降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下:可采用含水率分布参数A、修正系数λ、μ表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下（如持续降雨条件下）可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。     

入渗条件下某非饱和土坡稳定性的动态分析

土坡在进行稳定性计算时传统的极限平衡分析方法对于同一土体多采用单一的土体强度参数。近年来,人们致力于土体含水量与抗剪强度之间的关系研究,试验证明不同的含水量下土体的抗剪强度指标有很大变化。在连续的降雨条件下,在土体内部形成渗流改变土体的含水量会引起抗剪强度的变化,随时间和渗入量的不同土坡稳定性将随之改变。基于降雨条件下边坡饱和—非饱和渗流计算,利用土水分离土条自重法计算在不同时刻土坡的动态稳定系数,同时分析潜在滑动面的变化规律。     

降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下：（1）可采用含水率分布参数A、修正系数α、β表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。（2）含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。（3）降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。（4）在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

考虑抗剪强度衰减特性的膨胀土边坡稳定性分析

针对传统膨胀土边坡稳定性分析中无法考虑膨胀土在降雨入渗过程中抗剪强度动态衰减的问题,本文开展了室内直剪试验,系统研究了干密度和含水量变化对膨胀土抗剪强度指标的影响;同时,以试验抗剪强度结果为参数,开展了基于强度折减法的膨胀土边坡稳定性分析,获得了抗剪强度动态衰减过程中边坡稳定性的变化规律。结果表明,含水量的增加和干密度降低会造成膨胀土黏聚力和内摩擦角的衰减,黏聚力衰减显著,内摩擦角衰减较少;膨胀土边坡稳定性主要受风化层土体含水量控制,随着膨胀土含水量的增加,膨胀土边坡逐渐由稳定状态演变为欠稳定状态;干密度对膨胀土边坡稳定性的影响则相对较小。     

降雨入渗条件下下蜀土边坡稳定性分析

针对下蜀土边坡在实际降雨入渗条件下稳定性规律研究的不足,以镇江典型下蜀土边坡为研究对象,根据自动化监测获得的降雨入渗下的含水率变化数据,开展了降雨入渗条件下下蜀土抗剪强度演化规律的试验研究,获得了下蜀土在实际降雨入渗下的强度及降雨入渗深度特性,并以此为基础,基于有限元强度折减法分析了降雨入渗后下蜀土边坡的稳定性变化规律。研究结果表明:下蜀土的抗剪强度受含水率影响较大,同时存在一界限含水率,在该含水率左右的下蜀土强度特性不同;随着含水率的增加,下蜀土的黏聚力先小幅减小,而后急剧减小,最后再小幅减小并最终保持稳定;下蜀土的内摩擦角则为先急剧减小,再小幅减小并最终保持稳定;随着降雨渗入下蜀土边坡后,下蜀土边坡的安全系数近似呈线性趋势减小。研究结果可为下蜀土边坡的防护治理提供理论依据,具有实际工程意义。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法

降雨往往是引起热带和亚热带的膨胀土、残积土边坡失稳的主要促发因素。地处热带和亚热带的膨胀土、残积土往往是非饱和的，由于吸力的存在，土体抗剪强度较高，土坡是稳定的，一旦发生降雨，雨水将渗入土体，土体饱和度增加，吸力锐减并引起抗剪强度大幅度下降，当持续降雨的历时和强度超过一定程度时，则可导致土坡失稳。采用极限平衡分析方法，建立了一套能考虑水分入渗的非饱和土边坡的稳定性分析方法，该方法考虑在降雨后土坡水分为一分布场及抗剪强度参数为饱和度的函数。给出了一个计算实例。计算结果表明，降雨引起的土坡失稳往往为浅层破坏。     

考虑降雨影响的膨胀土边坡稳定性分析简化法

基于非饱和土一维降雨入渗模型,模拟了膨胀土边坡在降雨入渗条件下的水分运移特征。通过试验,研究了膨胀土抗剪强度随含水量变化的关系,提出了一种考虑降雨入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析的简化方法。研究表明,随降雨历时的增加,边坡的安全系数逐渐变小,边坡最危险滑动面有向浅层发展的趋势。这种方法既能避免繁杂的基质吸力测量,同时能够考虑膨胀土的非饱和性,可以基本满足一般中小型工程设计的需要。      

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。     

渠坡非饱和膨胀土含水率与强度关系试验研究

南水北调中线渠首段渠坡土主要为膨胀土,渠坡膨胀土含水率的变化会影响坡体稳定性。为了探究含水率变化对渠坡稳定性影响的具体特征,对采集自南水北调中线渠首段的渠坡膨胀土进行了滴定直剪试验,获得了渠坡膨胀土抗剪强度指标与含水率的关系曲线,试验结果表明：抗剪强度随含水率增加而明显衰减,衰减过程先快后慢;试样初始含水率越低,黏聚力...     

