降雨条件下黄土边坡稳定性评价研究

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黄土边坡在降雨条件下的雨水入渗机理、力学特性研究和边坡稳定性评价对于降低滑坡等自然灾害发生的风险,保护黄土地区较为脆弱的生态环境,减少经济损失具有重要作用。以西安地区为研究背景,通过理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法,评价黄土边坡的稳定性,主要的研究成果如下:(1)通过分析降雨条件下黄土边坡的雨水渗流特点,建立降雨条件下黄土边坡物理模型,构建了考虑降雨时长、降雨强度、坡角和任意深度处的瞬态含水率表达式,探索了降雨条件下黄土边坡的入渗规律。(2)完成了非饱和黄土的三轴剪切试验,在试样含水率不断增加的过程中,土体的粘聚力会逐渐降低,内摩擦角也会降低,但是降低的速率要比粘聚力降低的速率要小。对于非饱和黄土,基质吸力和围压的变化,会引起强度的变化,随着基质吸力的不断增大,其粘聚力不断增大,内摩擦角变化不大,但是内摩擦角的度数是在缓慢变大的,表明基质吸力的变化对黄土内摩擦角的影响较小。将试验结果进行拟合,得出了随着基质吸力变化而变化的Φb的表达式以及非饱和有效应力公式中参数χ的表达式。(3)通过使用压力板仪进行了土水特征曲线试验,研究分析了非饱和黄土的土水特性,将渗流场与应力场进行了耦合。在土水特征曲线的一整个减湿增湿的过程中,不同过程中的体积含水量与基质吸力之间不是完全对应的关系,存在一定的偏差,相同基质吸力下,在减湿的过程中体积含水率会高于增湿过程中的体积含水率,这个现象和土体的孔隙大小、空间骨架结构有关。通过拟合,得到了 VG模型的相应的参数,在减湿过程中 α=0.30325,q=2.0,R2=0.98823;在增湿的过程中,α=0.11773,q=2.43843,R2=0.98198。(4)基于渗流场与应力场的耦合,通过降雨强度、降雨历时、坡角等参数,采用边坡稳定性分析的条分法,得到降雨条件下黄土边坡的安全系数计算表达式,建立降雨条件下黄土边坡稳定性分析模型,探究边坡的失稳机理,评价降雨条件下黄土边坡的稳定性。(5)基于GTS/NS有限元数值模拟软件,通过Galerkin方法构建起计算边坡稳定性的有限元方程。根据试验所得的数据建立起降雨条件下二维边坡的有限元分析模型,考虑坡角、坡高、降雨强度、降雨时长的因素,对每一种因素建立不同的分析工况,具体如下:坡角选择20°、30°、45°、60°、80°五种;坡高选择10m、15m、20m、25m、30m 五种;降雨强度选择 10mm/d、35mm/d、50mm/d、65mm/d、80mm/d,降雨时长选择0.5d、1d、1.5d、2d、3d。对于坡角、坡高、降雨强度来说,当它们都变大时,边坡的安全系数是逐渐减小的,但是坡角和坡高的变化所引起的安全系数的变化值要大于降雨强度的影响;对于降雨时长,在整个下雨的过程中,随着雨水的渗入,边坡的安全系数是逐渐减小的,减小值变化的幅度很小。
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