降雨条件下砂土覆盖层滑坡渗流及稳定性分析

论文摘要

砂土覆盖层是指覆盖在基岩之上的松散堆积体或沉积物,主要组成物质为砂土,降雨会对砂土覆盖层的稳定性产生不利影响,是引起其产生滑坡的主要因素。该类滑坡具有分布广泛、发生频繁、危害巨大等特点。本文将以砂土覆盖层作为研究对象,基于降雨入渗基本理论和和滑坡稳定性评价方法,采用室内降雨模型试验、砂土水力特性实验与数值模拟分析等手段相结合,研究降雨条件下砂土覆盖层滑坡的渗流变化规律、破坏模式及稳定性情况,并探讨在砂土覆盖层滑坡的发展变化过程中坡度、降雨强度、地质结构体对其造成的影响。取得的主要研究成果如下:1.开展了室内降雨诱发砂土覆盖层滑坡模型试验,借助开发研制的综合地质环境模拟实验装置（由模型槽和人工降雨系统组成）及测量系统（包括各类传感器及监测记录仪、高清工业相机）、图像处理技术等,完成了降雨条件下砂土覆盖层降雨入渗过程以及坡体变形、坡体内体积含水率、孔隙水压力、基质吸力变化情况的研究。试验前对降雨强度的均匀度、各传感器的精度进行了标定试验,结果满足试验要求,同时完成了对所选材料基本物理性质的测试。2.通过室内降雨模型试验的观测记录及比较分析,得出了降雨条件下砂土覆盖层滑坡的渗流发展变化以及变形破坏规律,探讨了坡度、降雨强度、地质结构体在砂土覆盖层滑坡发展变化过程中产生的影响,并总结得出降雨条件下砂土覆盖层滑坡的破坏模式。（1）降雨初期,湿润锋下移,砂土覆盖层底部的入渗速率最大,孔隙水压力、体积含水率、基质吸力变化最快,而中部和顶部的变化相对较慢,坡体变形不明显,由于降雨冲刷作用,变形相对集中于砂土覆盖层浅表层区域;随着湿润锋抵达基岩面,覆盖层整体逐渐趋于饱和状态,体积含水率、孔隙水压力达到一个较大值,基质吸力减小,渗流作用逐渐加强,坡体变形开始不断增加;在破坏出现前,孔隙水压力产生较大波动状态,渗流变化频繁且剧烈,坡体变形显著;降雨进入中后阶段,破坏从覆盖层底部发展至顶部,孔隙水压力逐渐减小至趋于稳态,基质吸力有所增加,坡体内部渗流作用减弱,砂土覆盖层逐渐达到整体失稳破坏状态。（2）坡度、降雨强度、地质结构体对砂土覆盖层滑坡的发展变化起着重要的影响。坡度增大,砂土覆盖层底部降雨入渗速率有所提高,覆盖层整体达到饱和状态后内部渗流作用更为强烈,变形破坏发展更为显著,整体稳定性降低;降雨强度增大,砂土覆盖层整体降雨入渗速率得到提高,覆盖层整体更快达到饱和状态,渗流变化、变形破坏的发展时间提前,整体稳定性降低;取消砂土覆盖层下伏基岩的设置,模型由二元地质结构体转变为单一地质结构体,整体性大幅增强,渗流变化及坡体变形发展缓慢,整体稳定性得到提高。（3）降雨条件下砂土覆盖层滑坡的破坏模式为逐级倒退式破坏,其破坏发展过程主要分为三个阶段,第一阶段为砂土覆盖层表层遭受强烈的冲刷侵蚀作用,第二阶段为砂土覆盖层底部出现拉裂破坏,第三阶段为裂缝上移,形成逐级破坏,最终导致砂土覆盖层达到整体失稳破坏。3.采用瞬态脱湿吸湿实验装置（TRIM）,在脱湿和吸湿状态下完成对砂土试样的水力特性实验,基于一维流动下的Richards方程,通过van Genuchten-Mualem模型对砂土试样中与水力作用相关的参数进行反演计算,再利用HYDRUS-1D软件对实验获取的数据进行相应拟合,最终精确得到了砂土体的水力特性参数以及土水特征曲线（SWCC）和渗透系数曲线（HCF）。4.基于降雨入渗基本理论及边坡稳定性评价方法,借助GeoStudio软件的SEEP/W、SIGMA/W和SLOPE/W模块,根据室内降雨模型试验的设计方案和相关数据以及TRIM试验所得到的砂土水力特性参数,完成降雨下砂土覆盖层滑坡的数值模拟分析。数值模拟与试验结果较为吻合,但是在降雨后期渗流的变化规律、坡体变形的规律性以及砂土覆盖层滑坡的破坏模式分析方面,二者存在一定的差别,这主要与模型边界效应、砂土体密实性和均一性的差异、初始基质吸力分布不均等因素的存在有着很大联系。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
•   1.1 研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 砂性土研究现状
•     1.2.2 降雨型滑坡研究现状
•     1.2.3 滑坡模型试验研究现状
•   1.3 研究内容及技术路线
• 2 降雨入渗理论及滑坡稳定性评价方法
•   2.1 降雨入渗的基本理论
•     2.1.1 降雨入渗过程
•     2.1.2 非饱和土渗流理论
•     2.1.3 降雨入渗模型
•     2.1.4 土水特征曲线与渗透系数函数
