降雨诱发浅表层黄土滑坡机理实验研究

黄土较松散,内部大孔隙和垂直节理发育,因其特殊的结构为雨水的快速入渗提供了通道。降雨型黄土浅层滑坡已造成了大量的经济损失与人员伤亡。为了有效减轻降雨诱发黄土滑坡对社会和经济的影响,开展降雨型滑坡室内实验研究,具有重大的现实意义。本文旨在研究不同降雨形式和不同坡体结构对黄土斜坡变形破坏过程影响,设计并进行了3组室内物理模型实验,分别为持续强降雨斜坡实验、持续强降雨斜坡（带垂直节理）实验和间歇性强降雨斜坡实验,且每组斜坡内埋设体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器3种传感器记录其内部变化。通过对每一个黄土斜坡体内传感器的读数变化及实验现象进行分析,同时对不同实验条件下实验过程及结果进行对比,进而得出降雨条件下浅表层黄土滑坡的变形破坏规律,总结出该类滑坡的破坏模式及其诱发机理。实验前期,随着体积含水率不断增大,基质吸力逐渐减小至基本稳定,土体强度随之减小,实验后期上部土体饱和,斜坡产生的变形和土体排水不畅产生了超孔隙水压力,有效应力随之减小,土体强度减小至最小,导致滑坡产生。同时,坡体结构对斜坡稳定性的影响大于降雨形式的影响。     

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。      

灌溉引起的黄土工程地质性质变化

引水灌溉改变了黄土的原生环境,使黄土在增湿乃至饱和的过程中,微结构、物理、力学及水理性质都不同程度地发生了变化,成为诱发黄土灾害的重要条件.以甘肃省黑方台灌区为研究区,开展从原位试验到室内测试、从传统土力学到非饱和土力学、从微观到宏观的多角度系统研究,揭示灌溉引起的黄土工程地质性质变化.研究结果表明,灌溉造成黄土原生结构破坏,孔隙总量和孔隙度普遍减小,造成天然含水量、天然密度、干密度等物理性质指标增高,天然孔隙比降低,黄土压缩性和湿陷性趋低,抗剪强度降幅尤为明显;从非饱和土力学角度看,灌溉使得黄土含水量增加,基质吸力降低,非饱和黄土强度参数也随之呈递减趋势;从黄土时效变形分析看,灌溉使得黄土更易发生蠕变变形和破坏.     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

泾阳南塬Q_3黄土吸湿特性试验研究

灌溉诱发非饱和黄土破坏的实际应力路径可近似为净法向应力和偏应力均不变,而基质吸力逐渐减小的吸湿破坏过程。为研究非饱和黄土在吸湿过程中的应变特性,以泾阳南源Q_3马兰黄土为研究对象,从非饱和土角度出发,开展了控制不同基质吸力下(初始含水率)的非饱和黄土的吸湿特性试验研究。研究表明,试样在持续稳定的主应力作用下,随着基质吸力的减小土样发生变形破坏,整个变形过程中没有破坏剪切面;进一步研究发现,土样从塑限含水率到液限含水率之间,土样对水的敏感性很强。即当含水率增大到塑限含水率之后,应变快速发展,其变形特性解释了该地区Q_3黄土强的湿陷特性以及浅层滑坡和崩塌的频发的原因。最后,对于同一种土,其基质吸力与应变的变化关系曲线是类似的,曲线的差别可能是由于土样之间的差异及仪器的误差等因素造成的。     

