非饱和堆积土边坡降雨-渗流潜蚀耦合过程模拟

西部山区的松散堆积土是一种宽级配弱固结土,其内部细小颗粒易随降雨入渗在粗颗粒土骨架间孔隙发生迁移,改变土体水力特性,诱发堆积土边坡降雨失稳。为定量研究降雨作用下堆积体内在的渗流潜蚀耦合演进规律及其斜坡失稳机理,本文对降雨作用下非饱和堆积土边坡中坡体及孔隙尺寸的细颗粒迁移现象进行了分析概化,并基于多孔介质力学及混合物理论构建了描述非饱和堆积土中细颗粒侵蚀-运移-沉积全过程的渗流潜蚀模型。该模型被植入有限元程序,模拟了降雨作用下一维非饱和堆积土柱内部的渗流潜蚀耦合响应过程,并结合无限边坡模型定量分析了细颗粒迁移引发的土体渗透性、持水性及强度演化对非饱和堆积土边坡降雨入渗过程及稳定性的影响。通过数值模拟,本研究阐释了松散堆积土边坡中细颗粒迁移引发边坡局部土体渗透性变化,形成相对不透水层,诱发浅层坡体失稳现象的内在机理;并指出堆积土中细颗粒的侵蚀流失将减弱土体持水性及抗剪强度,加速边坡内的降雨-渗流潜蚀进程,加速边坡的浅层失稳。鉴于由降雨-渗流潜蚀过程引发的土体渗透性、持水性及强度演化均会对堆积土边坡稳定性造成不利影响,对松散堆积土边坡进行降雨稳定性分析时应充分考虑其内在的细颗粒迁移效应。     

非饱和堆积土边坡降雨–渗流潜蚀耦合过程模拟

西部山区的松散堆积土是一种宽级配弱固结土,其内部细小颗粒易随降雨入渗在粗颗粒土骨架间孔隙发生迁移,改变土体水力特性,诱发堆积土边坡降雨失稳。为定量研究降雨作用下堆积体内在的渗流潜蚀耦合演进规律及其斜坡失稳机理,对降雨作用下非饱和堆积土边坡中坡体及孔隙尺寸的细颗粒迁移现象进行了分析概化,并基于多孔介质力学及混合物理论构建了描述非饱和堆积土中细颗粒侵蚀—运移—沉积全过程的渗流潜蚀模型。该模型被植入有限元程序,模拟了降雨作用下1维非饱和堆积土柱内部的渗流潜蚀耦合响应过程,并结合无限边坡模型定量分析了细颗粒迁移引发的土体渗透性、持水性及强度演化对非饱和堆积土边坡降雨入渗过程及稳定性的影响。通过数值模拟,阐释了松散堆积土边坡中细颗粒迁移引发边坡局部土体渗透性变化,形成相对不透水层,诱发浅层坡体失稳现象的内在机理;并指出堆积土中细颗粒的侵蚀流失将减弱土体持水性及抗剪强度,加速边坡内的降雨–渗流潜蚀进程,加速边坡的浅层失稳。鉴于由降雨–渗流潜蚀过程引发的土体渗透性、持水性及强度演化均会对堆积土边坡稳定性造成不利影响,对松散堆积土边坡进行降雨稳定性分析时应充分考虑其内在的细颗粒迁移效应。     

基于正交设计的土体细颗粒迁移积聚水槽实验研究

在中国形成泥石流的主要物质来源是一种包含了黏粒、粉粒、砂砾和砾石等组分的"宽级配弱固结土",土体细颗粒迁移、积聚、阻滞效应将导致泥石流的触发。基于上述认识,考虑斜坡坡度、降雨时间、降雨强度等3个影响土体细颗粒迁移积聚特征的因素,利用正交原理设计水槽实验,对各因素进行了敏感性分析。在实验基础上,将细颗粒增量作为表征在人工降雨水槽实验中土体运移效应的评价指标,运用极差、方差和回归分析等手段,对影响细颗粒迁移积聚特征的3个因素进行分析。结果表明:基于正交原理设计的人工降雨水槽实验,大大缩短了实验周期;影响土体颗粒运移效应的诸多因素中,降雨历时是主要因素,以下依次是降雨强度、斜坡坡度;其中,降雨强度和降雨历时是土体颗粒迁移的决定性因素,斜坡坡度的影响次之;细颗粒增量y与控制因素降雨强度x1与降雨历时x2可用y=(40.92-0.83x1-0.0045x21-8.12x31+81.26x2)/(1-0.42x1+619.8x2)统计关系式来描述。所得结果对土体细颗粒积聚迁移的确定提供了依据,为细颗粒运移效应的深入研究提供了参考。     

