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

1、在我國(guó)火成巖風(fēng)化殘積，強(qiáng)地震，尾礦排土及工程建設(shè)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(shí)有發(fā)生，量大面廣。該類(lèi)降雨誘發(fā)滑坡大多為淺層滑動(dòng)，滑動(dòng)面深度1-3m。目前針對(duì)此類(lèi)滑坡的機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠深入，尚缺乏準(zhǔn)確的評(píng)估方法和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的防護(hù)措施，特別是淺層土體在低應(yīng)力水平下剪脹性、密實(shí)度和含水率變化對(duì)非飽和土體抗剪強(qiáng)度的影響還有待于進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。針對(duì)這些問(wèn)題開(kāi)展降雨入滲誘發(fā)非飽和土

2、邊坡淺層失穩(wěn)的相關(guān)研究具有重要的理論及實(shí)際意義。
　　本文通過(guò)控制吸力的非飽和砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及Ng下邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗(yàn)，研究了低應(yīng)力下非飽和砂土的抗剪強(qiáng)度及剪脹特性，驗(yàn)證了其對(duì)邊坡淺層穩(wěn)定性的貢獻(xiàn);通過(guò)不同g值下的水平地基降雨入滲離心模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了非飽和土中的吸力及降雨入滲相似率。開(kāi)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(yàn)，有效揭示了非粘性土邊坡在不同雨強(qiáng)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(shí)結(jié)合植被覆蓋防護(hù)技術(shù)。本文所做主要工作和相應(yīng)研究成果如下:
　　(1)研制了機(jī)載降雨模擬裝置，實(shí)現(xiàn)了不同雨滴粒徑(10-100μ m)的等效及全范圍降雨強(qiáng)度（1-30mm/h）的模擬。Ng下的標(biāo)定測(cè)試結(jié)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(dá)85％。建立了包括微型TDR，張力計(jì)及彎曲元的土體響應(yīng)聯(lián)合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)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(cè)。
　

4、　(2)基于Green-Ampt模型，根據(jù)相似第一定理推導(dǎo)得出了降雨入滲過(guò)程中各物理量的理論相似率（原型:模型），即入滲速率，濕潤(rùn)區(qū)飽和滲透系數(shù)和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移速率的理論相似率均為1∶N，濕潤(rùn)鋒處吸力水頭和濕潤(rùn)鋒運(yùn)移深度的均為N∶1，濕潤(rùn)鋒處吸力的為1∶1，入滲時(shí)間的為N2:1。通過(guò)不同g值(20-60 g)下離心加速過(guò)程中張力計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)吸力相似率判定準(zhǔn)則進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)不同g值下非飽和地基降雨入滲試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所推導(dǎo)理論相似率的正確性。

5、
　　(3)非飽和砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及非飽和砂土邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗(yàn)均表明，低應(yīng)力下非飽和砂土具有明顯的剪脹性。通過(guò)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(qiáng)度參數(shù)，代入到平行試驗(yàn)的數(shù)值模擬與反分析中，結(jié)果表明，非飽和砂土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及非飽和砂土邊坡失穩(wěn)離心模型平行試驗(yàn)均表明，低應(yīng)力下非飽和砂土具有明顯的剪脹性。通過(guò)Fredlund&Morge

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

7、an&Ng公式較Fredlund& Morgenstern公式更適合于低應(yīng)力下非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)的分析計(jì)算。以上事實(shí)表明，Zhan&Ng公式較Fredlund&Morgenstern公式更適合于低應(yīng)力下非飽和土邊坡淺層失穩(wěn)的分析計(jì)算
　　(4)平行開(kāi)展了三組不同雨強(qiáng)下降雨誘發(fā)非飽和粉土邊坡失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，三組試驗(yàn)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(kuò)展，最后發(fā)生淺層整體滑動(dòng)。李鶴，詹良通等針對(duì)

8、東南沿海地區(qū)殘積土邊坡提出的I-D曲線，與試驗(yàn)中雨強(qiáng)和初次破壞所需降雨歷時(shí)組成的三個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)最為接近，驗(yàn)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(guò)SEEP/W分析得到不同降雨時(shí)刻邊坡吸力分布，通過(guò)計(jì)算上覆土體自重得到不同時(shí)刻邊坡淺層一定深度處土體豎向有效應(yīng)力值，通過(guò)Zhan&Ng公式及Bolton公式確定淺層土體強(qiáng)度參數(shù)，通過(guò)SLOPE/W分析得到不同時(shí)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(shí)結(jié)合植被覆蓋防護(hù)技術(shù)，利用上述分析方法對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了效果驗(yàn)證。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)再壓實(shí)處理后，土體滲透系數(shù)降低，邊坡滲入雨量較再壓實(shí)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(jīng)歷相同降雨量后，有植被層的再壓實(shí)邊坡淺層土體吸力較無(wú)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(shí)后土體密實(shí)度增加，其強(qiáng)度特性類(lèi)似于超固結(jié)土，需考慮剪脹角的影響，剪脹角使再壓實(shí)土抗剪強(qiáng)度增加，從而使