增湿条件下黄土陡坡变形特性及稳定性分析

降雨入渗诱发的黄土边坡病害屡见报道,黄土遇水软化以及近坡表非饱和区基质吸力降低是边坡失稳的主要原因。本文采用有限差分数值计算软件,通过软件内置语言编制相关计算程序,考虑降雨过程中非饱和区基质吸力、非饱和渗透系数以及土体强度参数的变化情况,并采用自定义非饱和土强度折减法对降雨过程中黄土陡坡稳定性进行评价。研究结果表明:降雨入渗对非饱和黄土陡坡的稳定性影响很大,随降雨历时增加,湿润锋线不断向坡体内部推进,非饱和区基质吸力减小,边坡安全系数降低;边坡最大水平位移出现在坡脚处,潜在滑动面呈现出浅层滑动趋势。     

降雨对黄土边坡稳定性影响的分析

基于非饱和黄土的抗剪强度特征,分析比较了降雨条件下不同坡高、坡度、初始干密度、初始含水量对黄土边坡安全系数的影响。     

陕北黄土边坡瞬态安全系数的研究

以陕北府谷县黄土边坡为研究对象,采用常规直剪试验和常规三轴不固结不排水试验,研究了陕北Q3黄土抗剪强度随含水量变化的规律,并提出黄土随含水量变化的抗剪强度公式;运用非饱和土壤水分运动理论,建立了以体积含水率为因变量的降雨入渗模型,并求出其数值解,根据陕北地区的降雨特点,设定不同的降雨类型,分析了不同的降雨条件下Q3黄土边坡瞬态体积含水率分布规律;在此基础上建立考虑降雨入渗影响的Q3黄土边坡瞬态安全系数的计算公式并编制了计算程序,分析不同降雨条件对陕北黄土边坡稳定性的影响.     

降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验研究及其渗透系数求解

 为研究降雨条件下一维土柱的入渗规律及求解非饱和土体的渗透系数,开发一套模拟降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验装置,对非饱和重塑黄土土柱做了4组不同降雨强度下的一维垂直入渗试验,得到不同降雨强度下垂直土柱的入渗率时程曲线、浸润峰深度时程曲线及监测点体积含水率的变化规律;提出计算非饱和土体渗透系数的新方法,并结合试验结果,得到试验土样非饱和渗透系数与基质吸力的关系曲线。结果表明：(1) 降雨强度对垂直土柱的入渗影响较大,当降雨强度小于土柱最小入渗能力时,入渗率等于降雨强度;当降雨强度大于土柱最小入渗能力时,入渗率时程曲线呈无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段变化。(2) 不同降雨强度下,土柱出现积水点和饱和点的历时不同,降雨强度越大出现积水点和饱和点的时间越短,有压入渗阶段越长。(3) 在同一降雨强度下,监测点距土柱上表面越远,其体积含水率时程曲线越密集;而同一监测点,降雨强度越大,其体积含水率时程曲线越稀疏。(4) 非饱和重塑黄土渗透系数随基质吸力的增大而减小,且渗透系数的对数与基质吸力呈线性变化。     

陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

降雨入渗条件下非饱和黏土边坡稳定性分析

大量研究表明,主要且直接诱发边坡失稳的主要因数是降雨,雨水入渗对非饱和土质边坡稳定性的影响最大。分析非饱和黏土边坡基质吸力和渗流场影响,采用有限元软件FLAC2D建立非饱和黏土边坡的数值模型,研究计算在降雨强度不同条件下,降雨时间相同和降雨总量相同这两种情况对边坡稳定性的影响。结果表明:非饱和黏土边坡内部的剪应变增量随降雨强度的变大而增大,边坡的位移也和降雨强度呈正相关关系,降雨强度越大越容易造成黏土边坡表层失稳。     

非饱和结构性黄土的强度特性试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。首先在控制基质吸力的条件下进行了原状黄土与重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标、Fredlund抗剪强度公式中参数b、以及Bishop抗剪强度公式中参数的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压试验,测试了不同含水率原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水率下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和之间的关系。得到非饱和黄土的b和值随构度分别有单调的变化规律;相同构度值条件下,原状黄土的b和值均大于重塑黄土的值,反映了两种非饱和土结构性状的差异。     

降雨入渗对非饱和黄土边坡稳定性的影响分析

开展降雨条件下黄土边坡的非稳态渗流有限元计算,分析降雨过程中黄土边坡孔压分布以及边坡稳定系数的变化规律,得出以下结论:降雨导致的非饱和黄土边坡表层土体基质吸力丧失是诱发浅层滑坡的重要原因。     

