干湿循环条件下非饱和黄土渗透机理及边坡稳定性研究

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西北地区的黄土常年处于降雨-蒸发干湿交替的周期性变化中,使得非饱和黄土的结构形态和水力特性总是随外界环境的变化而发生动态变化,外界环境的动态变化使得该地区非饱和黄土边坡稳定性受到影响,因此研究降雨-蒸发条件下非饱和黄土渗透特性的变化规律对维护边坡稳定性具有一定意义。本文以甘肃通渭非饱和黄土为研究对象,首先探讨了非饱和黄土边坡入渗机理;其次通过室内土-水特征曲线试验和核磁共振试验,分析干湿循环条件下不同状态黄土的土-水特征曲线变化规律,探讨其与非饱和黄土微观孔隙结构变化之间的关系;最后以土-水特征曲线试验为基础建立非饱和黄土边坡模型,进行有限元数值模拟。本文主要有以下研究成果:(1)发展了以水力学理论和多孔介质理论为基础的非饱和黄土边坡入渗模型,利用数学物理手段推导得出不同降雨强度和降雨历时对应降雨入渗条件下非饱和黄土边坡瞬态含水率计算公式,根据不同初始条件变换公式后得到降雨入渗后土体的浸润锋深度和饱和层厚度;(2)通过室内土-水特征曲线试验,得到不同干湿循环次数下原状黄土、重塑黄土基质吸力与体积含水量之间的关系曲线。探讨原状土及重塑土土-水特征曲线的差异,分析土-水特征曲线受干湿循环和初始干密度影响产生不同规律的原因;利用试验所得土-水特征曲线,有效预测出任意干湿循环次数对应的土-水特征曲线,为预测黄土的非饱和渗透系数奠定基础;(3)根据土-水特征曲线得到预测非饱和渗透系数所需基质吸力的大小,结合Childs&Collis-Geroge预测模型得到不同基质吸力对应渗透系数;根据预测结果对干湿循环次数、初始干密度与非饱和渗透系数之间的关系进行拟合,并对预测结果的准确性进行验证,为非饱和黄土边坡稳定性分析提供数据支撑;(4)利用Macro MR12-150H-I型多功能微结构分析与成像系统进行核磁共振试验,分析了不同干湿循环次数、不同初始干密度、不同烘干温度和不同土性的非饱和黄土对应T2图谱的变化规律,解释了干湿循环条件下非饱和黄土渗透特性变化规律取决于内部孔隙结构的变化情况的原因,为非饱和黄土边坡稳定性分析提供微观机理;(5)建立了以土-水特征曲线试验结果为基础的非饱和黄土边坡有限元分析模型,对不同设计工况下的非饱和黄土边坡进行渗流分析和稳定性分析,得到不同坡度、降雨强度、干湿循环次数条件下土壤体积含水量和边坡稳定性安全系数的变化规律。结果表明:边坡稳定性安全系数与坡度成反比关系,且变化趋势随坡度的增大而增大;降雨强度和降雨历时对于土壤体积含水量的作用效果明显,降雨强度越大,降雨初期的水分入渗速率越快,随着降雨历时的增加,土壤逐渐接近饱和状态,水分入渗速率降低,体积含水量变化幅度减小,且边坡在整个降雨过程中的稳定性持续减弱;此外,降雨-蒸发过程对土壤渗透特性有较大影响,会降低边坡的稳定性。
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