降雨誘發(fā)非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)離心模型試驗及分析方法.pdf

1、在我國火成巖風化殘積，強地震，尾礦排土及工程建設挖方傾倒形成大量松散非飽和土邊坡，每年雨季期間失穩(wěn)滑坡時有發(fā)生，量大面廣。該類降雨誘發(fā)滑坡大多為淺層滑動，滑動面深度1-3m。目前針對此類滑坡的機理認識還不夠深入，尚缺乏準確的評估方法和經濟實用的防護措施，特別是淺層土體在低應力水平下剪脹性、密實度和含水率變化對非飽和土體抗剪強度的影響還有待于進一步研究，降雨誘發(fā)淺層土體失穩(wěn)分析方法有待于試驗數(shù)據(jù)的驗證。針對這些問題開展降雨入滲誘發(fā)非飽和土

2、邊坡淺層失穩(wěn)的相關研究具有重要的理論及實際意義。
　　本文通過控制吸力的非飽和砂土無側限抗壓強度試驗及Ng下邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗，研究了低應力下非飽和砂土的抗剪強度及剪脹特性，驗證了其對邊坡淺層穩(wěn)定性的貢獻;通過不同g值下的水平地基降雨入滲離心模型試驗，驗證了非飽和土中的吸力及降雨入滲相似率。開展了降雨誘發(fā)非飽和粉土邊坡淺層失穩(wěn)的離心模型試驗，有效揭示了非粘性土邊坡在不同雨強下的降雨入滲規(guī)律及淺層失穩(wěn)模式，建立了考慮剪脹性的非

3、飽和土邊坡淺層失穩(wěn)分析方法及淺層再壓實結合植被覆蓋防護技術。本文所做主要工作和相應研究成果如下:
　　(1)研制了機載降雨模擬裝置，實現(xiàn)了不同雨滴粒徑(10-100μ m)的等效及全范圍降雨強度（1-30mm/h）的模擬。Ng下的標定測試結果表明裝置性能穩(wěn)定，霧化效果良好，降雨均勻系數(shù)可達85％。建立了包括微型TDR，張力計及彎曲元的土體響應聯(lián)合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超重力下非飽和土體含水率，吸力及剪切波速的多物理量聯(lián)合監(jiān)測。
　

4、　(2)基于Green-Ampt模型，根據(jù)相似第一定理推導得出了降雨入滲過程中各物理量的理論相似率（原型:模型），即入滲速率，濕潤區(qū)飽和滲透系數(shù)和濕潤鋒運移速率的理論相似率均為1∶N，濕潤鋒處吸力水頭和濕潤鋒運移深度的均為N∶1，濕潤鋒處吸力的為1∶1，入滲時間的為N2:1。通過不同g值(20-60 g)下離心加速過程中張力計實測數(shù)據(jù)對吸力相似率判定準則進行了驗證，通過不同g值下非飽和地基降雨入滲試驗結果驗證了所推導理論相似率的正確性。

5、
　　(3)非飽和砂土無側限抗壓強度試驗及非飽和砂土邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗均表明，低應力下非飽和砂土具有明顯的剪脹性。通過Fredlund&Morgenstern公式，和Zhan&Ng公式與Bolton公式兩種方法分別確定了非飽和砂土的強度參數(shù)，代入到平行試驗的數(shù)值模擬與反分析中，結果表明，非飽和砂土無側限抗壓強度試驗及非飽和砂土邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗均表明，低應力下非飽和砂土具有明顯的剪脹性。通過Fredlund&Morge

6、nstern公式和Zhan&Ng公式分別確定了非飽和砂土的強度參數(shù)，代入到平行試驗的數(shù)值模擬與反分析中，結果表明，Zhan&Ng公式計算所得破壞時安全系數(shù)Fs及滑面均與實測結果更為吻合。Fredlund&Morgenstern公式計算所得邊坡安全系數(shù)值明顯低于1，真實的安全系數(shù)被低估了20-30％。Fredlund&Morgenstern公式預測破壞g值明顯低于實測值，而Zhan&Ng公式預測破壞g值與實測值更為接近。以上事實表明，Zh

7、an&Ng公式較Fredlund& Morgenstern公式更適合于低應力下非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)的分析計算。以上事實表明，Zhan&Ng公式較Fredlund&Morgenstern公式更適合于低應力下非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)的分析計算
　　(4)平行開展了三組不同雨強下降雨誘發(fā)非飽和粉土邊坡失穩(wěn)離心模型試驗，研究結果表明，三組試驗下的失穩(wěn)模式均為先在近坡腳處發(fā)生局部失穩(wěn)，后失穩(wěn)范圍逐步擴展，最后發(fā)生淺層整體滑動。李鶴，詹良通等針對

8、東南沿海地區(qū)殘積土邊坡提出的I-D曲線，與試驗中雨強和初次破壞所需降雨歷時組成的三個數(shù)據(jù)點最為接近，驗證了該警戒曲線的有效性
　　(5)建立了考慮剪脹性的非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)分析方法，通過SEEP/W分析得到不同降雨時刻邊坡吸力分布，通過計算上覆土體自重得到不同時刻邊坡淺層一定深度處土體豎向有效應力值，通過Zhan&Ng公式及Bolton公式確定淺層土體強度參數(shù)，通過SLOPE/W分析得到不同時刻邊坡安全系數(shù)
　　(6)提出

9、了松散非飽和土邊坡淺層再壓實結合植被覆蓋防護技術，利用上述分析方法對該技術進行了效果驗證。結果表明，經過再壓實處理后，土體滲透系數(shù)降低，邊坡滲入雨量較再壓實處理前大幅減少。地表植被的蒸騰作用可提高邊坡淺層土體初始吸力，經歷相同降雨量后，有植被層的再壓實邊坡淺層土體吸力較無植被層的明顯升高，以上兩種措施均可有效保持淺層土體的初始吸力。再壓實后土體密實度增加，其強度特性類似于超固結土，需考慮剪脹角的影響，剪脹角使再壓實土抗剪強度增加，從而使