粘土矿物成份与泥石流屈服应力的关系研究

论文摘要

我国是世界上泥石流最发育、分布最广、数量最多、危害最严重的国家之一西部地区的川、藏、滇、黔、甘等12个省区市都有泥石流分布,已查明的泥石流沟有15500余条,受泥石流危害或威胁的县级及以上政府驻地城镇逾百座。泥石流灾害严重的制约着我国山区的建设和经济发展,灾害的防治任务十分艰巨,泥石流防治理论和防治技术的研究是目前泥石流研究的难点和热点。泥石流对建筑物和工程设施的淤埋是泥石流的主要危害方式之一。2008年9月24日北川老县城附近的西山坡沟在汶川地震后暴发大规模泥石流,泥石流在北川老县城堆积最大厚度达12m；2010年8月13日,四川绵竹清平文家沟暴发特大泥石流灾害,泥石流在绵远河内最大淤积厚度超过15m,479户农房被掩埋受损,清平乡卫生院、学校等设施被严重掩埋,农田被毁300余亩,直接经济损失4.3亿元。淤埋是泥石流致灾的主要形式,泥石流淤积厚度是泥石流的最重要参数之一,也是泥石流灾害评估和防治的最重要的参数之一。本论文在前人研究和作者前期积累的基础上,从野外调查出发,得到泥石流的容重、最大淤积厚度、淤积底坡坡度以及由此计算得到的屈服应力,然后拟通过斜板堆积实验研究泥石流体的屈服应力与粘土矿物成份、粘粒百分含量、泥沙体积浓度的关系,并定量得出由这三个因素决定的泥石流屈服应力计算方法,最后通过收集野外泥石流的最大淤积厚度、泥石流容重、坡度以及分析泥石流样品中的粘土矿物成份和粘粒百分含量,验证和修正泥石流屈服应力计算方法,最终达到较全面地了解泥石流的屈服应力特征的目的。最终服务于泥石流防灾减灾工程。研究通过室内实验数据和野外数据的对照,得出以下主要结论：（1）由于粘土矿物是岩石风化后的产物,其特征与其母岩矿物组成有关。最普遍的粘土矿物为：高岭土、绿泥石、伊利石和蒙脱石。它们的水化性、膨胀性、亲水性和吸附性在泥石流体中既影响者泥石流的运动,又影响着泥石流体的冲淤特征。泥石流体的固体颗粒浓度的变化使的泥石流体的运动非常复杂,其对泥石流体流变性质息息相关。实验时配制的不同泥石流容重、颗粒组成以及粘粒成份和含量,从泥石流体的屈服应力考虑,对屈服应力很重要的泥石流体特征值是固体颗粒体积浓度和粘粒矿物成份及含量。（2）粘土矿物成份和含量对泥石流体的屈服应力均有非常密切的关系。本文通过相同粘粒含量和相同固体体积浓度的泥石流体分别对粘粒成份对泥石流体屈服应力的影响；蒙脱石>伊利石>绿泥石>高岭土。（3）固体颗粒体积浓度对泥石流体屈服应力的影响呈现正指数关系：τ=0.3351e11.756C（?）。粘粒含量对泥石流体屈服应力的影响也呈现正指数关系,但当体积浓度Cv>0.55时,相关系数较Cv≤0.55发生突变：Cv≤0.55时τ=4.8976e0.1126P,Cv>0.55时τ=23.32e0.1126P。通过两种因素比较,固体体积浓度对屈服应力的影响要强于粘粒矿物对屈服应力的影响。（4）综合考虑固体颗粒体积浓度和粘粒成份及含量对泥石流体的屈服应力的相关性,考虑不同粘土物理性质的不同并赋予不同的系数。T=30 SC 2e 22 CP式中：T--泥石流体屈服应力（pa）；S--系数,不同粘土S不同；C--泥石流体体积浓度；P—粘粒百分含量（%）。（5）通过一种体积浓度（Cv=0.453）,混合粘土矿物成份和含量对泥石流体屈服应力的相关性进行了讨论知：当粘粒含量≤20%时（野外泥石流固体中,粘粒含量一般在4%-10%）,混合粘土矿物的屈服应力近似等于单一粘土矿物的屈服应力的叠加值。P≤20%范围已经涵盖了野外泥石流体中的粘粒含量范围。