降雨入滲作用下凍土斜坡失穩機理研究

《降雨入滲作用下凍土斜坡失穩機理研究》是依託北京交通大學，由沈宇鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：降雨入滲作用下凍土斜坡失穩機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：沈宇鵬
• 依託單位：北京交通大學

項目摘要

青藏高原多年凍土在秋末時的季節融化深度最大，同時在降雨的誘發作用下，凍土邊坡常在這個時期出現失穩。暖季降雨入滲致使多年凍土凍融交界面的含水量增加、基質吸力降低、抗剪能力降低、融化深度加大，從而導致邊坡失穩。項目從研究降雨入滲機理出發，自行研製設備，模擬在不同坡麵條件（坡度、初始含水量、乾密度、融化深度）、不同氣象特徵（雨強、降雨歷時、雨水溫度）下，凍土邊坡的滲流規律，為凍土邊坡穩定性評價提供依據。改進常規的直剪儀，測試凍融交界面上的抗剪強度；在直剪過程中壓入水分模擬降雨入滲，測試凍融交界面上水分增加時，強度折減規律；根據多年凍土的熱-流-固三場的物理意義，編制用戶材料程式，採用強度折減法，模擬降雨入滲時凍土邊坡失穩過程。

結題摘要

降雨入滲使凍土邊坡熱平衡發生變化及邊坡土體的基質吸力的減小，改變了土體的抗剪強度，導致凍土邊坡的失穩。 項目主要開展了以下三個方面的研究內容： （1）進行了降雨過程中凍土邊坡的滲流規律研究。通過室內模型試驗，分析了降雨歷時、降雨雨強、初始含水量、邊坡土質等因素對入滲量、基質吸力地溫的影響規律。 隨著降雨歷時增長，溫度逐漸上升，孔隙水壓力持續增大，基質吸力逐漸消失；坡腳比坡底的溫度升高快；雨強越大，入滲率增大的階段時間變短，凍土融化越快，孔隙水壓力和溫度增大越快；初始含水量越小，凍土內的含冰量越少，雨水更容易滲入土體，溫度和孔隙水壓力增大越快。 （2）採用有限元模型，考慮不同降雨類型、飽和滲透係數以及雨水溫度等條件下，研究了影響凍土邊坡降雨入滲的影響因素。 暴雨只對邊坡淺層孔隙水壓力影響較大，而連陰雨增大了凍土的融化深度，且影響範圍內的孔隙水壓力增大明顯，從而使基質吸力降低；間歇型降雨對土體的影響和連陰雨十分接近，只是間歇性降雨對路肩處深度為0.8m以上的土體孔隙水壓力影響更大；對於飽和滲透係數大於和接近於降雨強度的土體，降雨對邊坡孔隙水壓力及溫度的影響都很大，降雨結束時，淺層孔隙水壓力都顯著增大，基質吸力降低接近於0，土體接近飽和；雨水溫度越高，邊坡土體溫度升高越快，但孔隙水壓力的影響只體現在較深的範圍內。 （3）凍融界面強度的變化特徵，研製了大型凍融直剪儀，完成了粘土、粉質粘土、粉土的剪試驗，同時，也結合鐵道部科研項目，進行了現場大型剪下試驗。 而室內試驗結果來看重塑土的土性、初始含水量、凍土和融土的溫差是影響界面抗剪強度的主控因素，粘土的初始含水量在塑限附近的黏聚力最大，內摩擦角幾乎不變；而粉質粘土和粉土隨含水量增加而抗剪強度減小；由於凍融交界面水分的作用，現場得到的凍融界面抗剪強度遠小於凍土的抗剪強度，也略小於融土的抗剪強度； （4）降雨過程的凍土的熱-流-固三場耦合模擬。 採用不同的入滲模型，在Abaqus中實現了熱-流-固三場耦合過程，發現凍土邊坡的蠕變變形主要出現在前10年，占總應變數的50%。