荆门非饱和膨胀土的变形与强度特性试验研究

通过压力板试验,对比分析了荆门原状膨胀土与石灰改良土持水特征的差异性;应用非饱和土三轴仪,开展了原状膨胀土、石灰改良膨胀土与重塑膨胀土的变形及强度特性试验。结果表明：①石灰改良膨胀土与原状膨胀土相比,其进气值有显著降低,残余含水率显著升高,土-水特征曲线两个特征点的斜率较为平缓,说明其水稳定性较好,土体性状更为稳定;②原状膨胀土和石灰改良膨胀土在非饱和与饱和状态的应力-应变关系曲线均呈应变软化型,随净围压的增大,应变软化的程度趋缓;随含水率的减小,峰值应力增大,应力峰值点有所提前,应变软化现象更加显著。饱和重塑膨胀土的应力-应变关系呈应变强化型,非饱和重塑膨胀土则呈现为应变软化型,但其应变软化的程度较前两类土大为趋缓;③经石灰改性后,膨胀土强度参数值有大幅度提高,即使在湿化饱和后,石灰改良膨胀土仍保持了相对稳定的力学性质和较高的抗剪强度参数值。相比之下,无论是重塑膨胀土,还是原状膨胀土,对湿化作用均十分敏感,其强度参数值或波动较大,或整体水平较低。     

根据参数反演结果分析非饱和黄土边坡破坏机理

边坡的变形破坏本质上有两方面的因素控制,(1)开挖或堆载引起斜坡内应力的重分布; (2)地表水渗入或地下水变动引起其抗剪强度的变化。大部分黄土路堑边坡位于地下水位以上,斜坡开挖以后,应力不再改变。 如果不是在人工灌溉区,其破坏大多可归结为降雨入渗引起的黄土抗剪强度的降低。对于非饱和黄土来讲,其孔隙水压力为负值,传统的Terzaghi有效应力原理不适用于Mohr-Coulomb抗剪强度公式,而Bishop的非饱和土有效应力公式中参数测定周期很长,技术还不是很成熟,目前在实际工程中应用还不现实。如何基于目前常规的测试方法,合理地确定边坡抗剪强度参数,是值得研究的问题。本文对局部发生滑坡的山西吉家塬黄土路堑51.6m高边坡,采用Bishop法反演边坡c、值; 取边坡上的黄土样,测了不同含水率试样的直接快剪强度参数。将试验结果与反演结果对比发现,含水量在接近土样塑限时的直接快剪试验结果与反演结果较为接近。塑限是土的一个状态界限指标,即固态到塑态含水量的界限值。土由固态进入塑态,土强度显著降低,此时最容易发生变形破坏,这符合土体稠度状态和强度变化的本质。因此建议在黄土边坡设计中,一般可取塑限含水量下的直接快剪强度指标作为边坡稳定性评价的指标。     

膨胀土边坡非饱和渗流及渐进性破坏耦合分析

膨胀土边坡受降雨影响产生膨胀变形,是典型的非饱和土多场耦合问题。为探究降雨入渗对其渐进性破坏的失稳过程,基于饱和-非饱和渗流理论、膨胀土弹塑性本构关系和应变软化理论,利用应变软化模型、FLAC3D二次开发平台和内置FISH语言,提出了一种综合考虑非饱和渗流、膨胀变形和应变软化的多场耦合数值分析法。结合工程实例,通过该方法探讨了降雨入渗条件下膨胀土边坡非饱和渗流、位移响应及渐进性破坏的变化规律。结果表明:膨胀变形和应变软化受控于非饱和渗流的时空分布,对边坡位移响应过程影响显著,也易导致饱和-非饱和分界带形成剪应力集中区。膨胀土边坡渐进性破坏由局部破坏转变为整体性失稳,其塑性破坏区首先随悬挂型暂态饱和区的变化向坡内扩展,雨后逐渐形成第二条由坡脚向坡顶扩展的滑动带,呈现出多重滑动性和后退牵引式的破坏特征。     

冻融循环下初始含水率对非饱和膨胀土剪切特性试验

为探究冻融循环条件下初始含水率对膨胀土偏应力-应变关系和剪切特性的影响,本文对不同初始含水率的非饱和膨胀土进行了不固结不排水三轴剪切试验。结果表明：1）非饱和膨胀土的偏应力-应变曲线的形式随含水率增大由应变软化逐渐转变为应变硬化,偏应力峰值随含水率增大而降低;2）非饱和膨胀土的抗剪强度随初始含水率的增加呈线性下降趋势;3）非饱和膨胀土在第1次冻融循环后偏应力及抗剪强度大幅度下降,在3~7次冻融循环后达到稳定。初始含水率是影响非饱和膨胀土力学性质的主要原因。     

考虑初始含水率分布的覆盖层边坡非饱和入渗过程与稳定性计算方法

根据覆盖层边坡特性设计室内降雨试验模型,提出初始含水率分布沿高程呈反比例分布。根据边坡表面未饱和时降雨入渗受总降雨量控制的基本假设,建立了不排水状态下覆盖层边坡降雨入渗的解析计算方法。基于上述降雨入渗理论,考虑非饱和土抗剪强度变化规律,建立适用于非饱和覆盖层边坡的边坡稳定性计算方法。分析了覆盖层厚度、初始含水率分布参数以及覆盖层边坡角度对边坡稳定性的影响规律。具体结论如下:(1)覆盖层边坡内部初始含水率分布可采用反比例分布近似表示,基于总降雨量控制假设,得到可考虑初始含水率分布的覆盖层边坡降雨入渗解析计算方法。(2)基于半无限空间体边坡假设,给出覆盖层边坡在降雨入渗条件下不同位置滑动面的稳定系数计算方法。(3)在相同降雨量条件下,边坡初始稳定性随覆盖层土体厚度的增加而下降。降雨入渗对覆盖层边坡稳定性的影响随着上覆土层厚度的增加而减小。(4)当降雨量相同时边坡稳定性随着覆盖层土体初始含水率分布参数的增加而下降,降雨时间越长,初始含水率分布对边坡稳定的影响越明显。(5)不同角度的覆盖层边坡稳定性均随降雨量增加而逐渐减小。在初始状态下边坡角度增加所引起的最小稳定系数下降幅度最大,随着降雨量的增加,边坡稳定性受角度影响逐渐减小。     

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。