过程分析表明试样颗粒粒径较大,砾粒组含量较多,细颗粒含量较少,孔隙裂隙较为发育,土体结构较为松散,是该区域入渗过程中达到稳定渗流的时间较长,渗透率较大的主要原因。各区域渗透系数间的差异主要由土体结构,级配特征和物质来源不同所造成。国内外相关研究根据不同土体的入渗规律提出了Kostiakov模型,Horton模型和Philip模型,使用Kostiakov、Philip和Horton三种入渗模型对入渗过程进行拟合,结果表明Kostiakov模型相关性最好,能准确的反映源地土的渗透过程,同时Kostiakov模型参数计算表明,a值在26.62-65.94之间,表明入渗过程中渗透速率衰减较快。除张家坪沟外n值均大于0.4,表明入渗过程中土体结构变化较大,张家坪沟土体砾粒组骨架作用较强,因此土体结构变化较小,较为稳定。 (3)对试验区域源地土进行采样,通过控制相关性的强度影响因素,在室内试验条件下进一步的探究源地土强度影响因素的相关规律。首先选取桃关沟为震后典型泥石流沟,采集源地土为试验对象,通过分析源地土的结构破坏模式,进行室内直剪试验和三轴剪切试验。直剪试验以含水率和干密度为变量,取源地土的粘聚力c和内摩擦角φ作为土体强度衡量指标进行试验。直剪试验结果表明,桃关沟源地土体的c值随干密度的增大而增大,随含水率的增大而减小,并且当含水率超过13%时,c值急剧降低;φ值则基本保持在31°左右,变化幅度不大。 (4)同时由于室内直剪试验试样粒径限制较大,最大只有1mm,较难以准确反应源地土实际强度特征,因此通过开展不固结不排水三轴剪切试验,使得室内试验最大限制粒径达到20mm,最大条件模拟源地土的实际强度变化特征。同时通过实测的办法在不同轴向应变时对试样直径的增量进行量测。试验结果表明,剪切过程主要由体压缩阶段,鼓状变形阶段和剪切破坏面发展阶段组成,其中鼓状变形阶段是试验剪切过程的主要变形阶段。干密度的增加表现出试样的鼓状变形与剪切破坏阶段较为明显;含水率的增加提高了试样的塑性,增加了实测直径增量值;围压与端部效应共同作用,围压越大,鼓状变形越明显,实测直径增量就越大。通过形变特征计算剪切强度,分别以试样直径最大增量值和中部1/3部分平均直径值计算剪切强度,结果表明两者应力应变特征基本一致,但最大直径所得剪切强度值相对较小。