不同卸荷速率下天津滨海软土的力学特性研究

为了研究海积软土在不同剪切速率条件下的力学特性,采用WF应力路径试验仪进行了卸荷状态下不同加载速率的三轴固结不排水试验,探讨了卸荷状态下剪切速率对海积软土的变形特性、强度特性以及孔隙水压力变化规律的影响.试验结果表明:剪切速率对土体抗剪强度大小有明显影响,抗剪强度随着剪切速率的增大而增大.土体孔隙水压力的变化不仅与剪切速率有关,还与土体结构屈服有关.卸荷过程中黏聚力随剪切速率变化不明显,而内摩擦角随着剪切速率的增大而增大.     

基于非饱和土强度理论的土质边坡浅层破坏稳定性分析

基于非饱和土强度理论,建立边坡内单元土体达到临界破坏状态的判别方程,提出土质边坡浅层失稳由上缘张拉区、中间主滑动区和下缘挤压区组成的"上、下缘顺坡曲面"组合破坏模式;论证了采用对数螺旋线描述上、下缘滑动体破裂面形态的合理性,并采用极限平衡理论建立了适用于非饱和土质边坡浅层破坏的稳定性分析方法。结果表明:"上、下缘顺坡曲面"组合破坏稳定分析方法能够较好地反映滑坡深度zw与中间主滑动区范围L2之间的变化关系;对于饱和土质边坡,内摩擦角和边坡坡度对边坡稳定性的影响非常小,土体黏聚力的影响则要大得多;对于非饱和土质边坡,土体黏聚力和内摩擦角的减小及边坡坡度的增大均会显著减弱边坡浅层土体的稳定性;土质边坡处于临界状态(安全稳定系数FS=1.0)时,随着土体饱和度的增加潜在滑坡体的破裂面逐渐向浅层迁移,说明降雨入渗导致饱和度上升的土质边坡更容易发生浅层失稳破坏;对于有限长度的土质边坡,无限长斜坡稳定分析方法得到的稳定安全系数偏于保守,考虑了滑坡体上、下缘力学作用的组合破坏稳定分析方法更为合理准确。     

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。     

径流条件下散粒体斜坡的颗粒冲刷启动机理

摘 要：为研究地表径流对散粒体斜坡的冲刷侵蚀效应,根据斜坡坡面径流和坡内渗流特征建立了散粒体斜坡径流-渗流耦合模型。该模型用Navier?Stokes方程描述淹没区坡面径流,用Brinkman-extended Darcy方程描述散粒体斜坡坡内渗流。径流区和渗流区的流体运动均满足连续性方程,且在交界面处的流体满足Neal和Nader提出的流速相等和剪应力连续双边界条件。采用Navier?Stokes方程和Brinkman-extended Darcy方程分别联立连续性方程推求出径流区和渗流区的流速分布。分析流速理论表达式可知,影响斜坡表部径流流速和坡体内部渗流流速的主要因素有斜坡坡度、径流水深、斜坡散粒体的孔隙率和渗透率,且流速随它们的增大而增大。为探究在径流条件下散粒体斜坡坡面颗粒的冲刷启动机理,引入Newton内摩擦定律求得径流区和渗流区交界面上的切应力,并对颗粒发生滑动和滚动两种情况分别进行受力分析,给出了颗粒滑动和滚动两种运动方式相应的失稳判据。分析两种判据可知：(1)颗粒发生滑动时,其抗滑稳定安全系数主要受散粒体斜坡坡度、颗粒的内摩擦角、颗粒半径、径流水深、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的影响,且随颗粒的内摩擦角、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率的增大而增大,随散粒体斜坡坡度和径流水深的增大而减小;(2)颗粒发生滚动与否主要取决于散粒体斜坡坡度、径流水深、颗粒半径、散粒体斜坡孔隙率和渗透率,且它们的值越大,颗粒越容易失稳。     

