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降雨入渗触发非饱和煤矸石堆积边坡失稳的机理研究

降雨入渗触发非饱和煤矸石堆积边坡失稳的机理研究

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作者： Kaleem Ullah Jan Khan 吉林大学

学位级别：硕士

土坡的稳定性与降雨渗透过程有关,其特点是剪切强度降低以及吸力损失,从而最终导致了失稳。土坡失稳主要发生在降雨期间或降雨后,虽然已经被证明为降雨渗透导致土体强度降低以及孔隙水压力迅速增加而造成,但引发斜坡失稳的重要影响机理... 详细信息

土坡的稳定性与降雨渗透过程有关,其特点是剪切强度降低以及吸力损失,从而最终导致了失稳。土坡失稳主要发生在降雨期间或降雨后,虽然已经被证明为降雨渗透导致土体强度降低以及孔隙水压力迅速增加而造成,但引发斜坡失稳的重要影响机理还没有得到充分的讨论。降雨强度和降雨持续时间对边坡稳定性的影响,但降雨渗透过程对煤矸石堆积边坡稳定性的影响尚需深入研究。为此研究降雨入渗过程对土坡稳定性的影响,尤其对世界范围内广泛分布的矿渣堆积体稳定性及环境安全具有重要意义。降雨特征(降雨强度和持续时间)和土体的导水性影响着边坡的稳定状态及失效类型。一般来说,土坡破坏的机理有两种,即降雨湿润锋的传播导致垫层吸力的丧失以及地下水位的上升。到目前为止,仍然没有明确的指标来确定导致矿渣型边坡失效的主导参数。因此,本研究在开展东北阜新地区一煤矸石堆积边坡失稳机制研究中考虑了降雨渗透过程。通过收集已有资料、现场调查、实验室试验和数值模拟方法,较深入研究了煤矸石堆积边坡降雨诱发的失稳过程及其机理。采用渗流-应力耦合和非耦合有限元分析方法,对煤矸石堆积边坡的失效机理进行评价。采用物理模型测试分析了不同降雨条件下土坡中孔隙水压力的分布特征,采用有限元法数值方法按照渗流-应力耦合和非耦合两张方式研究了不同降雨持续时间(1天、2天、3天、4天和5天)和降雨强度对边坡变形破坏的影响。通过在坡面不同位置(坡顶、坡中、坡尖)设置监测点,观察并比较每次降雨后孔隙水压力的变化、变形规律和稳定性。煤矸石的高渗透性与在坡趾附近观察到的因水流而产生的最大变形进一步解释了坡体向下运动的原因,与现场观测和物理模型的观测结果有较好的一致性。研究结果还表明,渗透率的增加导致孔隙水压力的滞后性增加,土坡稳定系数下降。耦合分析中的安全系数(应力和孔隙水压力的耦合效应)与未耦合分析(水力反应效应)相比显著降低。为防止边坡进一步破坏,防止其对道路交通的影响,采用锚固与水平排水相结合的设计。建议在边坡顶部采用混凝土梁锚杆加固路基,在坡脚附近设置桩排。引入水平排水系统,分流雨水,保护边坡和道路的顶部和底部。采用极限平衡Bishop法分析了桩锚加固的效果,评价了加固方案对边坡安全系数的影响。结果表明:桩锚加固土边坡的安全系数由0.9提高到1.14;利用工程价值研究,在滑坡区设计水平排水系统,控制滑坡体内过量降雨入渗,保护坡顶和坡底道路,分流雨水。

关键词：煤矸石堆积体降雨入渗过程水-力耦合分析非饱和土力学安全系数治理措施

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