降雨诱发堆积体滑坡水土响应与稳定性时空演化试验研究

降雨在松散堆积土中入渗引起内部水土力学的变化是影响稳定性的关键。目前研究多侧重考虑颗粒粒径、含量等因素对斜坡破坏的影响,但是针对斜坡体内部水土响应及稳定性时空演化方面的研究存在不足。基于野外滑坡案例,通过室内降雨滑坡模型试验、土力学试验和理论分析手段,研究了降雨触发松散堆积体斜坡变形破坏过程及模式,采用Van Genuchten模型（VG模型）重构了土体的土-水特征曲线,重点探究了斜坡内部水土力学变化以及稳定性时空演化规律。结果表明：（1）堆积体斜坡破坏经历了微裂隙发育-局部破坏-整体破坏3个阶段,呈现出“初期拉裂-坡面坍塌-塑性滑动”的破坏模式;（2）入渗过程斜坡体积含水率以及孔隙水压力急速增加,而土颗粒之间基质吸力下降甚至消散,促进了斜坡破坏发展;（3）土体力学强度随体积含水率升高呈指数下降,体积含水率为36.3%时,有效黏聚力和有效内摩擦角仅为0.27 kPa、3.39°;（4）基于极限平衡理论和斜坡土水特征监测数据,构建了斜坡稳定性时空演化图谱,与模型试验破坏特征有较好的一致性。研究结果对降雨作用下的堆积层斜坡监测预警与防灾减灾提供理论支撑。     

甘肃天水地区强降雨诱发黄土-泥岩滑坡机理实验研究

在甘肃天水地区每年由降雨诱发的黄土-泥岩滑坡灾害事故很多,给当地人民生命财产造成巨大损失。为探索该类斜坡的滑动破坏过程与机理,在野外地质调查、工程地质钻探及岩土体力学测试的基础上,通过室内大型物理模型实验,研究“上部黄土+下部泥岩”二元结构类型斜坡在强降雨作用下的动态变形演化过程,揭示该类斜坡的破坏机理和破坏模式。结果表明:强降雨作用下斜坡变形破坏以滑动破坏为主,水分的作用主要表现为增加土体自重、引起土体强度降低、降低结构面的抗滑力、产生孔隙水压力及降低有效应力等几个方面,斜坡的破坏模式则主要表现为坡肩侵蚀→微裂隙产生、发展、贯通→斜坡局部滑动破坏→斜坡整体滑动破坏。研究结果对天水地区该类滑坡的早期识别有重要的参考意义,可为该类滑坡的防灾减灾提供科学依据。     

黑方台黄土斜坡变形破坏机理研究

黑方台常年农业灌溉引起地下水位上升,在透水性差的粉质黏土层顶部形成了厚度不断增大的饱和黄土软弱带,导致斜坡蠕动变形诱发了大量的黄土滑坡,滑坡体在地下水的浸润作用下转化为黄土泥流向前运动。为对黄土斜坡的变形破坏机理进行分析研究,进行了8个围压下的固结不排水试验。试验结果表明:饱和黄土应力应变模式表现为强烈的应变软化剪缩型,并具有一定的稳态特性。300 kPa围压以下,试样强度丧失,土体完全液化,其余围压下的试样产生部分液化,抵抗变形能力增加,土体应力状态可划分为完全液化区和部分液化区。斜坡的变形破坏特征因上覆黄土厚度不同而有所差异,通过插值计算,黄土层厚度大于临界黄土厚度（约20 m）时,斜坡产生突发性滑动变形破坏,反之斜坡产生缓慢变形的黄土泥流。研究结果证明了黑方台削方减载治理工程的科学性,并为滑坡的防治和治理提供了一定的理论依据。     

地下水位上升下黄土斜坡稳定性分析

黄土高原一些地区,由于塬上引水灌溉使得地下水位不断抬升,造成黄土滑坡频繁发生。地下水位变化严重影响着黄土斜坡的稳定性。基于饱和-非饱和渗流理论和延伸的摩尔-库伦破坏准则,结合室内饱和和非饱和试验结果,针对泾阳南塬一典型黄土斜坡,考虑地下水位上升情况下,对其进行了瞬态饱和-非饱和渗流分析;然后将计算得到的瞬态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。结果表明:地下水位上升对暂态渗流场和斜坡稳定性有明显影响;考虑非饱和渗流和吸力强度的边坡稳定分析方法更加符合实际情况。     

