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三趾马红土中石楼隧道的工程稳定性初步研究

水文地质工程地质 2014年第1期41卷 54-60页

作者：王建斌王家鼎谷天峰王庆满郭明西北大学大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069 机械工业勘查设计研究院陕西西安710043 中铁十七局集团有限公司山西太原030006

三趾马红土中石楼隧道4km洞身位于地下水位线以下,围岩极易产生过大变形甚至失稳破坏。通过原位大剪试验,探讨围岩剪应力与剪切位移的变化规律,并得出C、φ值。在此基础上,建立石楼隧道有限元数值模型,分析施工过程中拱顶沉降、水平收... 详细信息

三趾马红土中石楼隧道4km洞身位于地下水位线以下,围岩极易产生过大变形甚至失稳破坏。通过原位大剪试验,探讨围岩剪应力与剪切位移的变化规律,并得出C、φ值。在此基础上,建立石楼隧道有限元数值模型,分析施工过程中拱顶沉降、水平收敛、应力场、锚杆轴力及初期支护结构弯矩的变化规律,并与现场监测结果进行对比。结果表明:①剪应力与剪切位移呈弱硬化状态;②拱顶沉降、水平收敛在毛洞阶段变形较大,初期支护体系能有效控制围岩变形,拱角极易产生应力集中。建议及早施作仰拱以排除病害,锚杆及支护结构在各自极限范围内,整体是安全的。

关键词：三趾马红土原位大剪围岩稳定性数值模拟 Midas GTS

陕西宝鸡市三趾马红土工程地质特性及灾害效应

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地质通报 2013年第12期32卷 1918-1924页

作者：李滨吴树仁石菊松冯振中国地质科学院地质力学研究所/国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室北京100081

陕西宝鸡市渭河北岸地区厚层黄土底部普遍存在一套三趾马红土，其物理力学特性控制着滑坡灾害的发生。通过试验分析发现：①三趾马红土粘粒含量高（一般在37％～55％之间）、蒙脱石或伊利石／蒙脱石类膨胀性粘土矿物含量大（相对舍量55... 详细信息

陕西宝鸡市渭河北岸地区厚层黄土底部普遍存在一套三趾马红土，其物理力学特性控制着滑坡灾害的发生。通过试验分析发现：①三趾马红土粘粒含量高（一般在37％～55％之间）、蒙脱石或伊利石／蒙脱石类膨胀性粘土矿物含量大（相对舍量55％～75％，绝对含量21．99％～33．98％）、有效蒙脱石含量为18．61％～27．56％，比表面积平均值为204．7m2／g，最高达262．9m2／g，属于膨胀性粘土，物理化学活性强；②三趾马红土微裂隙发育、胶结程度差、易崩解，天然状态下为坚硬粘土，饱水后呈现可塑-软塑态．具显著膨胀性；（彭三趾马红土的天然强度相对较高，而遇水饱和后，粘聚力和内摩擦角明显降低，峰值强度和残余剪强度降幅在47％～63％之间。因此，三趾马红土在地下水作用下强度显著降低，成为高陡斜坡中的软弱地层，形成剪切带，控制着渭北黄土塬边地区滑坡的发育与分布。

关键词：三趾马红土物质组成微观结构物理力学特性滑坡

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三趾马红土失水收缩特征及裂缝演化规律研究

三趾马红土失水收缩特征及裂缝演化规律研究

作者：杜长城长安大学

学位级别：硕士

我国西北黄土底部广泛分布有一套红色地层--三趾马红土。有研究表明,三趾马红土具有良好的隔水条件,在极端暴雨、干旱或地下水位往复抬升的作用下,土体极易形成层间软弱带,发生强度衰减、蠕滑变形,诱发一些大型黄土滑坡沿着三趾马红土... 详细信息

