随着西部大开发战略的不断实施,在我国黄土地区开展了一系列的大型工程项目,为了获得足够的空间,必须进行挖山填沟造地活动。而这些人为工程活动使得黄土高原正经受着前所未有的变化,形成了大量高填方边坡。由于黄土本身就具有先天的灾变特性,再加上填方工程施工速度快、规模大且质量难以控制,从而使填方边坡在降雨等极端天气下极易发生失稳破坏,进而影响人们的生命财产安全。据此,本文通过野外实地调查,了解典型填方边坡的地质环境条件、破坏特征和致灾因素,分别选取晋、豫地区的两个典型案例,针对降雨诱发因素展开研究。通过室内物理模拟试验,对降雨条件下填方坡体内部的含水量、孔隙水压力、基质吸力、土压力、变形等参数进行监测分析,研究不同坡型的黄土高填方边坡内部渗流场、应力场和变形场的变化规律,重现边坡破坏过程,揭示填方边坡在降雨条件下的失稳模式和成灾机理。同时,采用切线角理论,对物理模拟过程中监测的位移-时间曲线和填方填土的三轴蠕变试验获得的填方黄土的变形-时间曲线进行分析,分别获得不同坡型的填方边坡的切线角判据和不同含水率试样相对应的破坏切线角判据。最后,结合现场资料、土体三轴流变试验和物理模拟试验等研究成果,建立填方边坡动态破坏预警体系,为黄土地区高填方边坡的监测预警提供了理论依据。主要研究成果如下:(1)通过对填方黄土进行常规三轴剪切试验,研究了含水率对土体的基本力学特性的影响。低含水率试样的的破坏形式主要为劈裂型。含水率较高时,试样的破坏形式主要为剪切型和鼓胀型。填方土样的黏聚力和内摩擦角随含水率的增大,呈现出逐渐降低的变化规律。(2)根据填方土样的三轴蠕变试验,在不同的含水率和围压条件下,试样呈现出不同的蠕变特性和等时应力应变特性,土样在加载瞬时均会产生瞬时弹性应变,并且瞬时变形随着加载水平的增大而增大。当加载水平低于某一临界值时,土体的蠕变呈现衰减稳定状态,当加载水平高于某一临界值时,土体都出现了加速蠕变,直至土体破坏。(3)填方坡体形态的不同,直接导致坡体内部的渗流场和应力场不同。在降雨条件下,填方边坡的降雨入渗规律为含水率的增长速率呈现出先增大、再减小、最后趋于稳定的变化规律。随着入渗深度的增加,入渗速率逐渐降低。填方边坡的力学响应规律为土体中的基质吸力的变化规律为先减小、后增大、最终趋于稳定值(浅层没有增大的过程)。随着雨水的入渗,雨水入渗区域土体孔隙水压力逐渐增大,当增大到一定值后会出现减小。坡体中侧向土压力和垂向土压力呈现出不断增大的规律。填方边坡在降雨条件下的变形-时间曲线主要为渐变型、间歇型和突发型。(4)直立型填方边坡模型的失稳破坏过程分为前缘中部破坏、左侧坡体破坏、右侧坡体破坏和中部整体破坏四个阶段。阶梯型填方边坡模型的失稳破坏过程主要分为五个阶段:坡面冲刷变形阶段、坡体局部破坏阶段、坡脚前缘破坏阶段、中部整体破坏阶段和顶部破坏阶段。(5)直立型填方边坡在降雨条件下的破坏模式主要为浅层多级块体滑移破坏和深层整体块体滑移破坏。阶梯型填方边坡在降雨条件下的破坏模式为坡面冲蚀侵蚀破坏、局部块体滑移破坏和整体滑移破坏。(6)从土水相互作用机理和填方土体蠕变作用机理分别探讨了填方边坡的失稳机理。土水相互作用机理主要表现在土水物理力学作用机理、土水化学作用机理和冲刷侵蚀作用机理三个方面。填方土体蠕变作用机理体现在随着雨水入渗,土体的含水率逐渐增大,长期强度逐渐降低,当下滑力大于长期强度时,出现加速变形,进而坡体发生失稳破坏。(7)根据物理模拟试验得到的不同类型的时间-变形曲线,建立了分别适用于直立型和阶梯型填方边坡的改进切线角判据、速度判据和加速度判据。根据不同含水率下填方填土的蠕变试验数据,基于分数阶微积分的黄土非线性蠕变模型,获得不同含水率试样相对应的破坏切线角判据。结合现场资料、物理模拟试验和土体三轴蠕变试验等研究成果,建立高填方边坡破坏综合评价指标体系,为黄土地区高填方边坡的监测预警提供了理论依据。