泾河下游黄土台塬区滑崩灾害空间分异研究

近年来,泾河下游黄土台塬区滑坡、崩塌灾害频繁发生,严重威胁当地居民的人身安全和正常的生产生活秩序。通过现场调查发现,这些黄土地质灾害在空间上表现出"东滑西崩"的分布特征,与区内二级地貌单元具有极高的空间相关。已有研究表明,农业灌溉造成塬区东段斜坡带水文地质条件变化是诱发黄土滑坡的主要原因,但同为灌溉区的塬区西段却未能形成相同类型的地质灾害。为此,以东、西段地貌单元差异为线索,利用Modlfow水文地质数值模拟软件,分析2种地貌单元在灌溉条件下的水文地质响应。在此基础上,探讨了二级地貌单元差异对斜坡孕灾环境的影响,并利用CSD和RTC应力路径试验模拟了农业灌溉和工程挖方工况下斜坡土体的力学行为,探讨了斜坡的2种破坏模式及"东滑西崩"空间分布的成因。结果表明,研究区东段塬面完整,在长期农业灌溉条件下,斜坡带水位涨幅显著、水力坡度大、潜蚀作用强,斜坡土体中超孔隙水压力的不断增大,将导致土体在不完全排水条件下发生剪切破坏,甚至静态液化,从而诱发黄土滑坡灾害;研究区西段塬面破碎、冲沟发育、有效灌溉面积小,斜坡带径流排泄边界广、蒸发作用强、地下水位涨幅小,受工程挖方影响,干燥的斜坡土体在围向压力不断降低的条件下,将导致脆性破坏的发育和贯通,使得斜坡在节理裂隙面控制下发生突然垮塌,形成黄土崩塌灾害。     

降雨条件下黄土边坡现场试验研究

黄土边坡的变形破坏多发生于降雨期间,由此也造成了大量的损失。为减小降雨诱发黄土滑坡的影响,开展降雨型滑坡现场实验研究,具有现实意义。本文选取泾阳一天然黄土边坡为研究对象,利用自行设计的模拟降雨系统,设计并进行了3组不同雨强下的大型黄土边坡人工模拟降雨试验,旨在研究不同雨强条件下天然黄土边坡的入渗规律及变形破坏模式。通过对边坡内埋设的土壤水分传感仪、土压力盒和张力计管的读数变化及试验现象进行分析,进而得出降雨条件下大型黄土边坡现场试验的变形破坏规律,总结出该类边坡的水分入渗规律和变形破坏模式。试验结果表明,边坡入渗呈现一定的规律:降雨条件下,坡肩入渗深度和速率最大,坡脚次之,坡面最小;同时,降雨强度越大,雨水入渗速率越快,入渗时间越长,边坡相同位置处体积含水率和土压力增大幅度越大,基质吸力减小的幅度越大。降雨条件下天然黄土边坡的变形破坏模式为:坡肩侵蚀及侵蚀扩展→坡面裂隙形成扩展→坡肩裂隙形成扩展→局部滑塌;若继续降雨,则坡肩局部裂隙逐渐贯通进而形成滑面,最终导致滑坡发生。     

Numerical modeling of rainstorm-induced shallow landslides in saturated and unsaturated soils

For the assessment of shallow landslides triggered by rainfall, the physically based model coupling the infinite slope stability analysis with the hydrological modeling in nearly saturated soil has commonly been used due to its simplicity. However, in that model the rainfall infiltration in unsaturated soil could not be reliably simulated because a linear diffusion-type Richards’ equation rather than the complete Richards’ equation was used. In addition, the effect of matric suction on the shear strength of soil was not actually considered. Therefore, except the shallow landslide in saturated soil due to groundwater table rise, the shallow landslide induced by the loss in unsaturated shear strength due to the dissipation of matric suction could not be reliably assessed. In this study, a physically based model capable of assessing shallow landslides in variably saturated soils is developed by adopting the complete Richards’ equation with the effect of slope angle in the rainfall infiltration modeling and using the extended Mohr–Coulomb failure criterion to describe the unsaturated shear strength in the soil failure modeling. The influence of rainfall intensity and duration on shallow landslide is investigated using the developed model. The result shows that the rainfall intensity and duration seem to have similar influence on shallow landslides respectively triggered by the increase of positive pore water pressure in saturated soil and induced by the dissipation of matric suction in unsaturated soil. The rainfall duration threshold decreases with the increase in rainfall intensity, but remains constant for large rainfall intensity.     

