降雨入渗诱发黄土边坡失稳室内试验及数值模拟研究

发布时间：2020-05-01 00:50

【摘要】：近年来,随着公路、铁路工程建设速度的加快,工程建设所需穿越的工程地质条件也越来越复杂,作为人类活动最基本的地质环境,黄土地区高填土边坡不断涌现。由于黄土特殊的结构性和力学特性,强降雨极易导致该类边坡的冲蚀破坏甚至是滑坡的产生。三门峡市地处豫西边陲,是通秦连晋的咽喉要塞,区域内公路通车里程达9343公里。作为东部产业转移和西部资源输出的必经之地,急速发展的交通需求使得区域内黄土填料的合理评价与利用问题显得日益突出。基于此,本文以三门峡黄土路堤边坡为研究对象,进行重塑黄土边坡室内模拟降雨试验,通过监测坡体累计变形及土体含水率的变化,深入分析了黄土边坡在降雨作用下的渐进破坏过程,同时利用PLAXIS2D有限元软件进行数值建模,研究了边坡在间歇式降雨作用下坡体渗流场的变化情况。在此基础上,进一步探讨了降雨持时、土体含水率、降雨入渗深度以及坡体裂隙发育对边坡稳定性的影响。本文的主要研究内容及结论如下:(1)非饱和黄土的水理特性研究。利用已有的试验数据结合典型的VG模型拟合出土体在不同压实度下的土水特征曲线和渗透函数。再此基础上采用应变控制式三轴仪对不同含水率下的重塑黄土试样进行不排水不固结试验,以进一步研究含水率的变化对黄土抗剪强度参数的影响。研究表明,不同压实度土体的土水特征曲线其饱和含水率呈现出随试样压实的增大而逐渐减小的趋势,而残余含水率的变化则正好之相反;土体含水率的变化对抗剪强度参数影响较大,主要表现在随着含水率的增加,构成黄土结构性的胶状物被分解溶蚀,土颗粒间的自由水膜变厚,吸力降低,土体粘聚力与内摩擦角均呈现随含水率的增大而线性降低的趋势。(2)黄土边坡降雨入渗室内模型试验及失稳机理研究。采用自制模型槽和重塑黄土边坡进行室内模拟降雨试验,通过实时监测坡体的变形及含水率的分布情况,推导出边坡失稳的破坏模式。黄土边坡的失稳过程为:降雨入渗和径流冲刷→坡脚软化坍塌形成临空面→上部土体容重、孔隙水压增加→拉裂缝产生→内部裂隙发育贯通形成软弱层→边坡土体下滑力增加及抗剪强度降低→失稳破坏。(3)降雨入渗作用下坡体入渗规律研究。雨水的入渗过程实际上也是土体由非饱和逐步吸水到饱和的过程。降雨过程中雨水的入渗率是动态变化的:在前两次降雨试验中,雨水平均入渗率在60%~70%左右,到第3次降雨时平均入渗率下降到43%,之后便保持在30%左右,此时大部分雨水随边坡顺流而下汇成坡面径流,造成坡面水土流失和冲蚀沟的形成。由于土体渗透系数随入渗深度的变化,雨水入渗过程会产生明显的滞后现象,坡体湿润锋的入渗速率会随着土体深度的增加而逐渐减小;坡面径流的产生使得其入渗能力提高,坡面处于有压入渗状态。坡面雨水的入渗速率约为坡顶入渗速率的3倍。(4)降雨入渗过程中坡体饱和度与基质吸力的变化规律:反复降雨作用下,土体饱和度与降雨持时正相关,随着降雨的进行浸润线下移至坡顶以下3m深处,并在此形成暂态饱和带,降雨影响深度趋于稳定。雨水的入渗会使得坡体基质吸力逐渐降低,在经历短暂停雨间歇时,坡体深部土体由于入渗的持续基质吸力会继续降低,但表层土体则由于水分的蒸发,基质吸力开始增加。且随着停雨间的延长这种效果越明显。(5)黄土边坡降雨入渗作用下稳定性分析:通过PLAXIS2D有限元软件进行数值建模,研究了边坡稳定性在降雨持时、坡体水分场以及裂隙位置3种因素影响下的变化规律。模拟结果表明降雨入渗作用下,黄土边坡的安全性系数受降雨影响较大,会随着降雨持时的增长而显著降低。边坡稳定系数变化曲线存在明显的分界点,该分界点主要与坡体临界含水率、临界入渗深度有关,超过临界值边坡将失稳。坡体裂隙的发育对其稳定性影响极大,裂隙的出现为雨水入渗提供了快速通道,使得降雨作用效果更为“直接”。裂隙所在位置不同其影响程度也不一样,坡面裂隙对边坡的影响更为严重。
【图文】：

技术路线图

土水特征曲线,土水特征曲线,粉质粘土

图 2-1 某种粉质粘土的土水特征曲线于土体本身的不均匀性，土-水特征曲线的影响因素较多。分和孔隙结构是首要影响因素，，其它因素也是基于对这两相互影响而起作用的，这些影响主要反映在土的进气值、残[50][51-53]
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U416.14

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