渗流-应力耦合作用下崩岗边坡失稳机理研究

Instability of slope caused by gravity is the main erosion after forming of Benggang. Because of seepage-stress coupling action, Benggang slope often collapses and desquamates. It is crucial for analysis of the mass movement to clear instability mechanism of the slope induced from the coupling effects. The project uses slope monitoring, test on site, laboratory tests and numerical simulation. After researching the basic properties of soil layers, the relationship between hydraulic and mechanical behavior is determined with the application of statistical analysis. By long-term monitoring Benggang slope, surface (underground) deformation, stress-strain and hydrological environment characteristics are analyzed to illustrate instability features and types of Benggang. The coupling mechanism of seepage and stress for the slope is clarified, and the model is established using the finite element theory. Thereby, the instability mechanism of Benggang slope due to seepage-stress coupling effect is demonstrated. Mechanism research for mass movement of the slope due to the coupling effect is conductive to the development of Benggang erosion mechanism, and also for controlling Benggang.

重力作用导致的边坡失稳是崩岗形成后最主要的侵蚀形式，而崩岗边坡在渗流-应力相互作用下极易发生崩坍和剥落。因此，明确其在渗流-应力耦合效应下的失稳机理，这是揭示崩岗块体运动力学机制的关键所在。本项目综合运用边坡监测、现场试验、室内试验和数值模拟方法，在分析崩岗不同层次土体理化、水力、力学特性基础上，运用统计方法明确崩岗土体水力-力学相互作用关系；通过对崩岗边坡进行长期监测，分析其地表变形、地下变形、应力应变以及水文环境变化规律，揭示崩岗边坡失稳特征及类型；藉此运用有限元法厘清其渗流-应力耦合机制并建模；从而最终阐明渗流-应力耦合作用下崩岗边坡失稳机理。研究流固耦合效应下崩岗块体运动力学机制，不仅对崩岗侵蚀机理的发展有学术价值，也是科学防治崩岗侵蚀的实践需要。

崩岗是指山坡土体或岩石体风化壳在重力和水力作用下分解、崩塌和堆积的侵蚀现象。作为中国南方水土流失的一种特殊类型，重力作用贯穿于崩岗形成与发展的整个过程，在崩岗真正成形后则趋于主导地位。重力作用导致的边坡失稳是崩岗侵蚀最主要的形式，其成因机理更成为研究重点。因此，明确崩岗土体水力-力学性质相互作用关系；揭示崩岗边坡失稳特征及类型；阐明崩岗边坡流固耦合机制。这成为研究崩岗侵蚀的关键所在，将系统解决崩岗边坡块体运动力学机制这一科学问题。本项目开展了以下四个方面的内容：崩岗土体水力-力学性质相互影响规律；崩岗边坡失稳特征及类型研究；物理化学措施（砾石、砂、黄麻、W-OH）改良崩岗土体力学、渗透性能研究；崩岗边坡渗流-应力耦合有限元分析。主要结果如下：（1）随干湿循环次数的增加，表土层在第３次循环后裂隙几乎发育完全，裂隙率达到3.50％，土壤裂隙率与渗透系数之间存在二次函数关系，裂隙发育对土壤渗透性能的影响先增大后减小。（2）初始含水率对崩岗土壤抗拉强度影响明显。（3）崩岗土体的抗拉强度随着干湿循环次数的增加逐渐衰减，最后逐渐趋于稳定，且不同层次土壤的抗拉强度衰减主要集中在前３个干湿循环周期，表土层、红土层、过渡层和砂土层抗拉强度衰减比例分别达到90％，82％，83％，90％。并从抗拉强度出发，讨论并总结了坡面拉张裂隙引起的失稳类型：坍塌、塌陷和滑坡。（4）从胀缩角度，讨论了裂隙、不均匀沉降与崩岗坡体失稳相互依存、相互促进的关系。（5）采用黄麻、W-OH、砾石与砂不同程度地改良了崩岗土体的水力-力学性能。（6）地下水位上升后在坡脚处，产生了约0.117cm的位移，孔隙水压力约增大了50kPa。坡体中间外缘水平应力约增大了15kPa，竖向应力变化范围很大，主要集中在坡体中间及以下，变化最大在坡脚处，约增大了40kPa。采用了有限元分析流固耦合作用下的屈服单元云图。结果不仅对崩岗侵蚀机理的发展有学术价值，也是防治崩岗侵蚀的工程实践需要。