誘發(fā)黃土地質災害的含水狀態(tài)宏細觀模型及應用研究

黃土地區(qū)地質災害頻發(fā)，降雨、灌溉、生活污水和地下水變化嚴重惡化了黃土地質環(huán)境，孕育和誘發(fā)了大量的地質災害。因此系統(tǒng)檢測和查明不同地質環(huán)境中黃土的含水狀況，從宏細觀深入探討含水狀態(tài)誘發(fā)地質災害的內在關系具有重要的科學意義和研究價值。本項目基于大量的現(xiàn)場和室內試驗研究，運用工程地質、巖土力學與電子信息技術、電磁場理論等交叉學科的手段和方法，深入進行了基于探地雷達的土含水狀態(tài)宏細觀模型的理論與應用研究。針對黃土典型的地質災害，應用快速無損的探地雷達技術檢測含水率，從試驗研究、理論分析及數(shù)值模擬等方面，研究了多因素影響的黃土介電常數(shù)與含水量宏觀模型?？紤]黃土的水敏感性，基于有效分子電場理論和介質極化理論，建立了黏性土的混合介電常數(shù)模型，分析了界限體積含水率、孔隙率、飽和度對黏性土混合介電常數(shù)的影響規(guī)律，從細觀上深入研究黃土含水狀態(tài)對工程特性的影響。建立了土體的宏細觀含水狀態(tài)與介電常數(shù)模型，驗證了模型的適用性。建立了宏細觀含水狀態(tài)與結合水膜厚度的關系，確定了介電常數(shù)與黃土工程狀態(tài)劃分體系和評價指標。采用時域有限差分法和人工智能技術，建立了復雜含水狀態(tài)非均質黃土地電模型，進行了典型地質災害正演模擬和試驗驗證，分析了鐵路路基病害、鐵路隧道病害、高鐵無碴軌道病害等不同地質災害檢測的探地雷達圖像特征；研究了含水率的雷達信號特征提取，揭示了雷達圖像和黃土含水狀態(tài)間關系，提高了圖像解釋精度，完善了地質災害圖像數(shù)據(jù)庫；針對探地雷達測定黃土洞穴時出現(xiàn)的繞射干擾現(xiàn)象，對正演模擬數(shù)據(jù)格式文件進行了二次開發(fā)，結果表明提高了圓形洞穴和矩形洞穴的圖像解釋精度。進行了層位自動追蹤算法及其在鐵路隧道探地雷達檢測中的應用研究，并結合實際隧道工程，對自動追蹤算法在隧道襯砌病害中的應用進行驗證，并得到了很好的效果。研究成果具有創(chuàng)新性和應用前景，可為西部地質災害區(qū)劃和防治提供重要依據(jù)。 2100433B

黃土地區(qū)地質災害頻發(fā)，降雨、灌溉、生活污水和地下水變化嚴重惡化了黃土地質環(huán)境，孕育和誘發(fā)了大量的地質災害。因此系統(tǒng)檢測和查明不同地質環(huán)境中黃土的含水狀況，從宏細觀深入探討含水狀態(tài)誘發(fā)地質災害的內在關系具有重要的科學意義和研究價值。本項目基于大量的現(xiàn)場和室內試驗研究，針對黃土典型的地質災害，應用快速無損的探地雷達技術檢測含水量，建立多因素影響的黃土介電常數(shù)與含水量宏觀模型；考慮黃土的水敏感性，從細觀深入研究黃土含水狀態(tài)對工程特性的影響，建立介電常數(shù)與水化膜厚度細觀模型，確定介電常數(shù)與黃土工程狀態(tài)劃分體系和評價指標；采用時域有限差分法和人工智能技術，建立復雜含水狀態(tài)非均質黃土地電模型，進行典型地質災害正演模擬和試驗驗證，研究含水量的雷達信號特征提取，揭示雷達圖像和黃土含水狀態(tài)間關系，提高圖像解釋精度，完善地質災害圖像數(shù)據(jù)庫。研究成果具有創(chuàng)新性和應用前景，可為西部地質災害區(qū)劃和防治提供重要依據(jù)。

