强降雨条件下大孔隙斜坡非平衡渗流特性与失稳机理研究

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我国东南沿海地区花岗岩残积土分布十分广泛,如花岗岩残积土中大孔隙所占比例达2.40%~48.72%,是典型的大孔隙结构。在台风等强降雨条件下,雨水优先从大孔隙中入渗至土层深处,进而诱发边坡浅层失稳垮塌,而传统非饱和渗流理论无法对这一现象进行合理的描述。鉴于此,本文通过文献调研、理论分析、室内试验与数值模拟相结合等手段,对台风强降雨条件下斜坡水分非平衡运移机理以及斜坡浅层失稳机制进行了较为系统研究。主要结论如下:1、通过室内降雨土柱试验与双重渗透理论结合进行大孔隙的长度、直径、连通性等10种工况试验研究表明:考虑大孔隙时湿润锋极值近乎是不考虑大孔隙的2倍,浸润剖面范围较广;增大雨强加速大孔隙流的产生,非均匀湿润锋值更大;大孔隙流现象随着大孔隙直径与长度的减小而减弱,土体压实度增大提前1h产生大孔隙流;大孔隙全连通、上连通与下连通湿润锋值分别为60cm、47.6cm和33.5cm;大孔隙弯曲角度越大,48cm深处含水率值增长速率减慢;考虑大孔隙土柱深处孔压响应更快,且孔压峰值提高近0.4kPa,土表不易产生积水,导水性增强;工况1、2模拟结果规律与试验结果规律基本相同。2、基于室内降雨边坡试验考虑大孔隙和雨强等5种工况的试验结果与双重渗透率理论结合分析表明:考虑大孔隙情况下边坡含水率和孔压响应较不考虑大孔隙快,并且土压力增值幅度达到66%,竖向位移计提前85min达到极值,径流量与流速减小,边坡提前近1h大规模破坏;雨强增大,坡体蠕变变形及竖向位移增大,坡面径流量与流速增加,边坡提前185min破坏;增大坡高对水分场影响较小,边坡最终破坏程度更大;坡度增加,坡面径流量与流速增大,边坡更早发生最大规模破坏;边坡试验工况模拟结果规律与试验结果规律基本相同。3、基于双重渗透与稳定系数场法耦合理论对边坡考虑大孔隙、参数等5类工况的模拟计算与分析表明:稳定系数场法可以很好地模拟浅层失稳情况;雨强2mm/h时,考虑大孔隙边坡稳定性更高,边坡失稳破坏面积减小41%,雨强10mm/h时,大孔隙边坡稳定性下降幅度较大,失稳破坏面积增大39%;雨强越大,边坡失稳面积最大增值达5.34m2,剖面失稳深度值增大;边坡失稳破坏面积随降雨时间增加;水分场随着坡度的增大影响较小,但破坏面积区域最高增幅近4倍;随着参数ωf和μ值增大,边坡局部稳定性下降最大幅度分别为44%和6.8%,参数rw值的增大主要影响两域水分交换峰值,对边坡局部稳定性几乎无影响。
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