【摘 要】
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本文针对黄土地区的滑坡地质灾害问题,开展了物理模型试验和数值模拟分析,以期能在黄土滑坡灾害的变形机制和机理方面取得有益进展。论文以位于陕西省境内黄陵至延安高速公路标段号为LJ-11处的阳坡窑滑坡为依托,通过资料收集、现场踏勘和长期监测数据分析阳坡窑滑坡运营期的健康状态,通过模型几何尺寸相似,设计并开展了降雨诱发滑坡的物理模型试验,通过多手段、多方法的监测技术,对模型变形发展、降雨入渗、含水率变化、
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本文针对黄土地区的滑坡地质灾害问题,开展了物理模型试验和数值模拟分析,以期能在黄土滑坡灾害的变形机制和机理方面取得有益进展。论文以位于陕西省境内黄陵至延安高速公路标段号为LJ-11处的阳坡窑滑坡为依托,通过资料收集、现场踏勘和长期监测数据分析阳坡窑滑坡运营期的健康状态,通过模型几何尺寸相似,设计并开展了降雨诱发滑坡的物理模型试验,通过多手段、多方法的监测技术,对模型变形发展、降雨入渗、含水率变化、破坏过程等进行灾害全过程监测,研究变形破坏与降雨及入渗间的相互作用规律,并在此基础上通过数值模拟分析,再现降雨诱发滑坡破坏过程,通过数值分析结果与物理模型试验结果对比分析,研究降雨型黄土滑坡的灾害特征,揭示降雨入渗作用下的灾变机理,为黄土地区边坡、滑坡等自然灾害的防治和预测预警提供理论依据。本文的主要研究内容与结论如下:(1)在岩体力学特性方面:通过前期试验研究积累了阳坡窑滑坡区域黄土的基本物理力学特性;开展了黄土的土水特征曲线试验,研究了黄土的饱和-非饱和特性,建立了以Fredlund-Xing模型为基础、以干密度为参数的土水特征曲线经验公式,探讨了拟合参数与干密度间的关系。(2)在物理模型试验设备方面:设计了可变角度的滑坡物理模型试验箱的工作原理,并绘制了设备加工制作图纸;以依托工程区域历史降雨量统计资料为依据,设计了人工降雨设备的技术参数;研制了可用于黄土滑坡灾害过程物理模型试验的装置。(3)在物理模型测试系统方面:设计了传统传感器与分布式光纤和摄影、摄像相结合、接触与非接触相结合的物理模型试验测试系统,实现了坡体的土压力、孔隙水压力、体积含水量、坡体变形和灾害全过程记录的滑坡灾害监测系统。(4)在物理模型试验方案方面:以相似原理为依据,设计了滑坡物理模型尺寸;以区域降雨资料为依据,制定了试验降雨类型与强度方案;以滑坡变形破坏模式为依据,选定了合理的监测传感器并设计了相对于的监测方案;采用分层填筑和传感器预先定位方法与技术,制作了满足相似原理的阳坡窑滑坡物理模型,安装并调试了相关监测设备;按照既定的试验方案和步骤,有序开展了阳坡窑滑坡室内物理模型的降雨诱发的变形破坏试验。(5)在黄土滑坡变形破坏机理的物理模型试验研究方面:黄土边坡的变形破坏形式表现为侵蚀引起的浅层牵引滑动破坏;降雨过程中,土压力变化值变现为坡脚>坡腰>坡顶;含水率化表现为在降雨入渗前期含水率迅速增加后趋于平缓,坡脚的含水率较坡中和顶部先达到峰值。破坏模式可分为四个阶段,即降雨入渗坡面饱和径流-坡脚冲刷侵蚀破坏-下部坍塌形成临空面-上部坡体滑落整体破坏;这种滑坡模式发生在浅表层,深度为坡面以下0～0.2m。坡面侵蚀的过程可分为“洞蚀-片蚀-沟蚀”,即降雨初期坡面形成暂态饱和层后出现径流层,导致坡脚出现洞蚀;随着降雨持续洞穴侵蚀发展成片状侵蚀,形成浅而短的细沟;在降雨中后期沟壑侵蚀加剧,发展为深部和侧向侵蚀,这种入渗、侵蚀现象与阳坡窑滑坡现场勘察基本吻合。(6)在数值模拟分析方面:基于饱和-非饱和理论,采用ABAQUS有限元软件模拟分析了阳坡窑边坡的降雨入渗和变形演化过程。结合物理模型试验结果,分析了黄土滑坡在变形破坏过程中降雨入渗、侵蚀和渗流场的演化过程,即前期降雨导致土体润湿,浅层渗流场发生改变,在坡脚处形成暂态饱和区及暂态水压力;随着降雨持续坡面和坡顶完全饱和,土体吸水增重、浅层土体饱和度进一步提高;降雨后期坡体表面稳态发生质变,导致崩塌或流滑,促使黄土滑坡发生整体破坏,表现为浅层破坏模式。图[52]表[10]参[77]
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