降雨促发黄土滑坡的启动机制模拟

黄土滑坡和降雨关系尤为密切。为深入研究降雨入渗对滑坡的促发作用,在对陕西西安地区“9?17”灞桥滑坡现场勘察的基础上,利用数值模拟方法系统研究了黄土边坡在降雨入渗条件下土体相关物理力学指标的变化响应特征及时空分布规律; 从滑动面安全系数变化的角度分析了边坡的失稳过程,并揭示了该类滑坡的启动机制。结果表明:①降雨入渗首先引起坡面土体的基质吸力逐渐降低,而且不同分布位置的降幅不同; ②滑坡启动前,坡体的高体积含水量范围随降雨明显扩大,且体积含水量表现出从古土壤层向邻近黄土层递减的规律; ③边坡的水平方向位移自坡面中部向坡体的上下部呈放射状递减特征,垂直方向位移由上至下逐渐减小,而临界滑动面的安全系数也随降雨入渗过程逐步递减; ④节理处土体的孔隙水压力和体积含水量的变化响应时间及幅度都早于且强于坡体其他区域,坡体内最大剪应变的区域分布与坡面基本平行,模拟结果与原型滑坡一致; ⑤基于黄土独特的水敏性、地质构造和人类工程活动等诱因的影响,加上节理裂隙为水的入渗和运移提供了优势通道,降雨加速了黄土潜蚀和坡体结构破坏过程,改变了边坡内部应力场、位移场和水文地质条件,进而促发了滑坡。     

降雨诱发黄土边坡失稳室内试验研究

为研究降雨诱发滑坡失稳破坏机理和演化特征,开展了人工降雨条件下黄土滑坡室内研究,通过对土体的体积含水率、基质吸力及坡体变形破坏监测,分析降雨入渗对黄土边坡稳定性的影响.结果表明:在一定的降雨强度范围内,降雨强度越大,降雨入渗速度越快,越易发生滑坡;边坡坡度越缓,坡面降雨入渗速度越快;湿润锋移动在坡脚和坡顶较坡面更快,对滑坡的发生发展有较大影响;试验滑坡为多级后退式破坏模式.     

初始地下水对浅层边坡降雨入渗及稳定性影响

浙江省山地丘陵地区浅层边坡土层大多存在稳定的初始地下水,从而导致土体含水率分布复杂、降雨入渗和稳定性分析难度大。为此,根据土体非饱和特性确定考虑初始地下水影响的坡体含水率指数分布模型,根据雨强与土体饱和渗透系数的对比关系将降雨分为弱降雨和强降雨两类工况,基于Green-Ampt入渗模型及水量平衡原理推导考虑初始地下水影响的浅层边坡降雨入渗物理方程解析解;结合浅层无限边坡模型,分析考虑初始地下水影响的浅层边坡在降雨作用下的稳定性;当假定坡体含水率均匀分布时,改进模型可近似退化为传统模型;当坡体含水率呈指数分布时,通过数值模拟验证改进模型的有效性。结果表明：当浅层边坡基岩上部土层存在初始地下水时,降雨导致的失稳将发生在基岩面处,且失稳时间早于传统模型的预测结果;弱降雨工况下,雨强提高导致边坡触发失稳的时间呈近指数关系快速缩短;强降雨工况下,当不考虑坡面径流对入渗的促进作用时,雨强提高导致边坡触发失稳时间缩短,速度趋于平缓。     

基于PFC-Geostudio耦合的边坡降雨变形破坏研究

为研究降雨条件下边坡的变形破坏情况,建立典型边坡模型,通过有限元软件Geostudio进行渗流分析,将不同降雨强度下的边坡土体的含水量情况导入至颗粒流方法中,根据颗粒位置修改其重度、及接触参数,并对渗流区域施加渗流力,当降雨强度大于边坡入渗速度时,增加考虑坡面径流对颗粒的拖曳作用,分析了不同降雨强度下边坡变形情况以及滑坡破坏过程。研究表明,发生降雨时,边坡变形主要为沉降,最大变形产生在坡顶位置;当降雨强度较大时,坡脚颗粒会由于冲刷作用发生滑动,并诱发后部边坡土体发生渐进式牵引式滑坡。     

黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。     

考虑降雨入渗的某矿区滑坡数值模拟分析

矿区坡体土质粘粒较少,在二次翻采、随意堆弃工况下,极易造成滑坡区土质疏松、加大土体的孔隙率。根据矿区滑坡坡体的工程地质及工况特点,考虑土体内应力场与渗流场之间的流—固耦合作用,采用有限元法,对比分析了某矿区滑坡体的边坡在降雨前、后的边坡安全系数.数值分析表明,考虑降雨入渗的情况下边坡安全系数明显下降.     

震后降雨型碎石土斜坡稳定性的试验研究

地震作用改变了碎石土斜坡岩土体的结构和物理力学性质,导致震后降雨诱发滑坡的数量和规模有明显的增大趋势。现有关于地震和降雨对碎石土斜坡稳定性影响的研究,多采用理论分析与数值分析的方法,缺乏验证手段。地震和降雨的耦合作用对滑坡的影响机理极其复杂,无法定量分析地震和降雨因子对坡体稳定性的影响。以汶川地震灾区震后降雨型碎石土斜坡为研究对象,通过开展一系列的振动台模型试验,并辅以人工降雨和坡顶加载手段,分析了震后降雨型碎石土斜坡的稳定性。试验结果表明:施加地震作用的斜坡表面及内部易形成裂缝,坡体结构上部振松、下部振密,导致坡体上部降雨入渗速度快,饱和区域扩大,岩土体强度下降,滑坡体增重,渗透力增大,坡体稳定性下降。地震与降雨共同作用时斜坡的稳定性要小于地震或降雨单独作用的稳定性。随着地震强度或降雨强度的增大,碎石土斜坡的稳定性呈下降趋势。当地震强度为0或0.1g时,降雨强度为100 mm/h较无降雨时,斜坡极限承载力下降的比例要远大于地震强度为0.2g或0.4g时。即当地震强度较小时,降雨对震后碎石土斜坡稳定性的影响要大于地震强度较大时。研究基于物理模型试验,定量分析了地震和降雨对碎石土斜坡稳定性的影响,可为震后降雨型碎石土滑坡的预测预警提供参考。     

地下水雍高诱发黄土滑坡离心模型试验研究

为了研究地下水位雍高条件下坡体的变形破坏特征和失稳的机理,以黑方台焦家滑坡为地质原型。通过在离心模型后部安置排水挡板和临时水箱,其能较好得模拟灌溉水通过集中通道快速入渗补给坡体地下水,再现地下水位雍高诱发黄土滑坡变形破坏的全过程。此外,在离心模型试验期间,对边坡的孔隙水压力、土压力和变形演化特征进行实时监测和研究。研究表明:地下水雍高造成底部黄土层软化,潜蚀作用和不均匀沉降致使边坡产生塑性流动,从而导致滑坡的顶部形成不同程度的平行错拉裂缝。造成这类滑坡的后壁形态大多呈现直立状。地下水位雍高造成坡体内土体的局部剪缩变形导致孔隙水压力持续以及急剧增高,最终诱发此类滑坡发生突发性破坏,呈现出高速泥流破坏特征。因此地下水位雍高诱发滑坡的形成机理过程为:牵引式蠕滑-半坡以及后缘拉裂-锁固段累进性滑移剪断-滑带贯通高速溃滑破坏。     

