誘發(fā)黃土地質(zhì)災(zāi)害的含水狀態(tài)宏細(xì)觀模型及應(yīng)用研究中文摘要

黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，降雨、灌溉、生活污水和地下水變化嚴(yán)重惡化了黃土地質(zhì)環(huán)境，孕育和誘發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害。因此系統(tǒng)檢測和查明不同地質(zhì)環(huán)境中黃土的含水狀況，從宏細(xì)觀深入探討含水狀態(tài)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在關(guān)系具有重要的科學(xué)意義和研究價值。本項目基于大量的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究，針對黃土典型的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)用快速無損的探地雷達(dá)技術(shù)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(xì)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(xì)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(biāo)；采用時域有限差分法和人工智能技術(shù)，建立復(fù)雜含水狀態(tài)非均質(zhì)黃土地電模型，進(jìn)行典型地質(zhì)災(zāi)害正演模擬和試驗驗證，研究含水量的雷達(dá)信號特征提取，揭示雷達(dá)圖像和黃土含水狀態(tài)間關(guān)系，提高圖像解釋精度，完善地質(zhì)災(zāi)害圖像數(shù)據(jù)庫。研究成果具有創(chuàng)新性和應(yīng)用前景，可為西部地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃和防治提供重要依據(jù)。

黃土地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，降雨、灌溉、生活污水和地下水變化嚴(yán)重惡化了黃土地質(zhì)環(huán)境，孕育和誘發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害。因此系統(tǒng)檢測和查明不同地質(zhì)環(huán)境中黃土的含水狀況，從宏細(xì)觀深入探討含水狀態(tài)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的內(nèi)在關(guān)系具有重要的科學(xué)意義和研究價值。本項目基于大量的現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究，運(yùn)用工程地質(zhì)、巖土力學(xué)與電子信息技術(shù)、電磁場理論等交叉學(xué)科的手段和方法，深入進(jìn)行了基于探地雷達(dá)的土含水狀態(tài)宏細(xì)觀模型的理論與應(yīng)用研究。針對黃土典型的地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)用快速無損的探地雷達(dá)技術(shù)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。考慮黃土的水敏感性，基于有效分子電場理論和介質(zhì)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(xì)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(xì)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(xì)觀含水狀態(tài)與結(jié)合水膜厚度的關(guān)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(biāo)。采用時域有限差分法和人工智能技術(shù)，建立了復(fù)雜含水狀態(tài)非均質(zhì)黃土地電模型，進(jìn)行了典型地質(zhì)災(zāi)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(zhì)災(zāi)害檢測的探地雷達(dá)圖像特征；研究了含水率的雷達(dá)信號特征提取，揭示了雷達(dá)圖像和黃土含水狀態(tài)間關(guān)系，提高了圖像解釋精度，完善了地質(zhì)災(zāi)害圖像數(shù)據(jù)庫；針對探地雷達(dá)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(jìn)行了二次開發(fā)，結(jié)果表明提高了圓形洞穴和矩形洞穴的圖像解釋精度。進(jìn)行了層位自動追蹤算法及其在鐵路隧道探地雷達(dá)檢測中的應(yīng)用研究，并結(jié)合實際隧道工程，對自動追蹤算法在隧道襯砌病害中的應(yīng)用進(jìn)行驗證，并得到了很好的效果。研究成果具有創(chuàng)新性和應(yīng)用前景，可為西部地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃和防治提供重要依據(jù)。 2100433B