甘肃黑方台滑坡类型与活动特征研究

由于农业灌溉水的长期入渗软化作用,1984-2019年甘肃黑方台已频繁发生滑坡灾害约150次,沿黄土塬边形成长约10公里的滑坡密集发育带。滑坡类型以中、小型黄土层内滑坡为主,占90%以上;大、中型黄土-泥岩顺层滑坡次之。黄土层内滑坡速度快、滑程远,突发性、频发性、继发性强;黄土-泥岩顺层滑坡速度慢、滑程近、复活性强。高陡的台缘地形和强度低、水敏感性强的岩土体和岩层倾向坡外的地质结构是滑坡发生的基础,台塬区长期大量的农业灌溉是主要引发因素,大量水体入渗软化斜坡岩土体,使抗剪强度降低,并形成了约20多米厚的饱和软弱基座,导致斜坡失稳滑动,侧压力、季节性冻结滞水和溶滤作用等也有一定影响。黄土层内滑坡高速远程滑动的主要原因是：滑坡剪出口位置高,滑动势能大,释放条件好,剪出口下部有陡坡加速段和开阔、平缓的滑动空间,滑体底部饱和软弱黏性土持续产生超孔隙水压力、液化等低摩阻效应,是远程滑动的润滑剂。黄土-泥岩顺层滑坡的主滑面沿外倾15°左右的泥岩层面发育,且剪出口位于斜坡下部坡脚部位,能量释放条件差,决定了黄土-泥岩顺层滑坡的滑动速度较低、滑动距离较短,滑体易再次复活滑动。     

甘肃永靖黑方台4·29罗家坡黄土滑坡的特征

2015年4月29日上午,甘肃省永靖县盐锅峡镇黑方台滑坡高频发区的党川村罗家坡同一斜坡处连续发生了2次大规模黄土滑坡,总体积约65×10~4m~3,最大滑距630 m,摧毁14户居民房屋和3家工厂.通过现场详细调查、取样试验、1∶500地形测量、滑坡影像、视频等资料分析,对灌溉引发的罗家坡黄土滑坡的特征、滑动过程、形成机理进行了探讨.结果表明:第1次滑坡经过近2 a变形过程,整体突然失稳,高速远程滑动;第2次滑坡变形时间仅3 h,分块逐步滑动,滑动历时长而过程复杂,总体为低速远程滑动.高陡的地形和强度低、水敏感性强的土体是滑坡发生的基础,黄土台塬区长期农业灌溉是引发因素,大量水体入渗形成了20余米厚的饱和软弱基座,使抗剪强度降低,导致斜坡失稳滑动.黄土滑坡高速远程滑动的主要原因是滑坡剪出口位置高,滑动势能大,释放条件好,剪出口下部陡坡段为主要加速段;前方有开阔的滑动空间且有一定坡度、平缓的滑道;滑体底部饱和软弱黏性土在滑道上持续产生超孔隙水压力、液化等低摩阻效应,是远程滑动的润滑剂.同时,两次滑体间还存在冲击加速和能量传递作用.     

工程切坡诱发黄土滑坡成因机制研究

伴随着城镇化进程的提速,黄土地区由于工程切坡诱发了大量的工程滑坡。为了研究典型工程黄土滑坡的成因机制,以宝鸡市扶风县飞凤山滑坡为例,开展了野外地质灾害详细调查,同时进行原位渗水试验和原状黄土、古土壤试样土-水特征曲线测试。试验结果表明：当黄土存在小孔洞等结构性问题时,渗透系数可达10-4 cm/s量级,为中等渗透性等级;土-水特征曲线试验求得古土壤的进气值为11.5 kPa,大于黄土的9.0 kPa,同时曲线也显示了古土壤和黄土干湿交替过程中,强度和变形的演化出现分化。在试验结果分析基础上,指出工程切坡是滑坡发生的主要诱发因素,由此触发了土体一系列物理化学链锁反应,尤其是强化了土-水耦合作用的影响,催化了滑坡的发生。最后,提出了飞凤山滑坡的破坏模式为滑带双向发展、兼具滑塌灾害部分典型地质特征的渐进式破坏。     

