降雨诱发砂质黄土滑坡识别、滑带土力学特性及形成机理研究

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砂质黄土作为特殊的易灾土体,对水的增湿作用和开挖扰动作用强烈敏感。极端降水与人类工程活动扰动作用下,在黄土高原的北部诸如以砂质黄土区带为主的陕北地区,较频繁地发生集中性、群发性的黄土滑坡灾害,严重威胁着人民生命财产安全。迫切针对砂质黄土滑坡开展机理研究,为其科学防灾减灾提供理论基础。本文依托国家自然科学重点基金“黄土滑坡的人工振动促渗促滑机理研究”等项目,聚焦黄土高原砂质黄土滑坡,基于地球系统科学从多尺度角度研究了其区域群发特征和灾害识别方法,开展了典型砂质黄土滑坡的工程地质调查及地质模型构建,试验研究了滑带砂质黄土剪切特性的吸力相关性和蠕变特性的卸载路径相关性并构建了其本构模型;基于有限元软件平台对所构建的本构模型进行二次开发,进而开展了典型降雨诱发砂质黄土斜坡的数值模拟,揭示了降雨型砂质黄土滑坡的形成机理。取得了以下研究成果:(1)基于陕北研究区域内滑坡灾害在册点与近三年发生的滑坡灾害点数据,并结合高分辨率DEM影像,查明了地形地貌、水文地质、植被覆盖、降水活动和人类活动等孕灾因子对砂质黄土滑坡的区域控制特征;进而,构建了孕灾和诱发评价因子的机器学习模型,对多源异构数据进行归一化和标准化处理,实现了研究区砂质黄土滑坡灾害的危险区划分的定量评价。(2)通过自适应Stacking基线选择技术,结合地区相干性统计阈值筛选干涉对以优化自适应的时空基线;利用Stacking-In SAR和SBAS-In SAR综合识别,提升了砂质黄土地区In SAR技术的识别信息能力和识别效率;进而,从影像形态和色调特征识别着手,改进砂质黄土滑坡识别方法,实现了研究区域典型砂质黄土滑坡的位置、形态和分布范围的圈定;在此基础上,基于所识别的典型砂质黄土滑坡的较详实工程地质调查,提出瞬发型和迟滞型两类典型砂质黄土滑坡并构建了地质模型。(3)针对瞬发型黄土滑坡的主控诱因——降雨作用,开展了不同吸力下滑带砂质黄土的水-力特性的系列试验,分析了其土水特性、临界状态特性和屈服特性,查明了滑带砂质黄土剪切特性的吸力相关性;选用骨架应力和基质吸力作为本构应力,在巴塞罗那模型(BBM)的基础上,构建了适于描述滑带砂质黄土水敏性的弹塑性本构模型,并利用带误差控制的自动子增量步显式算法实现了本构模型数值化。(4)针对迟滞型黄土滑坡的主控诱因——降雨与开挖卸载作用,对不同吸力滑带砂质黄土开展了偏应力和轴向应力恒定逐渐卸载围压路径下的三轴蠕变试验,分析了其应变-时间和等时应力-应变曲线特征,查明了卸荷应力水平和吸力对其影响程度,获取了长期强度随吸力演化规律;进而,引入屈服接近度YAI标准,并将非线性黏壶元件与Burgers模型串联,提出了修正Burgers模型以描述不同卸载应力路径下滑带砂质黄土的不同阶段的蠕变行为。(5)基于ABAQUS有限元软件的UMAT接口,利用FORTAN语言开发了所构建的滑带砂质黄土本构模型的子程序;进而,开展了降雨入渗工况下典型砂质黄土斜坡的数值模拟,揭示了不同降雨强度下斜坡体渗流场、变形场、应力场演化规律,解析了滑带塑性区发生、发展和贯通过程;在此基础上,综合地质调查、室内试验、数值模拟结果和典型滑坡形变的时空演化特征,揭示了瞬发型和迟滞型两类典型砂质黄土滑坡形成机理。
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