降雨誘發(fā)滑坡型泥石流的啟動機(jī)理和力學(xué)過程比較復(fù)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(chǔ)之上，利用可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗和離心機(jī)模型試驗，并結(jié)合離散元數(shù)值模擬，從宏細(xì)觀結(jié)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(jī)理。 通過室內(nèi)模型試驗，發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度是形成滑坡型泥石流的關(guān)鍵因素。降雨強(qiáng)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(dāng)降雨強(qiáng)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(qiáng)度不同，粗砂和細(xì)砂坡體形成泥石流的臨界降雨強(qiáng)度分別為50mm/h和36mm/h。當(dāng)細(xì)粒含量為10%時，泥石流發(fā)生的臨界降雨強(qiáng)度為36mm/h，當(dāng)細(xì)粒含量達(dá)到20%時，坡體不再發(fā)生泥石流。 通過離心機(jī)模型試驗揭示了接近實際應(yīng)力場條件下滑坡型泥石流形成過程的顆粒細(xì)觀組構(gòu)演化規(guī)律和宏觀力學(xué)特性，離心機(jī)模型試驗的泥石流形成的宏觀演化規(guī)律與室內(nèi)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(jī)試驗，建立了滑坡型泥石流細(xì)觀和宏觀力學(xué)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(jìn)行了改進(jìn)。運(yùn)用改進(jìn)后的方法對降雨誘發(fā)泥石流的室內(nèi)模型試驗和離心機(jī)模型試驗進(jìn)行數(shù)值模擬，取得了和模型試驗相似的結(jié)果。 室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)，泥石流“錨桿-護(hù)坡”治理的效果比其它三種形式要好。室內(nèi)模型試驗和離心機(jī)模型試驗發(fā)現(xiàn)，在“錨桿-護(hù)坡”的濾水固砂作用下，坡體形成“底部細(xì)顆粒積聚密實，上部粗顆粒骨架穩(wěn)定”的相對穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，坡體產(chǎn)生滑動并形成泥石流的機(jī)率減小。 本項目從宏細(xì)觀角度揭示了泥石流的形成機(jī)理，不僅為泥石流的深入研究提供了細(xì)觀力學(xué)解釋，還為泥石流防災(zāi)減災(zāi)提供了理論依據(jù)。 2100433B

泥石流研究是當(dāng)前熱點(diǎn)課題之一，而泥石流機(jī)理比較復(fù)雜，單從宏觀或連續(xù)角度研究泥石流機(jī)理可能會遇到瓶頸。本申請項目在前期研究的基礎(chǔ)上，利用可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，通過室內(nèi)模型試驗、離心機(jī)模型試驗和非飽和數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面揭示滑坡型泥石流形成及局部護(hù)坡治理的宏細(xì)觀機(jī)理：(1)研究滑坡型泥石流形成的關(guān)鍵因素，揭示縮尺條件下滑坡型泥石流的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理；(2)揭示接近實際應(yīng)力場條件下滑坡型泥石流形成過程的顆粒細(xì)觀組構(gòu)演化規(guī)律和宏觀力學(xué)特性，建立滑坡型泥石流細(xì)觀和宏觀力學(xué)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(xì)觀角度研究滑坡型泥石流局部護(hù)坡治理的宏觀力學(xué)特性，揭示滑坡型泥石流局部護(hù)坡治理的宏細(xì)觀機(jī)制。本研究可為滑坡型泥石流形成機(jī)理和治理機(jī)制的深入研究提供細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，還可為泥石流減災(zāi)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(xì)觀機(jī)理，主要研究內(nèi)容包括：（1）利用顯微數(shù)碼攝像可視化跟蹤技術(shù)和數(shù)字圖像變形量測技術(shù)，獲取層狀砂土液化過程中界面處砂粒和粉粒的細(xì)觀組構(gòu)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(xì)觀尺度上考慮顆粒離散元與流體動力學(xué)耦合，建立飽和層狀砂土液化細(xì)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(xì)觀機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析宏細(xì)觀力學(xué)量之間的內(nèi)在聯(lián)系，從細(xì)觀角度入手探討飽和層狀砂土液化的宏細(xì)觀力學(xué)機(jī)理，并用離心機(jī)試驗對模擬結(jié)果進(jìn)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(jī)理的認(rèn)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(xì)觀力學(xué)解釋。