降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下:可采用含水率分布参数A、修正系数λ、μ表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

降雨入渗条件下土质边坡含水率分布与浅层稳定性研究

设计一种可以测量土体体积含水率的降雨入渗试验模型,通过试验得到土体初始含水率分布状态以及降雨入渗条件下土体含水率变化规律。在此基础之上,结合非饱和土抗剪强度理论与极限平衡理论,得到降雨入渗条件下土质边坡浅层稳定性计算方法。对杭新景高速公路七里连接线工程沿线土质边坡稳定性进行分析,具体结论如下：（1）可采用含水率分布参数A、修正系数α、β表征的反比例函数表示自然状态下土体的初始含水率分布规律。（2）含水率分布参数对边坡稳定性影响表现为随着A值的增大,边坡初始稳定性逐渐下降,边坡受降雨影响的敏感程度也随之下降。（3）降雨强度相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨时间越短;降雨时间相同时,初始表面含水率越大引起边坡失稳所需的降雨强度越小。（4）在相同地下水位条件下,边坡降雨强度与导致边坡失稳所需的降雨时间成反比。     

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流及稳定性分析

基于非饱和土力学理论,利用有限元法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行了探讨。数值分析表明,雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小,是导致边坡稳定性降低的主要因素。进而考察了基质吸力的不同取值及裂隙的不同位置对边坡稳定性的影响,结果表明：在降雨初期基质吸力取值越大,得到的边坡安全系数越高,但经过长时间降雨即边坡土体基本达到饱和后,基质吸力的取值不同对边坡安全系数基本上没有影响;裂隙的存在为雨水入渗提供了良好的通道,因而导致边坡稳定性相对于无裂隙状态来说有所降低。降雨初期下游裂隙使边坡稳定性降低较快,但随着降雨历时的增加,即下游土体逐渐变为饱和状态后,边坡的稳定性变化则主要由上游裂隙控制。     

青藏高原东北部黄土地区降雨入渗对土质边坡稳定性的影响研究

降雨是诱发土质边坡失稳的主导因素之一,研究降雨入渗对土质边坡稳定性的影响有着重要意义。以青海西宁盆地黄土边坡为例,结合野外现场试验和室内直剪试验,研究了降雨入渗对坡体含水量和抗剪强度的影响,采用FLAC2D软件模拟分析了降雨前后边坡的应力、位移分布特征,并通过计算安全系数对边坡进行稳定性评价。研究结果表明,雨水入渗150 min内边坡表层土层含水量急剧增加,150 min后其变化趋势逐步变缓,较深层土层含水量随雨水入渗时间呈持续缓慢增加的趋势。对于同一层土体而言,雨水入渗深度随降雨历时的增大而增加,且表层土体中雨水入渗速度先快后慢。表层土体含水量每增加1.01%,其粘聚力减小13.53 k Pa,土体抗剪强度降低16 k Pa,说明土体抗剪强度对含水量的变化极为敏感。二维有限元模拟和分析结果表明,在自重应力作用和雨水入渗条件下,研究区坡脚处出现应力集中现象,且降雨后边坡位移量、应力集中范围及应力大小明显大于降雨前,而降雨后边坡稳定安全系数比降雨前降低了21.6%,说明降雨入渗对边坡的稳定性影响较大。     

基于改进Green-Ampt模型的滑坡稳定时变可靠度分析

降雨入渗滑坡稳定可靠度分析往往仅考虑了土体参数的空间变异性,而忽略土体初始含水率非均匀性空间分布的影响。基于此,推导了不同降雨工况条件下初始含水率任一分布的Green-Ampt入渗模型,利用变步长复化Simpson法求解初始含水率不同空间分布条件下湿润锋深度与降雨历时的函数关系。结合多维正态累计分布函数Mvncdf,计算整个降雨评估基准期滑坡稳定的时变可靠度,并利用某一滑坡实例进行对比验证。计算结果表明,初始含水率空间分布的不同对降雨条件下滑坡稳定时变可靠度的影响十分明显,且相较于初始含水率为均匀和梯形分布;相同降雨条件下,指数分布时滑坡稳定时变可靠度的下降幅度最小。该改进模型适用于土体初始含水率的任意分布,有利于Green-Ampt模型在滑坡稳定性评价的普适性推广应用。     