坡脚开挖诱发古滑坡复活的机制分析

黄土地区存在许多古滑坡体,由于滑后土体土质疏松,裂隙发育,在坡脚开挖作用下极易发生变形破坏,造成大量财产损失,同时也对开挖施工安全构成了极大的威胁,因此对坡脚开挖诱发古滑坡复活的失稳机制的研究十分迫切和必要。以延安市王窑村滑坡为例,通过室内试验分析了三轴应力环境下围压、含水量对土体变形破坏的影响,并运用数值模拟研究了开挖过程中最危险滑面上的应力及强度变化趋势,揭示了坡脚开挖诱发古滑坡复活的变形破坏机理。研究结果表明:坡脚开挖改变了坡体中下部的应力分布,抗滑段土方开挖减小了滑坡抗滑力,增大了下滑力,最终滑坡下滑力超过抗滑力,导致古滑坡复活。     

滑坡对降雨响应的多指标监测及综合预警探析:以赣南罗坳滑坡为例

降雨量和位移是当前降雨型滑坡监测预警最常用的指标。然而,降雨量和位移监测结果只能反映降雨作用下滑坡的变形情况,不能揭示滑坡内在物理力学性状对降雨的响应。因此,除降雨量和位移监测之外,建立包括体积含水率、基质吸力等反映滑坡动态演化过程的关键指标监测体系必将成为今后更真实地把握滑坡内在演化趋势、更准确地建立滑坡综合预警判据的最有效手段。笔者对赣南地区典型降雨型滑坡进行了多指标监测及综合预警示范研究。结果表明:(1)在降雨条件下滑坡土体内部体积含水率、基质吸力和温度等多指标均产生有规律的动态响应;(2)随着降雨的持续,滑体体积含水率与基质吸力的变化均具有显著的滞后现象;(3)体积含水率和基质吸力变化速率与滑体位移具有显著的正相关性;(4)滑体温度分布变化规律受大气温度和体积含水率的共同影响。以实测数据的滑坡稳定性分析为基准,在考虑实际降雨入渗深度与滑坡稳定性的关联度上,建立了包括日降雨量、体积含水率增加速率、基质吸力减小速率以及位移速度多元指标预警方法体系,提出了基于关键指标综合预警体系及确定方法,旨在为降雨滑坡准确预警提供新模式。     

多级旋转黄土滑坡形成机理及失稳模式

我国黄土高原面积广阔,地质灾害频繁发生。多级旋转黄土滑坡因其特征和成因复杂成为一种特殊的灾害类型。在野外详细调查、工程勘察的基础上,分析宝鸡渭北台塬边和永靖黑方台塬边多级旋转滑坡基本特征,认为渭北台塬大型黄土-红层多级旋转滑坡主要受新构造运动、河流的侧蚀、地层岩性等因素控制形成,黑方台的浅层旋转黄土层内滑坡和黄土-泥岩多级旋转滑坡则是长期黄土塬大面积漫灌的结果。同时首次建立了多级旋转黄土滑坡的3种形成演化模式：扩展式旋转滑坡、渐灭式旋转滑坡和复合式旋转滑坡,并进行滑坡实例分析,提出多级旋转滑坡局部蠕动挤压、滑坡加速剧滑失稳、滑坡调整稳定、后缘新滑坡孕育变形和滑后稳定调整5个变形阶段,为这类滑坡的稳定性评价奠定了基础。     

侵蚀作用诱发黄土滑坡的机制研究

侵蚀作用诱发的黄土滑坡是黄土高原区域内一种主要的滑坡类型,对其破坏机制开展深入研究具有重要实际意义。以陕西省耀州区的庵里滑坡为例,对该类黄土滑坡的发生机制进行分析和探讨,建立了滑坡发生前侵蚀作用的不同阶段边坡的有限元模型,计算了相应的应力场和位移场,在此基础上求得各模型沿最终滑面上的正应力、剪应力和抗剪强度分布,采用极限平衡法计算边坡整体稳定系数。结果表明,随着侵蚀作用的不断加深,沿滑动面上的剪应力增大,抗剪强度减小,整体稳定性降低至最终破坏。试验结果表明,小的应变在饱和黄土中会产生显著的超孔隙水压力,因此,基岩面上饱和滑带中的超孔隙水压力加剧了该类滑坡的发生。比较滑面上的剪应力和抗剪强度发现,自前滑坡破坏从坡脚开始,向后逐步扩展,表明该类滑坡具有牵引式破坏特点。