植被根系对边坡稳定性影响的离心模型试验研究

摘要

近年来，非饱和含根均质边坡在雨水作用下的失稳问题，已经成为地质环境学以及环境岩土工程研究的热点课题。大量与地质灾害事故有关资料显示，雨水是最常见的引发失稳、降低坡体稳定性的气候条件。因此，对降雨条件下植被覆盖边坡浅层滑坡进行试验研究，分析植被根系对边坡稳定性的影响，具有极大探索价值和实践意义。本文从植被覆盖边坡稳定性着手，采用理论基础分析、离心模型试验和数值模拟相结合的方式，深入研究了渗流作用下含根坡体变形破坏的方式、方向、运动线路和规模，探讨了不同根系形态对边坡稳定性的影响。取得主要成果如下：　　(1)研制开发了一套可以在离心机内水位提升以及模拟根系蒸腾作用的试验装置，装置包括坡体水位高度控制系统、根系蒸腾作用模拟系统、坡体失稳过程摄录系统三大部分。利用整套试验装置可以实现对试验全过程坡体内应力应变、渗流路径、位移变形、基质吸力变化等数据的监测与记录，并可以通过实时观察的画面对试验过程进行远程调整。　　(2)试验中湿润锋从坡后逐渐向坡面推移，渗流作用下，非饱和坡体逐渐向饱和转变，坡体强度不断减小，基质吸力和有效应力降低，模型发生破坏。对各组的破坏过程和现象特征进行汇总，可将水位提升触发植被坡体破坏的模式定义为从坡面中下部开始并向上延伸的逐级式破坏，根据破坏的特征可将其分为四个阶段，分别为试验初期水位较低时的缓慢变形阶段、水位升高后坡体快速失稳阶段、破坏后小变形阶段以及试验结束前的稳定阶段。　　(3)以tap、plate、heart三种典型根系形态为代表制作模型根，分组进行试验，通过对各组失稳表观特征、水分运移特征、位移变形特征的对比，根系的存在提升了坡体稳定性，限制了滑坡失稳的范围，推迟了滑坡发生的时间。根型的不同对坡体稳定的影响主要表现在加固深度和加固面积占坡面面积的比例上，加固深度增加会推迟坡面破坏的时间，而加固面积占比越大，坡顶的初期沉降就会越小。　　(4)在经典的滑坡预警模型斋藤模型的基础上，对坡面位移变形时程曲线和速率曲线进行深入分析，得到了20mm/d滑坡位移变形预警阈值，即当边坡连续产生20mm/d的变形速率，即可发出为期3天的预警。若边坡有根系加固，则该预警时间间隔将会被延长，tap型根和plate型根的时间会延长至5天，heart型根会延长至13天。　　(5)在模型试验的基础上，根据根系加固深度和范围、坡体的水土特征曲线等参数，利用岩土数值模拟软件，通过合理设置边界条件还原试验加载过程，并对根系力学加固性能以及蒸腾作用进行模拟，量化根系加固作用下坡体的稳定性提升，得到确定的安全系数数值。发现蒸腾作用对坡体稳定性提升十分明显，同时对比三种根系，Heart型根由于具有最大的加固深度和加固范围，表现出最好的加固效果，其加固坡体的安全系数相对于tap型根和plate型根有22.7%和89.7%的显著提升。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 渗流诱发坡体失稳破坏研究现状

1.2.2 植被根系固土的力学效应研究现状

1.2.3 植被根系护坡的水文效应研究现状

1.2.4 根系护坡的离心模型试验研究现状

1.3 研究内容

1.4 技术路线

第2 章离心模型试验方案设计

2.1 土工离心模型试验原理与误差分析

2.1.1 相关缩放比尺

2.1.2 粒径效应

2.1.3 边界效应

2.2试验设备介绍

2.2.1 离心机参数

2.2.2 数据采集系统

2.2.3 传感器类型与标定

2.3模型根的形态设计与力学参数测定

2.3.1 根系典型形态

2.3.2 模型根制作

2.3.3 模型根参数测定

2.4 试验用土物理性质

2.5 试验方案与工况设计

2.5.1 模型相似比及尺寸

2.5.2 坡体水位高度控制系统

2.5.3 根系蒸腾作用模拟系统

2.5.4 坡体失稳过程摄录系统

2.5.5 测点与模型根布置

2.5.6 模型填筑工法

2.5.7 模拟工况设计与加载时间

第3 章试验现象及稳定性分析

3.1 模型试验现象综述

3.1.1 M4组模型试验现象

3.1.2 M5组模型试验现象

3.1.3 M7组模型试验现象

3.1.4 M8组模型试验现象

3.1.5 M9组模型试验现象

3.1.6 M10 组模型试验现象

3.2 破坏模式分析

3.2.1 失稳破坏阶段划分

3.2.2 水位与坡面含水率

3.2.3 水位与坡面吸力

3.2.4 水位与坡面位移

3.2.5 破坏模式

3.3 根系对坡体稳定性的影响

3.3.1 失稳表观特征

3.3.2 水分运移特征

3.3.3 位移变形特征

3.4 级配对坡体稳定性的影响

3.5 滑坡位移变形预警分析

3.5.1 滑坡位移预警方法

3.5.2 根系边坡失稳预警阈值

3.6 本章小结

第4 章 根系对坡体稳定性影响数值分析

4.1 根系作用模拟

4.1.1 力学作用模拟

4.1.2 蒸腾作用模拟

4.2 模型参数与边界条件设置

4.3 计算流程

4.4 数值计算结果验证

4.4.1 失稳表观特征

4.4.2 水分运移特征

4.4.3 位移变形特征

4.5 植被覆盖坡体稳定性分析

4.5.1 水位高度与安全系数

4.5.2 根系力学参数与安全系数

4.5.3 蒸腾作用强度与安全系数

4.5.4 根系形态与安全系数

4.6 本章小结

第5 章结论与展望

5.1 结论

5.2 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