不同细颗粒含量土体管涌三轴试验研究

为探究不同细颗粒含量土体管涌机理以及管涌后土体力学性质,选取三种不同细颗粒含量的土体,利用自行研制的管涌三轴仪,选择向上管涌的方法模拟管涌实际情况。通过管涌试验以及管涌后的排水剪切试验,分析了细颗粒含量对临界水力梯度、累计涌砂量、峰值强度以及体变的影响。结果表明:管涌发生前,临界水力梯度和临界流速随细颗粒含量的增加而增加;土体在较高的同一水力梯度作用下,累计涌砂量增长速度随时间逐渐减小,流失相同的细颗粒含量,累计涌砂的时间随细颗粒含量的增加而减小;随着细颗粒含量的增大,管涌后土体峰值强度呈不规则变化,土体体积先发生剪缩后发生剪胀,试样体积最大剪缩量随细颗粒含量的增大而增大。     

含水率对残坡积土强度特性的影响

水对边坡土体的变形和强度有着重要的影响。通过对三峡库区某边坡残坡积土进行不同含水率下的直剪试验,研究含水率对其剪应力-位移以及强度的影响规律。结果表明:残坡积土在低含水率下的剪应力-剪切位移关系呈应变软化,在高含水率下呈应变硬化,且含水率较低时竖向压力对残坡积土的应力-应变曲线亦有影响,随着竖向压力增加,剪切软化现象逐渐减小;土体抗剪强度随着含水率的增大而呈非线性减小,减小的速率表现出先大后小的特征,土体塑限为其抗剪强度减小快慢的分界点;土体黏聚力随着含水率的增大呈二次多项式形式减小,土体内摩擦角整体上随含水率的增大而变小,但变化规律不明显。     

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。     

不同随机场模拟对斜坡失稳风险评估结果的影响

使用不确定性分析方法定量评估斜坡失稳风险结果受到学者们的日益重视。针对现有斜坡失稳风险评估中仅采用平稳随机场模拟土体抗剪强度参数分布特征的问题,以一不排水饱和粘土斜坡为例,结合有限元极限分析、强度折减法和蒙特卡洛模拟,讨论了使用非平稳随机场模型和平稳随机场模型模拟土体抗剪强度参数对计算斜坡失稳风险评估结果的影响。结果表明：使用传统的平稳随机场计算斜坡失稳风险的方法会高估斜坡失稳风险,使工程造价增加;安全系数高的斜坡滑面不一定是浅层滑面;斜坡竖直相关距离对采用非平稳随机场计算其失稳风险结果影响较小,而斜坡竖直相关距离对采用平稳随机场计算其失稳风险结果影响显著;斜坡竖直相关距离对滑动面位置和形状的影响较弱。     

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。     

考虑土体参数非平稳特性下开挖边坡稳定性可靠度分析

基于极限分析上限法和随机场理论,采用蒙特卡洛模拟针对不排水条件下开挖边坡的稳定性开展可靠度分析。黏土不排水抗剪强度被模拟为非平稳随机场,并在参数敏感性分析中重点研究了非平稳程度和变异系数对边坡可靠度指标的影响。其中,将随机场中边坡的失效模式分为三类,研究了不同随机参数输入组合下每种失效模式的发生概率。结果表明边坡的可靠度指标随着非平稳程度的增加而增加,随着变异系数的增大而减小。结果显示,土体的空间变异性对边坡的失效模式影响显著。在考虑的随机参数组合下,失效模式以深部破坏模式为主,并且随着非平稳程度和变异系数的增加,深部破坏模式的发生概率逐渐降低,但坡趾破坏和深部坡趾破坏模式的发生概率增加。     

冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验

为研究初始含水率对土体力学性质冻融循环效应的影响规律,以青藏高原粉质黏土为对象,进行不同含水率、围压及冻融次数条件下的三轴试验.结果表明:冻融循环使得不同初始含水率试样的应力-应变曲线趋于接近,低含水率试样的力学性质表现为劣化,在一定范围内,含水率越高,劣化效果越显著;当含水率增加至某一值后,一般为接近塑限时,冻融循环效应则表现为强化;封闭条件下土体冻融循环中的水分迁移会引起含水率的增减分区分布,且初始含水率越高,水分迁移量越大;土体破坏强度随含水率的增加以非线性规律减小,因此试样冻融循环后含水率增大区和减小区的强度变化幅度不同,会引起破坏强度增大、减小及不变等3种不同的变化趋势;冻融循环下土体力学性质会受到干密度、水分重分布及土体结构改变等多方面的影响,初始含水率和冻融次数不同,占主导地位的因素也不同,冻融循环效应就相应地呈现出多样化特征.     

