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人工降雨模拟作用下的黄土高边坡稳定性研究

作　者: 丁勇
导　师: 王家鼎
学　校: 西北大学
专　业: 地质工程
关键词: 人工降雨非饱和黄土基质吸力土水特征曲线数值模拟边坡稳定
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

降雨作为黄土高边坡失稳的主要诱因已成为人们的共识,但是人们对这种关系的认识和理解还不够充分。降雨过程中,渗入土体的雨水如何运移直接关系到土坡内孔隙水压力的分布和基质吸力的变化情况,从而关系到土坡土体的抗剪强度变化情况,此外降雨入渗深度还关系到土坡失稳的滑动面位置的确定,因此研究降雨作用下黄土高边坡的稳定性具有重大现实意义和理论价值。本文在归纳、总结前人研究成果的基础上,选取山西中南部重载铁路通道沿线典型黄土高边坡为研究对象,综合室内试验与野外试验,定性与定量分析相结合,数值和传统极限平衡分析相比较,对降雨作用下黄土高边坡稳定性进行了系统详实研究,取得了一些有价值的研究成果。首先通过GDS非饱和土三轴仪,进行了不同含水率试样的吸力量测,对试验结果做了一定的分析处理,得出马兰黄土和离石黄土土水特征曲线,并在饱和-非饱和三轴试验基础上计算出非饱和黄土的抗剪强度参数。其次自行设计了野外人工模拟降雨系统,选择典型黄土高边坡进行了不同强度的降雨试验。模拟降雨等级有中雨、大雨、暴雨,降雨持时60min-90min,测量了降雨过程中边坡土压力、孔隙水压力、基质吸力、含水率等多项参数,很好剖析了降雨入渗规律。计算出黄土的饱和渗透系数约为7.282×10-6m/s,当累计降雨量达182mm,降雨影响深度达4m,这就表明,即使在没有裂缝、孔洞或滑裂面的黄土地区,强降雨也可能诱发浅层滑坡。随后在前述非饱和黄土研究的理论基础上,通过GeoStudio数值软件模拟了山西中南部重载铁路通道K62+80处的黄土高边坡在不同降雨工况下的瞬态渗流场,得出了边坡不同层位的孔隙水压力和体积含水量。最终将第四章模拟的黄土高边坡不同降雨工况下的渗流场计算结果导入GeoStudio中的SIGMA/W分析模块。采用有限元法分析了不同工况下边坡的位移和最大剪应变,再进一步采用改进的非饱和土坡极限平衡法对渗流作用下的黄土边坡进行了稳定性分析。研究成果不仅为工程实际提供设计依据,而且在基础理论和研究方法上取得了不少进展。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 选题依据与研究意义  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-13
    1.2.1 非饱和黄土的研究现状  9-11
    1.2.2 降雨作用下黄土高边坡稳定性研究现状  11-13
  1.3 研究内容及技术路线  13-16
    1.3.1 研究内容  13-14
    1.3.2 技术路线  14-16
第二章非饱和黄土试验研究  16-27
  2.1 非饱和土土水特征曲线和抗剪强度理论概述  16-18
    2.1.1 非饱和土土水特征曲线  16-17
    2.1.2 非饱和土的应力状态变量和强度理论  17-18
  2.2 非饱和黄土土水特征曲线和抗剪强度试验研究方案  18-25
    2.2.1 非饱和黄土土水特征曲线试验  18-23
    2.2.2 饱和-非饱和黄土的三轴试验  23-25
  2.3 本章小结  25-27
第三章野外人工降雨模拟试验  27-45
  3.1 野外人工降雨模拟系统简介  27
  3.2 试验点位工程地质条件  27-29
  3.3 野外人工模拟降雨试验  29-43
    3.3.1 试验设计及现场调试  29-32
    3.3.2 试验结果处理及分析  32-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章降雨入渗数值模拟  45-62
  4.1 非饱和渗流基本微分方程  45-47
    4.1.1 非饱和土水流动的基本方程  45-46
    4.1.2 定解条件  46-47
  4.2 降雨入渗理论  47-49
  4.3 数值模拟软件简介  49-50
  4.4 边坡的基本特征及水力学特性  50-51
  4.5 降雨渗流数值模拟  51-60
    4.5.1 有限元网格划分  51-52
    4.5.2 模型初始条件和边界条件  52-53
    4.5.3 渗流模拟结果分析  53-60
  4.6 本章小结  60-62
第五章降雨作用下黄土高边坡稳定性分析  62-79
  5.1 概述  62
  5.2 非饱和黄土高边坡渗流场与应力应变场耦合分析  62-70
    5.2.1 应力应变场计算的边界条件  62
    5.2.2 应力应变场计算结果与分析  62-70
  5.3 非饱和黄土高边坡稳定性分析的极限平衡法  70-78
    5.3.1 考虑基质吸力的极限平衡法公式改进  70-74
    5.3.2 降雨入渗后边坡稳定性分析  74-78
  5.4 本章小结  78-79
结论与建议  79-82
  结论  79-81
  建议  81-82
参考文献  82-86
致谢  86

人工降雨模拟作用下的黄土高边坡稳定性研究

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