Влияние растворения зерна на наклонном грунте

Sep 08, 2023

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 22203 (2022) Цитировать эту статью

609 Доступов

Подробности о метриках

На статическую и динамическую устойчивость естественных или построенных склонов могут влиять явления растворения или явления, подобные растворению. Однако их основные механизмы остаются неясными. Новые экспериментальные результаты и моделирование дискретных элементов предоставляют информацию на уровне частиц и макромасштабе о последствиях растворения минералов на поведение склонов. На микромасштабе вокруг растворяющихся частиц образуются несущие нагрузку зернистые арки, пористость увеличивается, а цепочки контактных сил развиваются, образуя сотовую топологию. На макроуровне, хотя преобладающей формой деформации являются вертикальные осадки, на наклонных участках заметны боковые движения гранул, которые создают потерю массы, даже при квазистатической потере гранул. Горизонтальное смещение зерен максимально на поверхности и линейно уменьшается с удалением от поверхности склона, становясь нулевым на нижних границах, подобно вертикальному смещению зерен по глубине. Отложения с меньшими углами трения и более крутыми склонами испытывают большее смещение как по вертикали, так и по горизонтали. Склоны становятся более пологими после растворения, при этом уменьшение угла наклона напрямую связано с потерей высоты местности ΔH/Ho. Тем не менее, из-за пористой ткани, возникающей в результате растворения, вертикальное сокращение меньше верхнего предела, оцененного по потере массовой доли твердого вещества, ΔH/Ho≈SF. В условиях насыщения водой ткань после растворения может привести к внезапному недренированному сдвигу и скольжению по склону.

Растворение и переосаждение являются распространенными и постоянными диагенетическими процессами. Временной масштаб химических процессов обычно довольно велик, и «предположение об инертности почв» применимо ко многим инженерным приложениям. Однако растворение и осаждение также могут происходить в относительно коротких временных масштабах в адвективных режимах, таких как растворение карбонатов, вызванное инфильтрацией, и когда системы выводятся из состояния равновесия в молодых системах, таких как фундаменты плотин, хвостохранилища шахт, летучая зола, вулканический пепел и т. д. Впрыск CO21,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13.

Отходы особенно уязвимы к растворению и разложению, поскольку их компоненты внезапно подвергаются воздействию новых условий окружающей среды, выходящих за рамки равновесия. Тяжелые металлы и кислотные дренажи из хвостохранилищ и прудов с летучей золой являются ранними признаками продолжающихся процессов растворения14,15. Аналогичным образом, некоторые компоненты летучей золы, включая CaO и CaSO4, хорошо растворимы16,17. Растворение зерен угольной золы способствует нестабильности и обрушению18; с другой стороны, новые минералы, такие как цеолит и филипсит, могут осаждаться19,20. Растворение и повторное осаждение приводят к образованию пористых, но сцементированных отложений, которые являются хрупкими и сжимающимися и уязвимыми для разжижения после нарушения. Потенциальная нестабильность склонов из-за потери твердой фазы может повлиять на утилизацию отходов (включая органические отходы, хвосты шахт и угольную золу).

Многие естественные движения грунта сопровождаются той или иной формой потери твердой фазы, хотя и не обязательно растворением минералов. Повторяющиеся суточные или сезонные заморозки-оттаивания, которые включают таяние ледяных игл и сегрегированного льда, вызывают храповое движение вниз по склону, называемое солифлюкцией21,22,23,24. Разрушение плотины Карсингтон произошло вдоль ранее существовавшей плоскости солифлюкционного сдвига внутри слоя фундамента25,26. В последние десятилетия сокращение вечной мерзлоты в высокогорьях и полярных регионах все чаще вызывало оползни27,28,29,30 и способствовало дестабилизации горных пород31,32.

Аналогичным образом, диссоциация газовых гидратов является одной из основных причин крупномасштабных подводных оползней33,34,35,36,37, наблюдаемых на оползнях Сторегга38,39 и оползнях Тренадьюпет40,41. Диссоциация гидратов не только приводит к потере массы твердого вещества, но также сопровождается образованием и расширением газа, что приводит к заметному образованию избыточного порового давления и эффективной потере напряжения33,42. Диссоциация газовых гидратов может быть естественным образом вызвана колебаниями уровня моря43 и повышением температуры океана44 и неизбежна вблизи фундаментов платформ34,45. Кроме того, растворение может быть преднамеренно вызвано для добычи газа46.