黄土塬地区非饱和结构性黄土的强度特性研究

为了揭示黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的结构性强度特性的有关规律,完善非饱和土的非线性模型,获得关于黄土塬地区非饱和黄土的变形和强度特性及相关参数,以陇东Q3原状及重塑黄土为对象开展试验研究,对不同初始吸力及不同净围压下的非饱和黄土进行了三轴固结排水剪切试验,研究了黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的变形特性、临界状态、强度参数及吸力变化特性。研究结果表明:原状黄土的剪切破坏表现出明显的剪缩现象,重塑土试样的变形出现剪胀和应变软化现象,剪切变形会出现明显的剪切带现象;不同初始吸力下,原状土偏应力与体应变临界状态线均成线性关系,而非饱和重塑黄土体应变受干密度的影响较大,试验过程中,较大干密度的试样出现了先剪缩后剪胀的现象;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随吸力的增大而增大,有效内摩擦角受吸力影响较小,可近似为一常数,非饱和重塑黄土的强度受基质吸力和干密度的影响较大,但对内摩擦角的影响较小;试验得出黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的强度参数,且求得的原状土参数K比重塑土参数K受吸力的影响更大。     

黄土的非饱和特征参数与结构性的试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。本文首先在控制基质吸力条件下进行了原状黄土和重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标,Fredlund抗剪强度公式中参数b,以及Bishop抗剪强度公式中参数χ的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和χ均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和χ均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压强度试验,测试了不同含水量原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水量下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和χ之间的关系。     

非饱和黄土的强度特征

以初始基质吸力为条件，根据大量的试验测定和分析，得到了非饱和黄土的粘聚力与基质吸力的相关关系；阐述了非饱和黄土的抗剪强度随基质吸力的变化特征；给出了临界基质吸力的计算式。为进一步采用控制吸力试验，揭示非饱和黄土抗剪强度的基本规律作了初步探索     

非饱和重塑黄土强度与屈服特性试验研究

为研究非饱和重塑黄土的强度与屈服特性,在控制吸力的条件下以黄土三轴剪切试验为基础,研究了重塑黄土的应力-应变曲线、强度与屈服特性。试验结果表明：在试验控制吸力条件下,重塑黄土的破坏形式均呈塑形破坏;在同一吸力、不同净围压作用下,重塑黄土从理想塑形破坏（或弱硬化型）向强硬化型发展;在p-q面内,强度包线几乎呈直线;黏聚力c随吸力增大而增大,但内摩擦角φ变化较小;不同吸力作用下,重塑黄土的εr-log（q／p）关系曲线呈三阶段分布,得到了非饱和重塑黄土的屈服应力（ps,qs）。     

基于Mein-aLarson模型的非饱和锐利浸润锋模型

降雨入渗模型在渗流理论、地质灾害评价等方面具有重要的理论意义及工程应用价值。基于饱和入渗的Mein-Larson模型及李宁等学者提出的非饱和入渗模型,利用非饱和土的Van Genuchten水土特性及渗透系数模型,提出了简化的非饱和锐利浸润锋模型,用以分析均匀含水率土体及含水率随深度变化的土体,其含水率、浸润深度、吸力等随雨强、降雨持时的变化。通过3种模型在不同工况下与有限元模拟结果进行对比,验证了本文提出的模型能更好的描述黄土中的非饱和水分迁移。     

剪切速率对非饱和黄土抗剪强度影响的试验研究

针对非饱和黄土具有的特殊结构强度,进行了不同剪切速率下的直接剪切试验和三轴试验,通过分析不同剪切速率和不同垂直压力对直剪抗剪强度的影响,得出了与饱和软土不同的结论,并指出非饱和黄土直接剪切试验的剪切速率宜为1.0 mm/min。     

动扭剪荷载作用下非饱和黄土动力特性试验研究

通过对黄土的动扭剪试验研究了非饱和黄土的动孔隙压力特性、动强度特性以及振陷变形特性。非饱和黄土在动扭剪试验过程中，随着轴向变形的发展，孔隙气压力逐渐上升，而孔隙水压力则基本保持不变或后期略有升高，且非饱和黄土和饱和黄土的强度及变形特性存在明显差异；同时，分析了含水量、固结应力和固结比对黄土动力特性的影响。     

非饱和黄土动残余应变关键影响参量与量值估算

 通过分析非饱和黄土动残余应变的物理过程与力学机制,研究影响动残余应变的关键参量;结合室内动(静)三轴试验数据,提出应用关键影响参量求算该动残余应变的分布拆解方法。结果表明,非饱和黄土动残余应变实质上是土体广义固相介质响应外部动荷载作用的再固结过程,其关键影响参量可归纳为土体广义固相介质的强度、体积特征和外部动荷载特征。强度特征对应土体抵御外部荷载的能力,可用室内土工测试获取的黏聚力与内摩擦角宏观表征;体积特征反映土体潜在的再固结性态,可用表征土体欠压密程度的孔隙比描述。基于非饱和土三相概念的分布拆解方法,其求算过程具备较为明确的物理含义,对建立合理、实用的非饱和黄土动(静)塑性形变本构关系具有理论意义。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

降雨入渗对湿陷性黄土边坡稳定性影响

在降雨环境下,湿陷性黄土边坡容易出现失稳现象。基于陕西某黄土边坡评估工程对降雨作用下湿陷性黄土边坡稳定性进行评估,具体结论如下:对于湿陷性黄土边坡而言,随着降雨时间的增加,水体入渗的深度逐渐增加,边坡安全系数逐渐降低;在渗流作用下,土体强度衰减比越小,边坡的安全系数越小;为了保证湿陷性黄土边坡稳定性,应该注意边坡坡面的防水,防止降雨入渗削弱边坡稳定性。