考虑降雨的非饱和土边坡稳定性分析方法

降雨往往是引起热带和亚热带的膨胀土、残积土边坡失稳的主要促发因素。地处热带和亚热带的膨胀土、残积土往往是非饱和的，由于吸力的存在，土体抗剪强度较高，土坡是稳定的，一旦发生降雨，雨水将渗入土体，土体饱和度增加，吸力锐减并引起抗剪强度大幅度下降，当持续降雨的历时和强度超过一定程度时，则可导致土坡失稳。采用极限平衡分析方法，建立了一套能考虑水分入渗的非饱和土边坡的稳定性分析方法，该方法考虑在降雨后土坡水分为一分布场及抗剪强度参数为饱和度的函数。给出了一个计算实例。计算结果表明，降雨引起的土坡失稳往往为浅层破坏。     

考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析

基于三峡库区实测降雨资料,研究了不同初始条件对不同土体边坡稳定性影响,建议了能够反映边坡含水状态的初始条件选取方法。在此基础上,采用非饱和渗流分析方法研究了前期降雨对不同土体边坡稳定性影响,以典型的砂土和黏土边坡为例初步探索了前期降雨对边坡稳定性影响规律。结果表明：初始条件对不同土体边坡稳定性影响不同;建议将多年平均降雨量对应的稳态渗流场作为初始条件进行非饱和渗流分析。边坡土体渗透系数越低,边坡稳定性受前期降雨的影响越大、影响时间也越长。砂土和黏土边坡稳定性分析时建议至少考虑15 d以上的前期降雨,对于砂土边坡还应根据这15 d前面5 d的降雨情况确定是否需要增加计算天数。短历时高强度前期降雨对砂土边坡稳定性影响更大,而长历时低强度前期降雨对黏土边坡稳定性影响更大。累积前期降雨量可以作为判断边坡最小安全系数出现时刻的依据。砂土边坡出现最小安全系数时刻与10 d累积前期降雨量最大的时刻较为吻合,而黏土边坡则与15 d累积前期降雨量最大的时刻较为吻合。     

考虑降雨入渗的非连续性岩体边坡稳定分析

由于断层和节理切割,边坡岩体一般具有非连续特性,降雨入渗是影响其稳定的重要因素之一。应用饱和与非饱和渗流理论建立了岩体边坡的非稳定饱和与非饱和渗流分析模型,并采用块体系统的非连续变形分析建立了降雨入渗非饱和渗流场影响的岩体边坡稳定分析和评价模型。作为应用实例,对某高速公路岩体边坡在降雨入渗条件下的非稳定饱和与非饱和渗流场及其对边坡稳定性的影响进行详细分析,并对边坡的稳定性进行评价。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

降雨入渗影响下边坡中的非饱和渗流特性

为了分析降雨入渗影响下非饱和土坡渗流特性,利用自制降雨模拟系统和实时监测系统,对降雨诱发非饱和土坡失稳过程进行全方位、多参量的实时监测,研究不同降雨条件下,不同坡度、不同压实度边坡坡体不同位置雨水入渗率和湿润峰的实变规律.结果表明:降雨入渗条件下,陡坡和高压实度土体不利于雨水入渗,而缓坡和低密实度土体入渗率变化快;实际土体吸力和含水量实时变化规律不同步,提出试验湿润峰概念,含水率（吸力）湿润峰点可按含水率（吸力）实时曲线的过渡区和雨后残余含水率（吸力）的线性交叉点确定;考虑单向吸湿或脱湿路径下土体含水率和吸力具有唯一对应关系,含水率湿润峰点与吸力湿润峰点的绝对值时差即为形成湿润峰所需时间;对比湿润峰实测值与Lumb半经验值散点分布规律,基于Lumb湿润峰深度计算公式提出非线性修正表达式.      

降雨入渗条件下下蜀土边坡稳定性分析

针对下蜀土边坡在实际降雨入渗条件下稳定性规律研究的不足,以镇江典型下蜀土边坡为研究对象,根据自动化监测获得的降雨入渗下的含水率变化数据,开展了降雨入渗条件下下蜀土抗剪强度演化规律的试验研究,获得了下蜀土在实际降雨入渗下的强度及降雨入渗深度特性,并以此为基础,基于有限元强度折减法分析了降雨入渗后下蜀土边坡的稳定性变化规律。研究结果表明:下蜀土的抗剪强度受含水率影响较大,同时存在一界限含水率,在该含水率左右的下蜀土强度特性不同;随着含水率的增加,下蜀土的黏聚力先小幅减小,而后急剧减小,最后再小幅减小并最终保持稳定;下蜀土的内摩擦角则为先急剧减小,再小幅减小并最终保持稳定;随着降雨渗入下蜀土边坡后,下蜀土边坡的安全系数近似呈线性趋势减小。研究结果可为下蜀土边坡的防护治理提供理论依据,具有实际工程意义。     

