降雨条件下土体潜蚀机制及诱发滑坡研究

摘要

滑坡是一种具有突发性和灾难性的地质灾害，降雨是诱发滑坡灾害的主要原因。天然斜坡在沉积、风化等作用下呈现粗细夹杂的地层条件，具有显著的空间变异特性。在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。因此，揭示降雨作用下土体潜蚀机制，研究渗流潜蚀对土坡稳定性的影响规律，具有重要的理论意义和工程实践价值。
　　本文以无限边坡为研究对象，基于多孔介质动力学和非饱和土力学理论，采用数值分析的方法，进行了有限元模拟分析，探讨了潜蚀作用对雨水入渗和边坡稳定性的影响规律。主要研究内容和成果如下：
　　1.通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程，结合非饱和土水力特性方程、土体潜蚀本构关系以及土壤转换函数，建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。
　　2.利用COMSOL软件建立均质无限边坡有限元模型，对强降雨条件下边坡土体内细颗粒运移和潜蚀进行了模拟，研究了渗流潜蚀对孔压分布和边坡稳定性的影响，探讨了饱和渗透系数、进气值和潜蚀本构模型参数对渗流潜蚀的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体，潜蚀加速了湿润锋下行速度，进一步降低边坡稳定性；饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素；当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时，饱和渗透系数越大，潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著；进气值越小，潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。
　　3.对四种不同颗粒成分土坡算例进行了渗流潜蚀模拟，引入基于非饱和土特性参数的土壤转换函数，考虑渗流潜蚀过程中颗粒成分动态变化的影响，分析了不同颗粒成分情况下，潜蚀作用对降雨入渗和边坡稳定性的影响规律。结果表明，当细颗粒含量大于30％的情况下，潜蚀作用对渗流和边坡稳定影响不明显；细颗粒含量小于30%的情况下，渗流潜蚀对边坡的稳定性有显著的影响。
　　4.采用随机场模拟土的空间变异性，对土性参数进行离散化，生成空间各点土性参数样本。对不同类型非均质性土坡的渗流潜蚀进行了有限元分析模拟，揭示了非均匀性对潜蚀发展过程及局部和整体稳定性的影响规律。
　　5.对试验配备的土样进行了土柱渗流潜蚀试验研究，观察潜蚀现象的发生，分析了土体渗流潜蚀的发展规律。观测结果表明：渗流速度与细颗粒流失累计量成非线性关系，随着渗流速度的增大，细颗粒会持续流出，但是流出量逐渐减小；累计流失质量是增加的，但其增加速率逐渐减小。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外发展现状

1.3 研究的主要内容及创新点

2 考虑土体潜蚀的非饱和土坡渗流及稳定性分析

2.1 渗流潜蚀耦合的非饱和土坡渗流模型

2.2 土体潜蚀本构模型

2.3 考虑潜蚀动态影响的非饱和土水力特性方程

2.4 渗流潜蚀耦合控制方程的有限元求解

2.5 边坡稳定性分析

2.6 本章小结

3 考虑渗流潜蚀孔隙率动态变化的降雨入渗土坡稳定性分析

3.1 数值模型和参数

3.2 边界条件

3.3 降雨入渗条件下土体潜蚀作用和孔压分布

3.4 参数影响分析

3.5 本章小结

4 考虑渗流潜蚀颗粒成分动态变化的降雨入渗土坡稳定性分析

4.1 计算模型、颗粒成分和土性参数

4.2 颗粒成分对流失量的影响

4.3 颗粒成分对孔压的影响

4.4 颗粒成分对稳定性的影响

4.5 本章小结

5 基于随机场模拟的非均质土坡渗流潜蚀稳定性分析

5.1 土的自然空间变异性和随机场理论

5.2 协方差矩阵分解法随机场模拟

5.3 二维非均质土坡的随机场模拟

5.4 高渗透性夹层的影响

5.5 顺坡方向不均匀性的影响

5.6 深度方向不均匀性的影响

5.7 本章小结

6 土柱渗流潜蚀试验研究

6.1 试验土样渗透稳定性的判定

6.2 试验装置

6.3 试验过程

6.4 试验结果及分析

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 主要研究结论

7.2 存在问题与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文