我国西北黄土底部广泛分布有一套红色地层--三趾马红土。有研究表明,三趾马红土具有良好的隔水条件,在极端暴雨、干旱或地下水位往复抬升的作用下,土体极易形成层间软弱带,发生强度衰减、蠕滑变形,诱发一些大型黄土滑坡沿着三趾马红土顶部滑动。此外,由于三趾马红土富含蒙脱石、伊利石和高岭石等黏土矿物,具有吸水膨胀、失水收缩的特点。而我国西北地区的公路、铁路、水利、建筑和煤炭资源开发等工程地质活动不可避免的穿越三趾马红土地层。开挖后的三趾马红土暴露于空气,含水率逐渐降低,产生失水收缩开裂,从而对隧洞、边坡和大型(填)构筑物的稳定和安全造成影响。因此本文以三趾马红土为研究对象,开展不同初始含水率、干密度和环境温度下三趾马红土试样的脱湿试验,收缩试验和裂缝演化定量分析试验,分析其失水规律、收缩规律和裂缝演化规律,对涉及三趾马红土和其他黏性土的工程建设具有重要意义。论文主要得出如下结论:(1)三趾马红土的脱湿特征:试样失水曲线均呈现明显的三个阶段:快速失水期、减速失水期和残余失水期。试样失水曲线受初始含水率、干密度、环境温度影响显著,初始含水率越大、干密度越小、环境温度越高,试样失水速率相对越快,失水过程越剧烈。(2)三趾马红土的收缩特征:试样收缩曲线均呈现明显的四个阶段:快速收缩阶段、减速收缩阶段、残余收缩阶段和零收缩阶段。试样收缩曲线受初始含水率、干密度和环境温度影响显著,初始含水率越大、干密度越小、环境温度越高,其收缩过程越剧烈,收缩结束后,收缩应变也相应越大。三趾马红土试样的初始含水率每升高1.5%,最终收缩应变增大约0.2倍;干密度每增大***,最终收缩应变减小约0.10倍;环境温度每升高10℃,试样最终收缩应变增大约0.21倍。试样最终收缩应变与初始含水率、干密度和环境温度均呈良好的线性关系。(3)三趾马红土裂缝演化规律:试样裂缝演化规律与传统规律(裂缝面积、平均宽度在干燥过程中始终增长,最终趋于稳定)有所不同,表现为试样裂缝在干燥中期出现收缩现象,呈现裂缝的“自愈”性。随后提出了“裂块”理论深入分析了此现象的产生机理。最后引入愈合度概念,研究了不同初始含水率试样裂缝的愈合效果,得出结论:初始含水率对试样裂缝愈合度影响显著,初始含水率越低,试样裂缝越早发生愈合且最终愈合度越大。

关键词：三趾马红土干燥脱湿数字图像定量处理裂缝演化

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三趾马红土水敏特性试验研究

三趾马红土水敏特性试验研究

作者：刘振谦长安大学

学位级别：硕士

黄土区域的大中型滑坡,主要沿黄土-三趾马红土的接触层形成,这种滑坡又叫做黄土与三趾马红土(基岩)复合滑坡,占据黄土滑坡总量的一半以上。三趾马红土往往是这种滑坡不断出现和复活的基本控制原因。三趾马红土黏粒成分丰富,在自然状态... 详细信息

