降雨作用下的混合土边坡渗透特性及稳定性研究

摘要

在我国川西山区广泛分布着一种土粒径跨度大，在历史地震或自然作用下由于崩塌、滑坡等运动后形成的崩坡积混合土，由这种土所构成的天然边坡常在降雨、地震荷载和交通荷载等因素下变形失稳，导致大量的生命财产损失。因为川西地区崩坡积混合土具有非饱和特性，所以探究在降雨条件下这类混合土边坡的渗透特性，对川西地区边坡的稳定性评估和滑坡灾害的预报具有重要参考意义。　　本文以川西地区崩坡积混合土(后文也简称为“混合土”或“川西混合土”)为研究对象，通过室内渗透试验研究了在不同粗料含量和干密度的情况下混合土试样的饱和渗透系数变化规律，并通过土-水特征试验对不同干密度的混合土土-水特征曲线进行研究，再使用统计模型对非饱和情况下混合土的渗透系数函数进行预测研究。同时利用GeoStudio软件建立了六种降雨工况下混合土边坡的有限元模型，分析得到了不同降雨持时、降雨强度、前期降雨、边坡坡度和土体饱和渗透系数等因素下，边坡体积含水量和孔隙水压力的分布特征及其对应渗流场作用下边坡稳定性变化规律。本次研究主要得到了以下结论：　　(1)崩坡积混合土的饱和渗透系数与粗料含量、干密度均呈非线性关系：当粗料含量小于30%时，渗透系数随粗料含量的增长变化缓慢；当粗料含量大于30%时，渗透系数随粗料含量增长变化速率增大；饱和渗透系数随着干密度的增大而减小。用VanGenuchten模型对不同干密度下的混合土土-水特征曲线拟合，拟合效果良好，且模型参数与干密度呈现一定规律。混合土非饱和渗透系数和基质吸力呈非线性关系，且基质吸力一定时，干密度越大的混合土，渗透系数越大。　　(2)混合土边坡表层、浅层土体受降雨影响最大，深层土体受降雨影响很小，故应对混合土边坡浅层滑坡的可能性引起重视。降雨初期，边坡表层土体基质吸力和安全系数下降幅度远大于后期。　　(3)等雨强，持时越长，混合土边坡受降雨影响深度更大，安全系数越低；等雨量，长持时低强度的降雨比短持时高强度的降雨对边坡稳定性更不利。雨强越大，边坡湿润锋发展更深，对边坡稳定性削弱更大。　　(4)前期降雨和边坡坡度均是通过影响混合土边坡初始渗流场的分布从而影响整个降雨入渗过程：前期雨强越大，后期降雨过程中边坡表层孔隙水压变化幅度越小，安全系数越小，但安全系数降幅更低；坡度越大，湿润锋发展越深，对稳定性更不利。　　(5)当土体饱和渗透系数小于降雨强度时，混合土边坡表层土体达到饱和，雨水沿坡面形成径流，安全系数几乎不变；当饱和渗透大于降雨强度时，渗透系数越大，降雨入渗深度更大，边坡稳定性更差。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 非饱和土特性研究现状

1.2.2 降雨条件下边坡渗流研究现状

1.2.3 降雨条件下边坡稳定性研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第2 章降雨条件下的饱和-非饱和渗流理论

2.1 引言

2.2 非饱和土的基质吸力

2.2.1 基质吸力的定义

2.2.2 吸力测量技术方法

2.3 饱和-非饱和渗流基本方程

2.3.1 达西定律

2.3.2 饱和-非饱和渗流基本微分方程

2.3.3 饱和-非饱和渗流分析的定解条件

2.4 降雨入渗流理论

2.4.1 降雨入渗基本理论

2.4.2 降雨入渗的定解条件

2.5 小结

第3 章 川西混合土渗透特性的试验研究

3.1 引言

3.2 混合土的室内渗透试验研究

3.2.1 混合土的基本物理性质

3.2.2 室内渗透试验方案

3.2.3 室内渗透试验结果

3.3 混合土的土-水特征曲线试验研究

3.3.1 土-水特征曲线的定义

3.3.2 试验方案及结果

3.3.3 土-水特征曲线的拟合

3.4 混合土的非饱和渗透系数预测研究

3.4.1 基于统计模型预测非饱和土渗透系数的原理

3.4.2 川西混合土渗透系数预测结果

3.5 小结

第4 章降雨条件下川西混合土边坡渗流数值分析

4.1 引言

4.2 有限元数值模拟分析软件

4.3 数值模型的建立和计算方案的设计

4.3.1有限元网格划分和参数定义

4.3.2初始条件与边界条件的设定

4.3.3 降雨条件及计算方案设计

4.4 降雨条件下边坡渗流数值计算结果分析

4.4.1 降雨持时对边坡渗流的影响

4.4.2 降雨强度对边坡渗流的影响

4.4.3 前期降雨对边坡渗流的影响

4.4.4 边坡坡度对边坡渗流的影响

4.4.5 土体饱和渗透系数对边坡渗流的影响

4.5 小结

第5 章降雨条件下川西混合土边坡稳定性分析

5.1 引言

5.2 降雨条件下非饱和土边坡稳定性分析机理

5.2.1 非饱和土的抗剪强度理论

5.2.2 降雨条件下非饱和土边坡稳定性分析方法

5.3 降雨条件下边坡稳定性计算模型

5.3.1 有限元数值模拟分析软件简介

5.3.2 有限元数值模型建立

5.4 降雨条件下边坡稳定性计算结果分析

5.4.1 降雨持时对边坡稳定性的影响

5.4.2 降雨强度对边坡稳定性的影响

5.4.3 前期降雨对边坡稳定性的影响

5.4.4 边坡坡度对边坡稳定性的影响

5.4.5 土体饱和渗透系数对边坡稳定性的影响

5.5 小结

结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果