降雨入渗条件下边坡岩体饱和非饱和渗流计算

简要分析了连续介质饱和非饱和渗流数学模型,并讨论了渗流有限元计算中的有关问题,同时研究了降雨入渗机理及模拟方法,在此基础上编写了非饱和渗流程序SUSC。运用该程序模拟了某边坡降雨过程渗流场的变化情况。计算结果表明,在降雨入渗作用下边坡顶部迅速被饱和,随后表面雨水逐渐向边坡深部下渗,形成从坡顶往深部压力水头等值线由高(零)→低→高的封闭现象。随着降雨的继续,边坡顶部负压区进一步缩小,且负压绝对值减小。降雨结束后,由于上部地下水的继续下渗,在边坡的一定范围、一定时间内压力水头继续升高。根据计算结果可知,局部地方的压力水头最高值出现在降雨结束2 d左右,往后整个边坡非饱和区地下水压力水头全面下降,逐渐恢复原状。模拟结果总体可靠,可作为边坡稳定性分析评价及边坡排水加固的参考依据。同时表明,运用上述饱和非饱和渗流模型及降雨模拟方法,计算降雨条件下边坡岩体的渗流场是可行的。     

细/粗粒二元结构边坡的排水防渗效果试验研究

膨胀土边坡开挖时因干-湿循环作用形成裂隙,导致降雨入渗深层土壤,影响边坡稳定性。针对传统工艺存在生态效果差与使用寿命短等不足,进行了6组兼顾生态和防渗功能的非饱和上细下粗二元结构的边坡排水防渗效果的试验研究。采用亮蓝染色示踪方法直接观测了降雨条件下二元结构水分入渗过程,其结果表明:粗粒层粒径越大,级配越差,越易形成优先渗流通道,难以形成连续的水平渗流场,排水效果差。降雨直接入渗至边坡防护层,增加了其入渗边坡土体失稳的风险。通过监测侧向与底部排水体积,分析结果表明:二元结构具有较好的防渗排水效果,其稳定排水效率和综合排水效率分别介于80%~100%和43%~79%之间,随着粗粒层粒径减小、颗粒级配变好,稳定排水效率呈先减小后增加的趋势,而综合排水效率却呈先增加后缓慢减小的趋势。因此,从排水效果和工程材料造价等角度考虑,认为方案4最优。该研究成果可为南水北调膨胀土边坡治理以及其他工程的边坡防渗问题处理提供技术支撑。     

降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡可靠度分析

土体饱和渗透系数表现为天然的变异性,为此基于Green-Ampt模型建立了考虑饱和渗透系数变异性的降雨入渗物理模型,并藉此模型确定了坡体湿润锋深度和含水率分布。然后结合无限长非饱和土边坡稳定模型得到解析形式的反映边坡稳定性的极限状态函数。采用Monte Carlo法对饱和渗透系数进行随机抽样并最终建立降雨条件下考虑饱和渗透系数变异性的边坡概率分析框架。针对一假想边坡,探讨了饱和渗透系数的变异系数、降雨持时和降雨强度对边坡破坏概率以及破坏发生时间概率分布的影响,结果表明：在降雨初期,边坡的破坏概率随饱和渗透系数变异性的增强而逐渐增加,但随着降雨的持续,破坏概率开始随变异性的增强而显著降低;滑坡最可能发生时间的大小并不受饱和渗透系数变异性的影响,而是直接取决于降雨强度;滑坡最可能发生时间所对应的概率却随变异性的增强而逐渐减小。     

降雨条件下土质边坡稳定性预测预报方法

降雨往往足引起热带和亚热带膨胀土、残积土边坡失稳的主要促发因素,考虑降雨影响的土坡稳定性预测预报是一个亟待解决的复杂的工程问题.简要介绍了一套能考虑气候影响的非饱和土边坡稳定性分析的极限平衡分析方法和一套可考虑土体非线性和几何非线性的边坡稳定分析及变形计算的有限元方法.提出了一个降雨条件下土质边坡稳定性预测预报模型,其具体思路是:首先用数值方法计算渗流场,然后利用非饱和土的强度理论推求出整个场的强度分布,再利用极限平衡分析方法或有限元方法进行边坡稳定性分析,寻求斜坡稳定安全因数与降雨特征参数(雨强,降雨持时等)相关关系,如此,即可依据气象预报进行土坡稳定性预报.     

