降雨作用下坡面土体断裂破坏机制研究

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边坡破坏是全球性的地质灾害,给人类带来了巨大的财产和生命损失。针对降雨条件下的土质边坡破坏,采用试验手段、极限平衡法、断裂力学及蠕变等研究方法,对边坡的破坏机制进行研究,得到如下创新性结论:(1)自主研发了松散土体断裂韧度测试方法及系统,土体的抗拉强度很低,在三点弯曲试验原理基础上,为避免加荷方向与试样重力方向在同一直线上,将试样沿底边旋转90°,采用水平加荷方式,使试样重力与加荷方向垂直,巧妙避免了重力对试验结果的影响。用此仪器测试了不同含水率和土石比下的土体断裂韧度。(2)分析了边坡张拉—剪切复合滑动机理,构建了的土质边坡在静水压力、渗流力、径流冲刷和重力作用下的开裂模型,建立了降雨作用下的边坡内部拉应力的计算方法,得出了土质边坡饱和区与拉应力之间的关系,并推导出了潜在拉裂面的开裂判据,确定边坡的开裂位置。将边坡的饱和深度根据蠕变阶段进行了安全深度的划分:减速蠕变饱和深度,等速蠕变饱和深度和加速蠕变饱和深度。(3)将边坡的拉裂缝类比为宏观裂纹,建立了在重力、裂缝水压力、冲刷力和渗流力作用下的拉裂缝扩展的荷载计算方法,并将拉裂面断裂模型分解为2部分:均匀拉应力和裂缝水压力,运用断裂力学建立了拉力缝尖端断裂扩展的断裂强度因子计算公式。提出了用应力强度因子和饱和区计算拉裂缝深度的概念,根据应力强度因子将降雨作用下的拉裂缝的扩展分为三个阶段:即不扩展阶段,受饱和区控制扩展阶段,失稳扩展阶段。(4)通过试验模型边坡内部拉应力在同一饱和深度下,是随着坡长的增加而增加的;而在同一饱和深度下,内部拉应力是随着坡长的增加而增加的。由此可以知道边坡后缘的拉应力最大,在降雨的情况下最容易拉裂。当边坡坡顶存在垂直裂缝时,在无雨水入渗的情况下,边坡的稳定系数随裂缝开展深度的增加变化并不明显,在雨水入渗下,边坡稳定系数随坡顶裂缝的扩展明显下降,裂缝边坡的临界拉裂缝深度值也表现的越来越不明显,甚至临界裂缝深度完全消失。
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