干湿循环作用下非饱和红砂岩土土水特性及边坡稳定性分析

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红砂岩土在我国分布广泛,江西赣南尤为发育,其地区特性明显,具有胀缩性、多裂隙性,遇水强度弱化明显。处于自然环境中的红砂岩土受降雨入渗、蒸发过程、地下水位变化等因素的影响,因而含水率常常处于动态变化状态。反复的降雨-蒸发和地下水位升降使得土体处于干湿循环过程,对土体的强度、持水性能、渗透性都有非常大的影响,会导致边坡失稳、滑坡等工程灾害。故本文以赣南地区非饱和红砂岩土为研究对象,开展了干湿循环作用下红砂岩土持水性能、渗透性、强度试验研究,并将试验结果运用到干湿循环作用下红砂岩边坡的渗流和稳定性分析中。主要研究内容及成果如下:(1)开展了干湿循环作用下非饱和红砂岩土土水特征曲线试验,分析了干湿循环次数、压实度对红砂岩土土-水特征曲线(SWCC)的影响,得到了不同干湿循环次数和压实度下非饱和红砂岩土SWCC的变化规律。结果表明,红砂岩土SWCC具有明显的双峰特性;干湿循环对其SWCC有显著影响,且第一次循环的影响最大;增大压实度可以改善干湿循环对其持水性能的影响。红砂岩土脱湿过程与吸湿过程SWCC之间存在明显的滞回效应,并通过滞回圈面积和衰减率定量分析了干湿循环对滞回效应的影响。(2)考虑了现有的F-X单峰叠加模型存在的缺点基础上,基于双峰随机堆积几何模型和孔隙中排水过程理论及其单峰SWCC模型,并引入相关参数,建立了一个能将SWCC1和SWCC2两种排水过程联系在一起且适用性强具有良好表征精度的双峰SWCC模型。研究结果表明,该模型能很好地表征非饱和红砂岩土双峰SWCC。(3)开展了不同干湿循环次数、压实度下的红砂岩饱和渗透系数试验,并结合测得的红砂岩土土-水特征曲线,采用等基质吸力区间划分的方法对不同循环次数和不同压实度红砂岩非饱和渗透系数进行计算。得到了干湿循环作用下不同压实度的非饱和红砂岩土渗透系数曲线,分析了干湿循环、压实度对非饱和渗透系数的影响,并建立了基于双峰土-水特征曲线的非饱和渗透系数计算模型,数据拟合结果表明,该模型拟精度很高,试验数据与拟合曲线基本重合,拟合相关系数均大于0.99。(4)基于测得的干湿循环作用下红砂岩土土-水特征曲线、非饱和渗透系数曲线及强度参数,在Geo-studio数值模拟软件中建立了干湿循环作用下红砂岩土边坡计算模型。根据赣州本地气候情况设定不同降雨-蒸发工况来模拟红砂岩土边坡干湿循环过程,得到了干湿循环作用下综合考虑其持水性能、渗透性、强度的衰减对边坡渗流及稳定性的影响规律,可为实际天然边坡的加固、支护和路基边坡的设计提供理论参考。结果表明,干湿循环对红砂岩土边坡渗流和稳定性有显著影响,每个干湿循环周期内,安全系数随时间变化均表现出先降后增的趋势,且都在经历第1次循环后边坡稳定性大幅度降低,在经历多次干湿循环后边坡稳定性趋于稳定。
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