考虑前期降雨的边坡稳定降雨阈值曲面

在经验性降雨阈值和边坡稳定性数值分析两大类研究的基础上,考虑了降雨入渗和非饱和土性质,使用岩土有限元软件Plaxis高级模式对滑坡预警降雨阈值进行研究分析。算例表明,将降雨量在降雨时间范围内分成2段后,得到的边坡稳定性变化与实际情况更接近,重新定义前期降雨为在给定初始条件下引起边坡最危险滑裂面到坡面之间土体吸力分布发生变化的降雨。前期降雨时长与潜在滑裂面最大深度成正比,与饱和渗透系数成反比。将前期降雨量引入到降雨强度—持时曲线中作为第三个空间坐标轴,将该曲线拓展为前期降雨量-降雨强度-持时曲面。通过一基岩型边坡算例展示了阈值曲面的建立方法,并通过与模型试验数据的对比验证了其可靠性。     

非饱和黄土地基降雨入渗离心模型试验及多物理量联合监测

对非饱和土降雨入渗过程及其致灾机制的深入认识有赖于室内外试验及多物理量联合监测。基于离心机超重力环境下土体响应监测技术,开展了非饱和黄土地基降雨入渗离心模型试验,测试研究了超重力环境对新研制的微型TDR探针及张力计测量的影响规律,并利用TDR、张力计及弯曲元对降雨入渗过程中土体响应进行多物理量联合监测。研究结果表明:在不同离心加速度下微型TDR探针与给定含水率土体实测原始波形重合,说明超重力环境对TDR测试没有影响,含水率的测试误差在2%以内。在离心机加速过程中,张力计所测吸力下降约2.0~2.9 kPa,当离心加速度稳定在40g时,所测吸力在10min内上升并接近常重力下土体初始吸力。在降雨入渗过程中,埋设在同一深度的TDR探针、张力计和弯曲元对湿润锋响应的时间点基本一致,降雨入渗导致土体含水率增加,基质吸力降低,剪切波速降低。这些多物理量监测数据有助于建立非饱和土含水率-吸力-剪切模量之间的关系。     

基于Green-Ampt模型的多层结构边坡降雨入渗改进计算方法及稳定性影响研究

降雨作用下,边坡土体的饱和度及含水率升高,基质吸力减小。随着降雨历时的增长,雨水入渗深度对坡体的稳定性产生影响。然而传统多层结构边坡的入渗计算方法并未考虑随入渗深度不断变化的基质吸力与层间积水点的形成,且忽略饱和层内沿坡体层面流动的部分雨水对入渗过程的影响,亦未考虑潜在滑动面位置随降雨历时的变化。将入渗过程分解为若干个子过程,并基于Green-Ampt（G-A）入渗模型对传统多层结构边坡的入渗计算方法进行改进,以对每个子过程进行求解,最后将其合并为整体入渗过程的解。在此基础上对层间积水点的形成时刻进行计算,进而分析雨水入渗深度与时间的关系,并研究降雨强度与雨水入渗深度对边坡不同位置处（湿润锋、饱和层）稳定系数和滑动面位置的影响。研究表明:（1）基于G-A模型的改进计算方法所得结果比传统多层结构边坡入渗计算方法所得结果更接近于数值模拟结果。（2）对于多层结构土质边坡,其安全系数随着雨水入渗深度的增加不断降低,并且在层间积水点形成时产生突变现象。（3）随着降雨历时和降雨强度的增大,边坡中潜在滑动面位置会产生变化,前期潜在滑动面位置出现在湿润锋处,后期则出现在饱和层交界面处。该方法提高了多层结构边坡传统降雨入渗计算方法的精度,更加全面的对多层结构边坡的稳定性进行评价,其工程应用范围亦得到进一步扩大     

福建德化霞碧滑坡渗流稳定性模拟分析

降雨入渗导致土体孔隙水压力的增大造成土体有效抗剪强度的降低,进而发生滑坡。本文建立滑坡饱和-非饱和渗流有限元模型,考虑孔隙水压力随时间和空间任意不规则分布,计算特定降雨量、降雨强度、降雨历时不同滞后时段基于渗流场的滑坡稳定性。