滑坡堆积体降雨入渗过程物理模拟试验研究

降雨强度对滑坡坡面降雨入渗过程有显著影响,进而对滑坡变形稳定起着重要作用,孔隙水压力变化是降雨入渗诱发滑坡失稳的重要因素。为进一步探明降雨入渗过程与堆积体滑坡变形失稳破坏模式之间的内在关系,基于人工模拟降雨室内大型滑坡模型试验,研究了不同降雨强度下滑坡堆积体孔隙水压力变化与土压力的响应规律与变形破坏模式,揭示了降雨诱发滑坡变形破坏机理。结果表明:降雨入渗引起滑坡堆积体内孔隙水压力和土压力增加,且随着降雨强度的增大,滑坡体内孔隙水压力和土压力增长速率随之增大。堆积体滑坡变形破坏与孔隙水压力变化密切相关,滑坡堆积体内孔隙水压力随降雨历时的增加不断变大,进而基质吸力不断减小;滑坡体破坏区上侧会产生拉裂缝,下侧由于挤压作用出现土体隆胀,坡脚处会出现局部流土等现象。降雨强度大小与堆积体滑坡变形破坏模式密切相关,雨强大小为0.44 mm/min时,形成多级后退式滑坡变形破坏;雨强为0.57 mm/min时,滑坡体沿最危险剪切面发生大范围滑动破坏,并最终形成塑性流动。     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

土-水特征曲线在雨后基坑边坡稳定性评价中的应用

为研究雨型和基坑坡顶硬化长度对非饱和土基坑稳定性的影响,采用GeoStudio中SEEP/W模块进行降雨模拟,得到雨后坡体孔隙水压力和体积含水率的分布特征。然后将降雨模拟结果导入到SLOPE/W模块中,结合固结快剪试验得到的抗剪强度参数进行数值计算,并对基坑边坡的稳定性进行评价。结果表明:瞬时强降雨入渗深度小,长时普通降雨的入渗深度大;坡顶硬化有利于限制雨水入渗,可减少入渗至滑面内的量,有利于基坑稳定;当坡顶硬化长度为3 m时,降雨对基坑稳定性影响不明显,长度为5 m时,基坑稳定性基本不受降雨的影响;基坑边坡土体初始含水率较低时,前期降雨对基坑稳定性不仅没有不良影响,反而有利于基坑稳定。最后,以实际滑坡为例,对模拟结果进行了验证并说明了坡顶硬化对基坑边坡稳定性的重要性。     

降雨条件下坡积土边坡暂态饱和区形成机理及分布规律

降雨是引起坡积土边坡失稳的最常见外部因素之一。雨水的入渗在引起土体抗剪强度参数降低的同时,还将导致土体重度的增加、基质吸力的降低,最终造成边坡的失稳。开展雨水在边坡内部的渗流过程研究已成为分析边坡在降雨条件下稳定性的前提。基于有限元数值模拟方法,进行了雨水在土体中渗流过程的模拟,着眼于降雨条件下边坡暂态饱和区的形成、分布及消散特征,描述了该过程中边坡内部含水率、基质吸力、水力梯度的变化规律。结果表明：暂态饱和区形成的主要原因是土体中向湿润锋下方渗出的雨水量小于降雨入渗补给量,从而使得土体中的含水率累积升高;暂态饱和区的形成与降雨强度、降雨时间具有十分密切的关系,暂态饱和区形成时间、雨水入渗深度、土体表面体积含水率大小分别与降雨强度存在函数关系;清晰描述了暂态饱和区形成发展消散地下水位升高的全过程,从该过程看,边坡排水措施的设计值得思考。     