黄土区域的大中型滑坡,主要沿黄土-三趾马红土的接触层形成,这种滑坡又叫做黄土与三趾马红土(基岩)复合滑坡,占据黄土滑坡总量的一半以上。三趾马红土往往是这种滑坡不断出现和复活的基本控制原因。三趾马红土黏粒成分丰富,在自然状态下含水率低、力学强度高、透水性较弱,且土壤遇水后变软、容易蠕变流滑,产生软弱面。雨季降雨通过黄土垂直入渗,使三趾马红土层吸水软化,强度衰减并蠕动,进而导致上覆土层沿接触面发生滑移,产生滑坡。因此三趾马红土往往成为此类滑坡频繁、强烈发生的基本控制因素,此类滑坡也可称为受三趾马红土控制的黄土滑坡。因此本文以三趾马红土为研究对象,采用土水特征曲线、崩解试验、吸水试验、强度试验与蠕变试验的手段,开展三趾马红土的水敏特性研究,分析了三趾马红土水敏性指标随初始含水率变化的敏感性,同时为三趾马红土诱发黄土滑坡机理研究提供了参考的依据。主要研究成果如下:(1)揭示了初始含水率对三趾马红土土水特性的影响规律。通过制备不同初始含水率的三趾马红土并进行部分饱和脱湿,部分参照对比,利用滤纸法对试样开展土水特征研究,结果表明:三趾马红土基质吸力与初始含水率成反比。在高饱和度下,三趾马红土未脱湿比脱湿后的基质吸力都要大,且未脱湿土样比脱湿后土样的基质吸力对初始含水率变化的敏感度要低;在低饱和度下,三趾马红土未脱湿比脱湿后的基质吸力都要小,且未脱湿土样比脱湿后土样的基质吸力对初始含水率变化的敏感度要高。(2)阐明了初始含水率对三趾马红土崩解与吸水特性的影响规律。通过制备不同初始含水率的三趾马红土并进行部分饱和脱湿,部分参照对比,开展试样的崩解特性与吸水特性研究,结果表明:饱和脱湿前后试样的崩解速率、吸水速率与试样初始含水率均成反比关系;在同一初始含水率条件下,未经历过饱和脱湿的三趾马红土崩解速率、吸水速率要高于饱和脱湿后的三趾马红土。(3)分析了初始含水率对三趾马红土强度水敏特性的影响规律。通过制备不同初始含水率的三趾马红土,开展试样的强度特性研究,结果表明:三趾马红土初始含水率与抗剪强度成反比;不同初始含水率下试样应力应变曲线类型均为应变软化型,初始含水率越低应力降越明显,低初始含水率下试样脆性剪断特征明显,高初始含水率下应力应变曲线强度硬化阶段更长,试样塑性流动特征显著;随着初始含水率的增高,试样的c值总体呈现下降趋势,而φ值的变化无明显规律。c值的变化范围在171～421k Pa,φ值的变化范围在14.57～36.13°。(4)分析了初始含水率对三趾马红土蠕变水敏特性的影响规律,并建立了三趾马红土的蠕变本构模型。开展不同初始含水率下三趾马红土蠕变试验,分析了初始含水率对试样蠕变水敏特性的影响规律;分别采用Singh-Mitchell经验模型、Mesri经验模型和元件模型对蠕变试验曲线进行了拟合。结果表明:三趾马红土蠕变特征显著,试样初始含水率越大,其蠕变变形量越大;元件模型与试验结果较为接近,明显优于经验模型;三趾马红土蠕变后长期强度较瞬时强度降低明显,并受初始含水率影响显著。初始含水率越高试样长期强度越低,强度损失率25.58%～31.33%。(5)揭示了三趾马红土水敏性指标随初始含水率变化的敏感性。定义了三趾马红土水敏性指标,阐明了三趾马红土水敏性指标随初始含水率变化的敏感性。结果表明三趾马红土水敏性指标随初始含水率变化敏感性关系为:蠕变水敏特性>土水特征>吸水特性>崩解特性>强度水敏特性。

关键词：三趾马红土水敏性蠕变本构模型长期强度

黄土-三趾马红土滑坡滑带土剪切力学特性影响因素

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地球科学与环境学报 2021年第4期43卷 744-759页

作者：祝艳波韩宇涛苗帅升李红飞李文杰兰恒星长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

中国西北地区黄土广泛沉积于三趾马红土之上形成"双层异质"接触层面,控制和影响黄土滑坡的形成。为研究黄土-三趾马红土界面剪切力学特性,研制可视化界面直剪仪,开展界面试样剪切试验,探讨齿面角度、含水率、干密度对其剪切破坏模式、... 详细信息

中国西北地区黄土广泛沉积于三趾马红土之上形成"双层异质"接触层面,控制和影响黄土滑坡的形成。为研究黄土-三趾马红土界面剪切力学特性,研制可视化界面直剪仪,开展界面试样剪切试验,探讨齿面角度、含水率、干密度对其剪切破坏模式、强度与变形特性影响规律。结果表明:试样均沿界面产生剪切破坏,试样剪切破坏模式可分为齿间滑动、齿间滑动-齿面剪断、齿面剪断3种;界面试样剪切应力-位移曲线呈应变软化型,峰值强度后应变"跳跃"及"塑态"特征反映出界面的脆性与塑性剪断破坏特征,剪切刚度、剪切破坏位移演化规律均受界面接触条件影响;界面剪切过程存在明显剪胀效应,剪胀位移演化规律反映了剪切过程的齿面挤密、齿间滑动、齿面剪断与界面摩擦阶段;界面试样强度随界面接触条件均呈非线性变化,齿面角度越大,峰值强度与残余强度越高,试样剪切破坏模式越趋于脆性齿面剪断;含水率越高,界面峰值强度越低,试样剪切破坏模式越趋于塑性齿面剪断;界面试样干密度越大,峰值强度越大,残余强度越低,试样剪切破坏模式越趋于脆性的齿间滑动-齿面剪断。研究成果可为进一步研究黄土-三趾马红土界面强度准则,揭示黄土-三趾马红土复合型滑坡启动机制提供参考。