（6）对泥石流体性质的划分仅仅通过泥石流容重来确定泥石流粘性强弱是不合理的,还应考虑粘粒的含量。（7）通过验证野外数据和室内试验相关性,室内和室外虽有一定偏差,但通过修正容重,粘粒矿物含量后本公式具有一定的平均意义。可以服务于泥石流防灾减灾工程。本文随将粘土矿物引入到泥石流体屈服应力的研究中来,填补了一些空白之处,但限于试验平台的不足、数据测量的手段落后及分析等限制条件较多,本文研究仍有诸多不足之处：（1）本实验中泥石流体固体组成最大颗粒粒径10mm,该颗粒粒径虽然比前人泥石流浆体更能接近实际泥石流体,但实际还不能和实际颗粒粒径相符合；（2）粘粒成份含量的不准确测定,目前的XRD测试和电镜扫描均只能做到定性-半定量分析,本文XRD测试的系统误差±10%左右；（3）实验中用粘土矿物仅代表当地的粘土矿物特性,因此不同地区的粘土矿物有一些差别会影响到屈服应力计算的准确性；（4）实验研究与野外的实测范围有一定出入,主要表现在粒径,粘粒含量,坡度等等,如何放大实验室结果到实践中,需要进一步研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 选题目的和依据
• 1.1.1 前言
• 1.1.2 选题目的
• 1.1.3 选题依据
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容、研究目标以及解决的关键问题
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究目标及解决关键问题
• 1.3.3 研究方法
• 1.3.4 论文创新点及技术路线
• 1.4 存在问题及解决方案
• 第2章 粘土矿物成分与屈服应力
• 2.1 粘土矿物
• 2.1.1 粘土矿物成分和粘土矿物分类
• 2.1.2 粘土矿物
• 2.1.3 粘土矿物的电荷
• 2.1.4 粘土矿物表面类型
• 2.1.5 粘土矿物的比表面积
• 2.1.6 粘土矿物中的水
• 2.2 泥石流的屈服应力
• 2.2.1 泥石流体的屈服应力
• 2.2.2 屈服应力的影响因素
• 第3章 实验概述
• 3.1 实验目的
• 3.2 实验装置
• 3.3 实验参数选择
• 3.4 实验步骤
• 3.5 量测项目
• 3.6 实验组次
• 第4章 单一粘土矿物泥石流屈服应力的实验研究
• 4.1 粘土矿物对屈服应力强弱影响
• 4.1.1 体积浓度一定时,粘土成份对屈服应力强弱影响
• 4.1.2 粘粒含量一定时,粘土成份对屈服应力强弱影响
• 4.2 屈服应力和泥石流体体积浓度的关系
• 4.3 屈服应力和矿物粘土含量的关系
• 4.4 屈服应力和体积浓度、粘土成份和含量的综合关系
• 第5章 混合粘土矿物泥石流屈服应力的实验研究
• 5.1 混合粘土矿物对泥石流屈服应力关系
• 5.2 混合粘土矿物和单一粘土矿物对屈服应力的影响关系
• 5.3 混合粘土矿物和单一粘土矿物对屈服应力的影响关系
• 5.4 粘粒含量对泥石流粘性的影响
• 第6章 室内试验成果对室外数据的反馈
• 6.1 野外数据收集
• 6.2 室内试验结果
• 6.3 室内外结论反馈
• 6.3.1 大样和小样对泥石流容重的关系
• 6.3.2 粘土矿物含量的修正
• 第7章 结论、问题与展望
• 7.1 结论
• 7.2 不足之处
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果