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。     

考虑天气因素的给水管道漏损预测模型

天气变化引起土壤含水率变化和变形等,导致气温变化与市政给水管道的破损事件存在相关性。为此,基于北方某城市给水管网破损事件数据和气温记录,分析不同的天气因素量化指标与管道破损事件的相关性。采用误差反向传播神经网络(BPNN)和基因表达式编程(GEP)方法,建立考虑天气因素的给水管道漏损预测模型。根据案例城市过去11年的市政给水管网破损记录数据库、管道地理信息数据库和同期气温记录,分析6个天气因素指标(平均温度、冰冻指标、最大上升值、最大下降值、最大上升率、最大下降率)的内在相关性及其与管道破损事件的相关性;采用BPNN和GEP建立管道破损数(因变量)与4个自变量(代表性天气因素指标、管径、管龄、管长)的隐式和显式函数关系。应用隐式和显式两种模型预测案例城市给水管网未来1年的破损数,未考虑天气因素的模型预测决定系数分别为0.65和0.60,考虑天气因素模型预测结果的决定系数分别为0.78和0.88,预测精度提升率分别为13%和28%。建立考虑天气因素的给水管道漏损预测模型是合理有效的。     

非饱和膨胀土边坡中土水相互作用机理

为了探讨非饱和膨胀土中强烈土水相互作用对边坡稳定的影响，进行了大型现场降雨入渗模拟试验和综合的室内试验研究.研究了包括土水特征曲线的测试、胀缩试验和吸湿软化试验的室内试验.试验成果分析表明，在干湿季节循环过程中，非饱和膨胀土中水分、吸力、变形、应力和抗剪强度之间发生强烈耦合作用.膨胀土的丰富裂隙在土水相互作用中起关键作用，它直接破坏了土体的完整性，并显著增加了表层土的入渗速率.降雨入渗使得浅层的非饱和膨胀土体发生吸水膨胀而软化，还造成浅层土体中水平应力显著增加，这可能导致土体发生局部被动破坏.季节性干湿循环使得边坡浅层土体逐渐发生向坡下蠕变，以致边坡发生渐进累积破坏     

颗粒粒径对泥石流形成影响的试验研究

为研究泥石流受土体颗粒粒径的影响,将细砂和中砂按不同质量比配置6组不同颗粒粒径的试验试样,进行泥石流室内模型试验。试验结果表明：颗粒粒径对泥石流的形成模式具有重要影响,随着细砂含量的增加,泥石流的形成模式从滑坡型破坏变为流滑型破坏。当细砂含量小于40％时,坡体分层块体下滑,发生滑坡型破坏;当细砂含量大于40％时,坡体整体快速下滑,发生流滑型破坏。分析中砂坡体泥石流形成过程中孔隙水压力变化规律,揭示了降雨作用下泥石流形成过程中水土作用关系。本文结果为泥石流研究提供理论参考价值。     

季冻区土坡冻融界面土体的抗剪强度参数衰减

季节冰冻区土质边坡在春融期经常发生浅层滑坡,现象表明:一般情况春融期滑坡面位于冻融土体交界面处,冻融界面处的土体抗剪强度直接影响该地区土坡稳定性.设计不同配比材料形成冻融界面的抗剪强度模型试验,得到对应不同土体含水量以及冻融循环次数条件下的剪应力,计算出不同含水量和不同冻融次数条件下对应的c,φ值,依据试验结果提出冻融界面土体抗剪强度参数值随着含水量和冻融次数变化时的损伤模型.研究结果表明,抗剪强度参数随该两影响因素的增加而发生损伤.     

基于非平稳随机场的水泥土堤坝边坡可靠度分析

采用水泥固化疏浚淤泥作为堤坝填料往往会使堤坝土体参数具有较高的变异性;同时,在水泥土堤坝填筑过程中,通常设置水平排水板加速土体排水固结,这使得主固结完成后水泥土强度随排水板位置呈现一定空间变化趋势,通常的平稳或准平稳随机场模型很难表征这一趋势。为此,提出一种不排水抗剪强度垂直排水板方向衰减的非平稳随机场模型,并以水泥土堤坝边坡为例,结合强度折减法和蒙特卡洛模拟,对比提出的非平稳随机场模型和传统平稳随机场模型、深度趋势非平稳随机场模型对边坡安全系数和滑动面分布的影响,讨论模型中趋势参数对可靠度的影响。结果表明:平稳随机场模型及深度趋势非平稳随机场模型的计算结果偏于危险,提出的非平稳随机场模型既能考虑土体不排水抗剪强度沿深度方向的趋势项与随机波动项,又能考虑其沿垂直排水板方向的衰减趋势,与现有研究符合较好。