基于离心模型试验的降雨诱发根土坡体破坏机理研究

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在降雨诱发的土质边坡滑坡失稳过程中,水分条件改变是重要诱发因素。在滑坡灾害的防治措施中,植被护坡因为成本低,同时具有绿化环境和提升景观效果等优点被广泛应用。但目前针对植被根系对于边坡的加筋固土作用和调节水分作用还未有完善成体系的研究。本文在降雨条件下植被覆被土质边坡的稳定性分析中,考虑根系以及降雨对土体含水率、基质吸力等物理力学特性的改变,进而产生对土体抗剪强度指标的影响。本文主要通过离心试验、数值模拟等方法,研究根土边坡降雨过程中雨水径流、冲刷、入渗的过程,探究坡体内部水分运移的模式以及根系对边坡浅层土体水分场的影响,讨论根系对坡体稳定性的影响问题,取得主要结论与认识:(1)对离心试验所使用的砂土进行三轴剪切试验,得到不同含水率状态下土体应力-应变关系以及抗剪强度指标。实验结果表明,该种砂土有效内摩擦角跟随含水率的改变在28°和31°之间变化,随含水率变化不大。有效粘聚力的最小值和最大值分别为1.81k Pa和6.84k Pa,变化规律不明显。(2)通过离心模型试验,总结根系加固砂土边坡在降雨条件下的破坏模式,划分根土边坡降雨条件下的变形破坏阶段。发现根土边坡降雨作用下的变形明显减少,坡面冲沟深度与坡面破坏程度也更低。根系加固对于土坡水平方向的位移起到了更好的限制作用,根系加固深度较加固面积对坡体整体变形产生影响更大。(3)对比不同深度处基质吸力和坡底孔隙水压响应速度的差别,探究了不同根系对于边坡水分渗流产生的阻滞作用与截留作用。其中直根、板状根和心型根加固边坡较未加固边坡截留作用提升9.7%、37.7%和54.2%。(4)边坡土体含水率随跟随不同的降雨阶段出现明显的响应变化。板状根蒸腾作用影响深度较浅,直根和心型根由于深度较深,因此蒸腾作用影响范围更深,干燥区域深度更深。直根、板状根和心型根加固边坡相对于未加固边坡对于坡体水分调控作用增加了106%、76%和134%。(5)本文基于FLAC3D平台,编写根土边坡降雨非饱和渗流场以及应力场计算程序对降雨根土边坡数值模拟计算,对计算结果中含水率的变化规律进行分析。以结束时刻不同深度含水率的平均值评价不同加固形式的根系对于坡体水分场的影响,直根、板状根、心型根系、直根加密和直-板混合加密加固边坡相比无根边坡水分减少,由此得到的根系对于边坡水分场的影响因子为1、1.85、1.63、2.53和2.61,与根系表面积比基本一致,但受到根系深度影响有所区别,较浅的板状根带来的坡体降雨含水率影响更大。(6)总结模拟计算结果中降雨过程坡体水平变化规律,发现坡体水平位移跟随降雨阶段进行增加;且呈现阶段性变化,降雨速率快,雨停后速率慢,速度逐渐增加。直根、板状根、心型根系、直根加密和直-板混合加密加固边坡相比无根边坡水平位移减小12.0%、6.0%、5.9%、17.6%和11.8%,较大根系深度和密度对边坡位移的限制起到了更好的作用。
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