降雨条件下土体坡度及含水率对边坡稳定性影响的试验研究

通过对坡度分别为30°、38°、45°的3种土坡进行人工降雨试验,对沿坡面的5个等分观测点进行土坡滑动位移及含水率的观测,并在各土坡靠近坡面的相同位置选取土样进行UU三轴试验,测算出相应的粘聚强度,并对试验过程中采集到的数据进行分析处理,探究土坡滑动的影响因素之间的内在机理。试验结果表明,在试验研究的坡度及含水率范围内,土坡稳定性的影响因素间存在以下规律:坡度较小的土坡沿坡面各分观测点竖向位移变化较小,而坡度较大的土坡竖向位移变化较大,且在上中部位置下滑更为明显;坡体的泥流率与坡度之间存在线性关系,坡度越大,泥流率越大;坡面各分观测点的含水率整体水平与坡度有关,坡度越小,则降雨后含水率越大,且在坡面中下部位置处的含水率变化更大;同等含水率的情况下,随着坡度的增加,土体粘聚强度有增长的趋势。而对于同坡度的土坡而言,含水率越小,则粘聚强度越大。针对试验中发现的规律,通过数值模拟提出了试验降雨条件下“坡度-泥流率”、“坡面位置-含水率”和“含水率-粘聚强度”的关系式。     

库水复活型滑坡牵引滑动机理模型试验研究

为深入探索库水复活型滑坡的破坏模式和力学机制,设计研发新型试验装置,装置主体是由若干渗透盒构成的分段式滑面,能够模拟各种几何形态的滑动面。通过向不同区段的渗透盒注水,可模拟滑带土分阶段饱水软化,实现库水位上升条件下相邻滑块间的牵引滑动过程。采用传感元件、数码摄像以及数字图像处理等测试手段,获取滑带土体积含水率、孔隙水压力、坡面水平位移的变化规律以及后缘面演化特征,并探讨滑坡体失稳破坏模式。结果表明:滑带土饱水后抗剪强度大幅度下降是滑坡发生的重要条件,滑动面处的孔压变动是激发老滑坡复活的重要诱因;滑带处孔隙水压力的增大与滑坡位移的增大是同时发生的,滑带土强度衰减与滑体变形具有良好的相关关系;坡面变形区域分为强、弱变形区和牵引区3部分,坡面变形为1～1.5倍的失稳滑带长度;随着失稳滑带长度增加,坡面变形区域变大,对后侧稳定坡体的牵引变形影响变小;后缘破裂面多呈折线型滑面形态,后缘破裂面倾角试验值受失稳滑段位置和滑体厚度影响显著。研究结果为库区滑坡灾变机制的认识和治理提供重要依据。     

持续小强度降雨入渗对非饱和土边坡稳定性的动态影响

以含水量作为土体抗剪强度的主要控制参量,分析了边坡含水量和抗剪强度随降雨时间的变化特性,建立了持续小强度降雨入渗条件下非饱和边坡土的总凝聚力和内摩擦角与时间的关系。随着降雨持续进行,边坡降雨影响区域扩大。通过FLAC3D进行强度折减,得到了持续降雨过程不同时间段的边坡动态安全系数和边坡失稳前的持续时间。工程计算结果表明,持续小强度降雨条件下边坡临界滑动面仍处在非饱和状态。     

Coupled hydro-mechanical analysis of slope under rainfall using modified elasto-plastic model for unsaturated soils

Two modifications for the basic Barcelona model(BBM) are present. One is the replacement of the net stress by the average skeleton stress in unsaturated soil modeling, and the other is the adoption of an expression for the load-collapse(LC) yield surface that can match flexibly the normal compression lines at different suctions. The predictions of the modified BBM for the controlled-suction triaxial test on the unsaturated compacted clay are presented and compared with the experimental results. A good agreement between the predicted and experimental results demonstrates the reasonability of the modified BBM. On this basis, the coupled processes of groundwater flow and soil deformation in a homogeneous soil slope under a long heavy rainfall are simulated with the proposed elasto-plastic model. The numerical results reveal that the failure of a slope under rainfall infiltration is due to both the reduction of soil suction and the significant rise in groundwater table. The evolution of the displacements is greatly related to the change of suction. The maximum collapse deformation happens near the surface of slope where infiltrated rainwater can quickly reach. The results may provide a helpful reference for hazard assessment and control of rainfall-induced landslides.