浅论黄土流变特性及其在滑坡分析预报中的应用研究

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1、长安大学博士学位论文黄土流变特性及其在滑坡分析预报中的应用研究姓名：闫芙蓉申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：范文20101216摘要我国黄土分布广泛，滑坡类型十分典型，从理论上探讨其形成、运动机理可以为地质灾害相关部门确定成灾范围和进行时间预报提供技术支持，从而规避滑坡风险，减少人民生命财产损失，具有重大现实意义。而岩土体蠕变理论则揭示了滑坡变形破坏的本质，描述了滑坡应力、强度、应变、位移随时间变化的内在规律。因而，以岩土体蠕变理论为基础，研究滑坡变形过程中应力、强度、应变、位移、应变(位移)速率等随时间的变化规律，进而预测滑坡

2、滑动时间，对揭示滑坡过程的实质和预测其稳定有实际意义，对深化和丰富黄土边坡的预测理论研究，促进滑坡研究的发展，也有重要的理论价值。黄土由于其特殊的形成气候环境，属于典型的非饱和土，不仅具有弹性、塑性，还具有粘滞性，是一种粘弹塑性体，具有明显的流变特性。本文在前人研究的基础上，通过文献收集、野外调查取样、室内试验、理论分析等手段对陕北延安地区广泛分布的黄土进行了物理、力学特性和流变力学特性的系统试验研究，并在此基础上进行了黄土滑坡的粘弹塑性流变数值模拟，以研究长期强度作用下的土质边坡变形破坏机理。另外，根据黄土滑坡的流变特性，研究滑坡发生

3、发展过程中的动态参数、应力变化和时间之间的相关关系，进一步探讨了滑坡时间预报的分级预报模式，得出一些主要结论分述如下：黄土作为一种典型的非饱和土，其强度特性主要侧重于基质吸力对强度的贡献，通过非饱和土直接剪切试验结果分析，认为在恒定的竖向应力的作用下，且在试验所做的吸力范围内，抗剪强度随着基质吸力的增加而增加，内摩擦角随基质吸力变化不大。常规三轴试验表明，土体的破坏形式具有明显的塑性破坏特征，主要变形形式为在低含水量和低围压情况下表现为轴向变形，土样变形初期呈轴对称形状，随着塑性变形的开始和增大，土样侧向鼓出，发生剪切破坏。高含水量和高

4、围压下土体变形则表现为弯曲变形，过土样中点且与土样中轴线相垂直的面上所有的点横向位移量大于竖向位移量，而土样的其它点则同时存在横向位移量和竖向位移量。黄土的蠕变试验表明，低应力水平时，黄土的蠕变表现为衰减蠕变过程，高应力时表现为非衰减蠕变过程，整个蠕变过程由三个阶段组成：衰减蠕变阶段、等速蠕变阶段和加速蠕变阶段；当黄土的蠕变应力O小于屈服应力0。时，黄土蠕变表现出线性粘弹性特点，当黄土的蠕变应力。大于黄土的屈服应力0。时，黄土的蠕变表现出线性粘塑性特点，通过模型理论分析认为可以建立这样的本构模型，即用两个Kelvin模型组成的I五元件的

5、广义Kelvin模型和与一个滑块并联的Maxwell模型来描述黄土的粘弹塑性特性。‘不同含水量条件下的微观结构分析表明，随着含水量的增大，土中孔隙减少，颗粒由单粒变成集粒，粒间轮廓变的不是很清晰，粒间孔隙逐渐被结合水膜所填充，粘滞阻力下降，土体在较小应力作用下即发生蠕动剪切破坏：不同加载条件下的微观结构分析表明，蠕变三阶段及黄土流变表现为衰减蠕变的原因，是应力增加和粘滞阻力减少，土颗粒骨架由破碎挤密到重新组合定向排列的过程。当应力较小时，蠕变很快衰减，并趋于稳定。随着加荷历时和应力的加大，结构单元体之间的较强的结构连结随之被不同程度的破

6、坏，粒间的镶嵌和摩擦作用所产生的粘滞阻力下降，一旦这两种矛盾双方达到了一种动态的平衡时，蠕变进入等速阶段，土体更加密实，并且受到侧限作用，使得土样表现为硬化作用，颗粒趋于更紧密的排列，不会出现破坏阶段，最终蠕变曲线表现为衰减稳定的。有限元数值分析表明，弹塑性分析和粘弹塑性流变分析在坡脚处的位移值不一样，流变分析在坡脚的水平位移为0．81mm，而弹塑性分析为0．67mm，增加了17．3％；天然状态下滑坡塑性屈服区仅出现在数量有限、面积甚小的局部范围内，而流变分析塑性区扩展范围明显大于弹塑性分析的范围，但未形成贯通屈服面；说明长期强度作用下

7、的应力场、位移场和塑性区扩展范围均大于未考虑流变特性的弹塑性分析数值，从另一侧面说明了在进行滑坡稳定分析和变形破坏机理研究时必须考虑土体蠕变的影响。根据流变特性试验结果，将滑坡时间预报模式分为三级：趋势预报、，，预报和r，预报，该模式中各级预报参数和标准为：根据Ar与f。的比较，得出趋势预报；根据流变试验结果，推出t。预报计算公式；滑坡加速运动的加速度％推导出r，预报公式。关键词：黄土滑坡；非饱和土；基质吸力；流变特性；微观结构；长期强度；预测预报；数值模拟IIAbstractLoesslandslidesistypicalinourc

8、ountry,itissignificanttodisscusstheform，mechanism，whichprovidetechnicalsupportforconfirmingthedisasters