降雨誘發(fā)滑坡型泥石流的啟動機理和力學過程比較復雜，單從宏觀或連續(xù)角度研究可能會遇到瓶頸。在課題組前期研究的基礎之上，利用可視化細觀測試分析系統(tǒng)，進行室內模型試驗和離心機模型試驗，并結合離散元數(shù)值模擬，從宏細觀結合和非連續(xù)的角度系統(tǒng)地研究了降雨誘發(fā)泥石流形成的演化規(guī)律，并揭示了泥石流的形成機理。 通過室內模型試驗，發(fā)現(xiàn)降雨強度是形成滑坡型泥石流的關鍵因素。降雨強度較低時，坡體容易發(fā)生分層滑動，一般不會形成泥石流；當降雨強度較高時，坡體容易發(fā)生整體流滑后迅速流態(tài)化，形成泥石流。不同土體形成泥石流時，所需的臨界降雨強度不同，粗砂和細砂坡體形成泥石流的臨界降雨強度分別為50mm/h和36mm/h。當細粒含量為10%時，泥石流發(fā)生的臨界降雨強度為36mm/h，當細粒含量達到20%時，坡體不再發(fā)生泥石流。 通過離心機模型試驗揭示了接近實際應力場條件下滑坡型泥石流形成過程的顆粒細觀組構演化規(guī)律和宏觀力學特性，離心機模型試驗的泥石流形成的宏觀演化規(guī)律與室內模型試驗基本一致，但孔隙水壓力的變化幅度大，孔壓峰值高，孔壓變化規(guī)律更接近現(xiàn)場試驗情況。 通過模型和離心機試驗，建立了滑坡型泥石流細觀和宏觀力學參數(shù)之間的聯(lián)系。通過考慮泥石流形成過程的非飽和特性和非連續(xù)特性，采用微小顆粒模擬水對離散元數(shù)值模擬軟件PFC3D的模擬方法進行了改進。運用改進后的方法對降雨誘發(fā)泥石流的室內模型試驗和離心機模型試驗進行數(shù)值模擬，取得了和模型試驗相似的結果。 室內模型試驗發(fā)現(xiàn)，泥石流“錨桿-護坡”治理的效果比其它三種形式要好。室內模型試驗和離心機模型試驗發(fā)現(xiàn)，在“錨桿-護坡”的濾水固砂作用下，坡體形成“底部細顆粒積聚密實，上部粗顆粒骨架穩(wěn)定”的相對穩(wěn)定結構，坡體產(chǎn)生滑動并形成泥石流的機率減小。 本項目從宏細觀角度揭示了泥石流的形成機理，不僅為泥石流的深入研究提供了細觀力學解釋，還為泥石流防災減災提供了理論依據(jù)。 2100433B

泥石流研究是當前熱點課題之一，而泥石流機理比較復雜，單從宏觀或連續(xù)角度研究泥石流機理可能會遇到瓶頸。本申請項目在前期研究的基礎上，利用可視化細觀測試分析系統(tǒng)，通過室內模型試驗、離心機模型試驗和非飽和數(shù)值模擬，從細觀層面揭示滑坡型泥石流形成及局部護坡治理的宏細觀機理：(1)研究滑坡型泥石流形成的關鍵因素，揭示縮尺條件下滑坡型泥石流的宏細觀力學機理；(2)揭示接近實際應力場條件下滑坡型泥石流形成過程的顆粒細觀組構演化規(guī)律和宏觀力學特性，建立滑坡型泥石流細觀和宏觀力學參數(shù)之間的聯(lián)系；(3)考慮泥石流的非飽和特性，建立能反映非飽和特性的分析模塊，提出泥石流非飽和離散-連續(xù)耦合數(shù)值分析方法；(4)從細觀角度研究滑坡型泥石流局部護坡治理的宏觀力學特性，揭示滑坡型泥石流局部護坡治理的宏細觀機制。本研究可為滑坡型泥石流形成機理和治理機制的深入研究提供細觀力學基礎，還可為泥石流減災提供理論依據(jù)。

本項目旨在通過含粉粒夾層的層狀砂土液化可視化動三軸試驗、顆粒流數(shù)值模擬和離心模型試驗驗證，揭示粉粒夾層厚度對層狀砂土液化影響的宏細觀機理，主要研究內容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術和數(shù)字圖像變形量測技術，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細觀組構特征及其演化規(guī)律；（2）利用離散單元法中的顆粒流理論，在細觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學耦合，建立飽和層狀砂土液化細觀數(shù)值模型。(3)利用層狀砂土顆粒流數(shù)值模型，就粉粒夾層厚度對飽和層狀砂土液化特性影響的宏細觀機理進行系統(tǒng)研究，分析宏細觀力學量之間的內在聯(lián)系，從細觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細觀力學機理，并用離心機試驗對模擬結果進行驗證。本項目的開展不僅能夠為砂土液化研究提供新思路，提升人們對含粉粒夾層飽和層狀砂土液化機理的認識，而且還能為砂沸、液化后大變形等現(xiàn)場液化現(xiàn)象提供細觀力學解釋。