关键词：黄土三趾马红土滑坡齿面角度含水率干密度剪胀特性抗剪强度

黄土-三趾马红土滑坡滑带土的长期强度影响因素研究

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水文地质工程地质 2022年第2期49卷 148-156页

作者：祝艳波刘振谦李文杰苗帅升李红飞兰恒星长安大学地质工程与测绘学院陕西西安710054

西北地区三趾马红土广泛分布,其蠕变特性强、变形后强度衰减明显,为典型的易滑地层。以往研究较少关注三趾马红土的长期强度衰减规律,为探讨三趾马红土强度时间效应,文章开展三趾马红土蠕变试验研究,获取其蠕变全过程曲线;利用等时曲线... 详细信息

西北地区三趾马红土广泛分布,其蠕变特性强、变形后强度衰减明显,为典型的易滑地层。以往研究较少关注三趾马红土的长期强度衰减规律,为探讨三趾马红土强度时间效应,文章开展三趾马红土蠕变试验研究,获取其蠕变全过程曲线;利用等时曲线法求取其长期强度,并分析影响因素对长期强度影响的敏感性。结果表明:三趾马红土蠕变性强,蠕变特性受初始条件影响显著,试样干密度越小、含水率越高、试验围压越小,其蠕变变形量越大;三趾马红土蠕变变形后强度衰减明显,强度损失率为6.67%~34.58%,干密度越小、含水率越高、围压越小其长期强度越低;三趾马红土长期强度衰减随影响因素变化敏感性不同,随含水率变化最为敏感,随围压变化敏感性次之,随干密度变化敏感性最低;三趾马红土强度损失率变化则呈现不同规律,干密度越小、含水率越高、围压越低,其强度损失率越大,且其变化幅度随围压变化最为敏感,随含水率变化次之,随干密度变化敏感性最低。

关键词：三趾马红土蠕变曲线长期强度滑坡黄土

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基于DIC技术的三趾马红土表面干缩裂纹扩展与自愈规律

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工程地质学报 2022年第4期30卷 1157-1168页

作者：祝艳波刘耀文郑慧涛赵丹丁绮萱兰恒星长安大学地质工程与测绘学院中国西安710054 中国科学院地理科学与资源研究所中国北京100101

新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同... 详细信息

新近系三趾马红土黏粒含量高,失水干燥易开裂形成干缩裂纹。为研究干密度对三趾马红土干燥开裂行为影响,利用自制干燥装置开展压实三趾马红土脱湿试验,并采用数字图像相关(DIC)方法分析其表面干缩裂纹扩展与自愈规律。结果表明:(1)不同初始干密度试样干燥过程中均出现开裂现象,其表面干缩裂纹演化过程可分裂纹萌生、裂纹扩展、裂纹自愈、裂纹稳定4个阶段;小干密度试样表面干缩裂纹网络展布密集均匀,而大干密度试样表面开裂以“宽大稀疏”裂纹为主;(2)试样表面应变场变化能够较好反映试样表面干缩裂纹演化过程,蓝色压应变区代表试样失水整体产生的体积收缩,红色应变条带代表试样表面受拉而产生的干缩裂隙;试样干燥过程表面蓝色压应变区不断扩大,红色拉应变条带区逐渐变小,表明表面裂纹受到试样整体收缩牵拉而产生“自愈”收缩。且干密度越小,试样干缩过程表面红色拉应变网络越密集,干缩裂纹自愈程度越高;(3)试样表面应变场变化表明各等级干缩裂纹均出现自愈现象,但主裂纹的主应变减少量最大,自愈程度最高,对试样整体裂纹自愈起主导作用;试样初始干密度越小,各等级裂纹的峰值应变越大,自愈时的应变缩减量越高,表明试样失水收缩特征越显著。研究成果对进一步揭示压实黏土干燥裂纹的复杂演化过程机理研究提供新参考。

