降雨诱发崩壁失稳室内试验及数值模拟研究

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崩岗是我国南方热带、亚热带花岗岩区的一种特殊土壤侵蚀类型,其巨大的侵蚀泥沙量常常会造成河流和水库的淤积,掩埋农田,毁坏水利设施等现象,严重制约区域生态环境与经济发展。崩壁作为整个崩岗最活跃的部位,在降雨条件下常常会发生土体失稳,对崩岗的发展有重要影响。因此,弄清降雨诱发崩壁失稳机理对深入理解崩岗的发展过程具有重要意义。基于此,本文以湖北通城、江西赣县、福建长汀及广东五华四个典型花岗岩区崩壁为研究对象,系统分析崩壁剖面岩土体特性(相关理化性质、水力学特征以及抗剪强度特性),揭示崩壁岩土体特性空间异质性,获取后续数值模拟分析所需参数,为数值模拟及室内模拟降雨试验典型崩壁坡体构建奠定基础;基于Geo-studio进行崩壁渗流稳定性的敏感性分析,揭示典型工况下降雨诱发崩壁失稳的关键岩土因子;采用室内模拟降雨试验计算分析降雨条件下崩壁模型坡体体积含水率、孔隙水压力以及位移场等随降雨历时变化情况,并与数值模拟分析结果对比探讨降雨诱发崩壁失稳机理;根据室内模拟降雨试验中崩壁崩塌特征,对崩壁崩塌进行简化力学分析,提出适用于崩壁崩塌的失稳判据。主要研究结论如下:(1)崩壁岩土体特性的剖面异质性主要表现在残积土层与全风化层岩土体特性(物理性质、水力学及力学强度等)的差异。粘粒含量随土层加深表现出逐渐减小的趋势,且残积土层粘粒含量(28.92%48.38%)显著大于全风化层土体(5.5436.65%),而砂粒含量则表现出相反的趋势,崩壁剖面土体质地从上至下有由黏土向壤砂土变化的趋势。液限、塑限变化规律相似,即随着土层加深,液限和塑限均有下降的趋势,其中残积土液限、塑限相对较高,变化范围分别在45.82%54.27%、32.12%38.54%之间,全风化层岩土体液限、塑限含量相对较低,其液限、塑限变化范围分别在27.2442.16%、19.4229.05%之间。(2)全风化层持水能力较残积土层差。残积土层进气值(0.2080.795 k Pa)较小,全风化层进气值(0.4914.198 k Pa)较大。总体上水分特征曲线拐点的斜率表现出随土层深度增大而增大的趋势,全风化层残余含水率(0.1010.179 cm3cm-3)小于残积土层(0.2010.289 cm3 cm-3)。花岗岩风化岩土体非饱和渗透系数随基质吸力增加而逐渐降低,且受土体孔隙分布及基质吸力的综合作用。总体而言,残积土层土体非饱和导水率较全风化层土体大,且全风化层土体渗透系数下降速率较残积土层土体更快。在低围压情况下,残积土层土体表现出较高的抗剪强度,相对来说,全风化层土体在低围压条件下抗剪强度数值较低,而在高围压条件下,抗剪强度变化未表现出明显的层次规律性。残积土层(15.6542.82 k Pa,12.7430.60°)与全风化层土体(015.23 k P,11.5934.91°)粘聚力及内摩擦角存在较大差异,其中残积土层土体黏聚力较大,全风化层土体黏聚力相对较小,而内摩擦角则表现出相反的变化规律。总体上,残积土层土体吸附内摩擦角(φb)较全风化层土体更小,且残积土层土体φb值受基质吸力的影响也较全风化层土体更小。(3)崩壁坡体在自重应力场下最大位移位于坡脚附近,而降雨条件下崩壁坡体最大位移发生在坡肩部位。降雨状态下崩壁坡体内土体受剪切破坏的区域主要集中在坡脚部位,且随着降雨历时的增加,土体所受的最大剪切应变逐渐增大。崩壁土体位移量随降雨历时呈现指数关系。FX模型拟合参数“α”、“m”、“n”及饱和导水率ks等水力学参数通过影响水分特征曲线及非饱和渗透系数曲线形状,从而对崩壁渗流稳定性产生影响。饱和渗透系数ks影响土体的非饱和渗透系数kw,从而影响水分进入土体内部的速率,参数“ks”值越小,土体非饱和渗透系数越小,崩壁渗流条件下安全稳定性系数越大。当崩岗崩壁土体初始基质吸力较低时,崩壁土体饱和度较高,土体体积含水率也较高,即参数“ψ0”值较小,崩壁渗流条件下的安全稳定性系数越低。参数“I”值越大,土体安全稳定性系数越低。土体有效粘聚力及有效内摩擦角较大时,土体非饱和抗剪强度也较大,此时崩岗崩壁的安全稳定性系数值也越大,且崩岗崩壁稳定性对土体有效内摩擦角敏感性较有效粘聚力更大。降雨入渗条件下崩岗崩壁稳定性对土体初始基质吸力、水力学特征参数“m”及“n”、有效内摩擦角及降雨强度敏感性最大,灰色关联度均大于0.84。(4)降雨入渗改变崩壁坡体应力分布,崩壁坡体浅表层土体位移较大,且最大位移集中在坡肩部位,坡肩部位有明显的向外侧位移的趋势,崩岗崩壁坡肩部位土体受张拉作用影响产生垂直裂隙。崩岗崩壁裂隙发育控制崩壁失稳,通过控制方程f(λ,X,Z,c,ψ,a)可以对裂隙发育条件下崩岗崩塌进行判断。最开始发生水分含量变化的监测点位是H1点位,该监测点湿润锋位移速率为0.161 cm min-1,随后依次为H2、H4和H3,湿润锋位移速率依次为0.153 cm min-1、0.133 cm min-1和0.116 cm min-1,表明降雨沿着水力界面逐渐向土体内部入渗,坡肩部位土体受集水区及崩壁表面水分入渗的共同影响最先形成渗流区域,而随着试验的进行坡脚处水分汇集也形成一定的渗流区。最大剪应力集中在坡脚处并向斜上方向逐渐减小,最大剪应力为1416 k Pa,表明随着降雨时间的延长,坡肩处渗流区与坡脚处渗流区逐渐发展,坡脚处土体受上部土体重力及渗流力等多方面作用导致应力集中分布。试验结束时,位移最大值主要集中在坡肩部位,最大位移量为0.540.66 mm,并沿着坡肩部位向坡体内部逐渐减小。
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