•   2.2 滑坡稳定性评价方法
•     2.2.1 土体抗剪强度
•     2.2.2 极限平衡法
•     2.2.3 数值分析法
•   2.3 本章小结
• 3 降雨诱发砂土覆盖层滑坡模型试验
•   3.1 模型试验装置
•     3.1.1 综合地质环境模拟实验装置
•     3.1.2 测量系统
•   3.2 试验装置调试和传感器标定
•     3.2.1 人工降雨系统降雨强度与均匀度的标定
•     3.2.2 渗压计标定
•     3.2.3 土压力盒标定
•     3.2.4 基质吸力监测仪零位调整
•   3.3 模型试验方案
•     3.3.1 试验材料
•     3.3.2 试验模型成型及传感器埋设
•     3.3.3 降雨模型试验开始
•   3.4 本章小结
• 4 砂土覆盖层渗流与变形破坏分析
•   4.1 降雨下砂土覆盖层滑坡发展过程
•     4.1.1 G1 试验滑坡发展过程
•     4.1.2 不同坡度试验滑坡发展过程
•     4.1.3 不同降雨强度试验模型滑坡发展过程
•     4.1.4 不同地质结构单元试验滑坡发展过程
•   4.2 降雨下湿润锋的运移规律
•     4.2.1 G1 试验湿润锋的变化
•     4.2.2 不同坡度试验湿润锋的变化
•     4.2.3 不同降雨强度试验湿润锋的变化
•     4.2.4 不同地质结构单元试验湿润锋的变化
•   4.3 降雨下体积含水率的变化规律
•     4.3.1 G1 试验体积含水率的变化
•     4.3.2 不同坡度试验体积含水率的变化
•     4.3.3 不同降雨强度试验体积含水率的变化
•     4.3.4 不同地质结构单元试验体积含水率的变化
•   4.4 降雨下孔隙水压力的变化规律
•     4.4.1 G1 试验孔隙水压力的变化
•     4.4.2 不同坡度试验孔隙水压力的变化
•     4.4.3 不同降雨强度试验孔隙水压力的变化
•     4.4.4 不同地质结构单元试验孔隙水压力的变化
•   4.5 降雨下基质吸力的变化规律
•     4.5.1 G1 试验基质吸力的变化
•     4.5.2 不同坡度试验基质吸力的变化
•     4.5.3 不同降雨强度试验基质吸力的变化
•     4.5.4 不同地质结构单元试验基质吸力的变化
•   4.6 降雨下坡体变形规律
•     4.6.1 G1 试验坡体变形情况
•     4.6.2 不同坡度试验坡体变形情况
•     4.6.3 不同降雨强度试验坡体变形情况
•     4.6.4 不同地质结构单元试验坡体变形情况
•   4.7 本章小结
• 5砂土体水力特性实验
•   5.1 TRIM实验装置及工作原理
•   5.2 TRIM实验过程
•   5.3 TRIM实验结果
•   5.4 数据处理
•   5.5 本章小结
• 6 降雨下砂土覆盖层滑坡破坏及稳定性分析
•   6.1 砂土覆盖层滑坡的破坏模式及机理
•   6.2 降雨诱发砂土覆盖层滑坡数值模拟
•     6.2.1 GeoStudio分析模块简介
•     6.2.2 建立数值分析模型
•     6.2.3 降雨条件下模型渗流变化的数值结果
•     6.2.4 降雨条件下模型变形的数值结果
•     6.2.5 降雨条件下模型稳定性的数值结果
•   6.3 本章小结
• 7 结论与展望
•   7.1 结论
•   7.2 展望
• 参考文献
• 附录
•   A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
•   B.学位论文数据集
•   C.作者在攻读学位期间参与的科研成果目录
•   D.作者在攻读学位期间申请的专利
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李洋

导师: 文海家

关键词: 砂土覆盖层,降雨入渗,破坏模式,滑坡稳定性,砂土水力特性

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,地质学,工业通用技术及设备

单位: 重庆大学

分类号: P642.22

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000904

总页数: 130

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