关键词：三趾马红土干缩裂纹数字图像相关技术应变自愈

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黄土高原三趾马红土的观察(英文)

古脊椎动物学报 2011年第3期49卷 275-284页

作者：劳伦斯 J.弗林邓涛王杨颉光普侯素宽庞丽波王太明穆永清美国哈佛大学皮博迪博物馆坎布里奇MA02138 中国科学院古脊椎动物与古人类研究所脊椎动物进化系统学重点实验室北京100044 美国佛罗里达州立大学地球、海洋和大气科学系塔拉哈西FL32306 甘肃省博物馆兰州730050 榆社古生物化石博物馆山西榆社031804

讨论了黄土高原地区红粘土中脊椎动物化石的考察历史,记录了山西和甘肃"三趾马红土"地点的观察结果。红粘土广泛分布于黄土高原地区,但常被误认为是一个描述性术语,因为其中的许多沉积物既非红色,又不以粘土级颗粒为主。不少红粘土序列... 详细信息

讨论了黄土高原地区红粘土中脊椎动物化石的考察历史,记录了山西和甘肃"三趾马红土"地点的观察结果。红粘土广泛分布于黄土高原地区,但常被误认为是一个描述性术语,因为其中的许多沉积物既非红色,又不以粘土级颗粒为主。不少红粘土序列中含有古土壤,也含有水成沉积物。此次考察包括榆社盆地的经典地点、灵台任家沟和雷家河,以及庆阳和秦安的一些地点。讨论了在任家沟发现的化石、在玉村新发现的小哺乳动物上新五褶兔( Plio-pentalagus) 和在胡家村观察到的上新世潜穴,后两个地点都位于灵台东北面的庆阳地区。观察结果与晚中新世遍布黄土高原、很可能来自降尘的粘土级颗粒的快速堆积吻合。但在一些区域则以河流或湖泊过程为主,红粘土颗粒部分或全部被水成的粗碎屑沉积物代替,没有找到晚中新世-早上新世干旱化的证据,反而支持高生产力的湿润环境假说。局部富集的脊椎动物化石证明三趾马动物群具有很高的陆生生物量。

关键词：黄土高原新近纪三趾马红土哺乳动物沉积学

风成三趾马红土与第四纪黄土的粘土矿物组成异同及其环境意义

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第四纪研究 2007年第2期27卷 277-285页

作者：彭淑贞郭正堂中国科学院地质与地球物理研究所

文章基于X射线衍射、热分析和理化分析,对西峰三趾马红土的粘土矿物组成进行较系统研究,并与上覆第四纪黄土和古土壤样品进行对比。结果表明,二者的粘土矿物类型相似,以伊利石为主,其次是绿泥石、蒙脱石和高岭石;但伊利石结晶度明显低... 详细信息

文章基于X射线衍射、热分析和理化分析,对西峰三趾马红土的粘土矿物组成进行较系统研究,并与上覆第四纪黄土和古土壤样品进行对比。结果表明,二者的粘土矿物类型相似,以伊利石为主,其次是绿泥石、蒙脱石和高岭石;但伊利石结晶度明显低于第四纪黄土,而与发育较好的第四纪古土壤(如S4和S5)相当;三趾马红土中的粘土矿物组成主要为碎屑成因,成壤作用只对伊利石结晶度有明显影响。根据现代土壤粘土矿物地带性分布规律,三趾马红土的粘土矿物组合指示了大约6Ma以来,我国北方黄土高原地区一直处于温带半湿润-半干润的环境条件下,以后的气候主要在此范围内波动。但伊利石结晶度的变化指示了晚中新世-上新世总体比第四纪较高的风化成壤强度,体现了较强的夏季风效应。

关键词：粘土矿物三趾马红土第四纪黄土-古土壤季风风尘堆积