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降雨入渗下黄土边坡破坏机理及减灾技术研究

韩佳明  
【摘要】:开展降雨入渗引起的黄土边坡破坏机理分析及防治技术研究具有重要的理论意义与工程应用价值。本文以典型的我国黄土边坡为背景,从降雨入渗的诱发因素入手,采用非饱和黄土渗流力学理论分析、物理模型试验和有限元数值模拟相结合的方法,研究降雨入渗下黄土边坡破坏机理,评价黄土边坡的稳定性,提出降雨入渗下黄土边坡的减灾技术。基于黄土高原地区降雨特点和边坡类型分析,给出了不同类型黄土边坡降雨入渗条件下破坏的主要影响因素,建立了黄土边坡渗流场分析模型。基于多孔介质理论和水力学理论得到了二维非饱和黄土渗流的控制方程。推导出了在降雨过程中黄土边坡内部瞬态含水率的解析解,确定了雨水入渗深度和坡体表面饱和层厚度。依据Bishop的非饱和土有效应力原理中参数?与饱和度的近似关系,建立了参数?与含水率的关系,使用GDS试验系统进行应力路径试验,确定了参数?与含水率关系式中的有关系数。依据参数?与含水率的关系,建立了降雨过程中非饱和黄土有效应力与含水率的关系式,得到了随降雨而变化的非饱和黄土边坡有效应力计算式。基于非饱和黄土有效应力原理,给出了用降雨强度、降雨历时、初始含水率和位置作为自变量的非饱和黄土抗剪强度表达式,采用简化Bishop法分析饱和-非饱和黄土边坡,得到了饱和-非饱和黄土边坡稳定性评价的安全系数计算公式。完成了降雨入渗下黄土边坡破坏机理物理试验研究。通过降雨试验获得了降雨强度和降雨历时等模型试验降雨条件数据,通过含水率和密度试验获得了模型试验黄土的初始含水率、瞬态含水率、密度和干密度,拟合了瞬态含水率、浸润锋线深度、饱和层厚度、非饱和黄土有效应力与降雨强度、降雨历时、初始含水率、位置的关系式,得到了相关参数。拟合了降雨入渗黄土边坡的渗流特性参数与干密度的关系式,简化了应用渗流理论和非饱和黄土有效应力原理所得到的瞬态含水率、有效应力计算式,简化后的计算式应用起来更加方便。通过降雨入渗黄土边坡理论分析和模型试验结果对比分析,得到了二者基本吻合的结论,验证了理论分析的正确性。基于降雨入渗黄土边坡二维渗流控制方程,使用Galerkin方法建立降雨入渗下黄土边坡渗流分析的有限元方程。以降雨入渗下黄土边坡物理模型试验得到的拟合参数为基础,对不同坡角、坡高、初始体积含水率、降雨强度、降雨历时和干密度的黄土边坡稳定性进行分析,得到了基于强度折减法的降雨入渗下黄土边坡安全系数。研究表明:随着坡角和坡高的增大,黄土边坡安全系数逐渐减小,减小的幅度越来越小,安全系数变化幅度很大。随着初始含水率和干密度的增大,黄土边坡安全系数逐渐减小,减小的幅度越来越大,安全系数变化幅度较大。随着降雨强度和降雨历时的增大,黄土边坡安全系数逐渐减小,减小的幅度越来越小,安全系数变化幅度较小。基于降雨入渗下黄土边坡破坏机理分析,针对黄土滑坡和崩塌两种灾害,提出了地表和地下排水、抗滑桩、锚索、格构锚固和重力挡墙等降雨诱发黄土滑坡防治措施,给出了危险土体锚固、危险土体支撑、危险土体清除、灌浆封闭和栅栏防护等降雨诱发黄土崩塌防治措施,得到了降雨入渗下黄土滑坡和崩塌防治措施的结构设计计算式。以海则庙黄土边坡工程为依托,依据降雨入渗下黄土滑坡判据,分析了海则庙黄土边坡破坏机理。针对海则庙黄土滑坡工程,提出了地表排水、地下排水和抗滑桩联合治理措施。验证了降雨入渗下黄土边坡破坏机理及减灾技术的合理性,结论对相关研究具有参考价值。


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