黄土地区边坡冻融灾害发生机理及防治对策研究

The thawing of frozen soils in spring has caused the frequent freezing-thawing disaster for slope in loess regions. Moreover, the disaster can't be quantitatively analyzed and predicted, which is induced by the weak mechanism research. Based on that, the project firstly carries out the related basic research.The real-time analyzation of loess slope stability under freezing-thawing environment is done by dynamic monitoring of the temperautre, moisture and deformation distribution. The quantitave relation between freezing-thawing strength of loess and main influencing factors are determined by the laboratory test.A further research is carried out on the corresponding relation between freezing-thawing strength and practical slope engineering. Moreover, the regularity of moisture migration inside loess and its computational model are also studied by the moisture migration test. Then, a coupled equation of temperature, moisture and stress fields is built and simulated by the strength reduction FEM, from which the influence of moisture and stress fields subjected to freezing-thawing circle on stability of loess slope is obtained in adverse freezing-thawing condition. Furthermore, studied is the corresponding relation between freezing-thawing disaster of loess slope and gradient,slope shape, water content, groundwater table and the thermal insulation for slope protection.Finally,the useful parameters for prevention of freezing-thawing disater of loess slope are provided and the protective measures also proposed.

春季冻土融化，导致黄土地区边坡冻融灾害频繁发生，因对其机理性研究的不足，目前对此尚不能进行定量分析和预测。本项目首先进行相关基础性研究，结合温度监测、位移监测以及水分监测等方法现场动态监测黄土边坡冻融稳定性的变化规律；确定经历冻融循环的黄土强度变化与各影响因素之间的定量关系，确定经历冻融循环的黄土强度变化与实际边坡工程冻融灾害之间的联系，确定黄土体在冻融过程中含水量的动态变化规律及量化分析方法；然后基于前述研究，建立基于有限元强度折减法的水、热、力三场耦合计算数值模型，模拟不利冻融条件，研究确定冻融作用所引起的黄土边坡土体水分场和强度场的变化对边坡稳定性的影响，探明黄土边坡冻融灾害与坡度、坡形、坡体含水量、滑坡区地下水位及保温护坡工程结构的对应关系，进一步提出防止黄土边坡冻融灾害的合理设计参数及工程处治措施。

本项目以黄土地区边坡冻融灾害为研究背景，调研了黄土地区边坡冻融病害类型并对黄土冻融水热耦合过程进行了现场测试。通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验，开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对黄土水分迁移影响研究。通过对西安Q3黄土在冻融作用下的电镜扫描和直剪试验，研究了冻融作用对黄土体微观结构和强度的影响。试验表明：冻融过程中黄土体微观结构发生显著变化，大颗粒集粒数量明显减少，小粒径土颗粒所占比重增加，孔隙面积比增加；进一步基于损伤力学理论，给出冻融损伤度与冻融次数量化关系式。反复冻融作用下，土样表面结构破坏严重。黄土体粘聚强度随冻融次数增加逐渐减小，且降低幅度逐渐减小，最终趋向于稳定的残余强度；随含水率增加，粘聚强度呈现出线性衰减的特征，且冻融前粘聚强度随含水率的衰减幅度明显高于冻融后；随干密度增加，粘聚强度表现出线性增加的特征，且冻融后粘聚力与干密度的变化规律近似重合；内摩擦角无明显规律性变化。基于试验数据规律性，进一步提出了黄土粘聚强度劣化模型，该模型经试验验证可较好的描述黄土粘聚强度劣化规律。通过对西安Q3黄土在冻融作用下的电镜扫描和三轴渗透试验，研究了重塑黄土冻融过程渗透特性变化规律。试验表明：冻融过程中黄土体微观结构发生显著变化，大颗粒集粒数量明显减少，土粒胶结性变差，一定程度上增大了黄土体渗透性；进一步基于IPP图像处理软件，得出冻融后孔隙面积比随冻融次数增加呈指数增加趋势，反映出冻融作用一定程度上破坏黄土体的结构强度，使土体渗透性增强，但多次冻融后黄土体结构强度和渗透特性趋向于稳定。冻融作用对土体表面结构破坏严重，出现横向和纵向裂缝，是冻融作用诱发黄土体渗透性增强的主要原因。渗透系数随围压增大呈指数下降趋势；随干密度和初始含水量增加，渗透系数近似呈抛物线变化规律；渗透系数随冻融次数增加呈指数增加趋势。本项目通过大比例尺室内黄土边坡冻融模型试验，深入分析了黄土边坡冻融失稳的演化规律。试验在控制边坡坡度、初始含水量、表面温度和边界条件下，研发了黄土边坡工程水热力动态监测系统，实时动态监测冻融过程中边坡不同深度土层的温度、含水量及位移变化数据。最后基于有限元强度折减法，分析了含水率、坡度、坡形、冻融次数及冻融深度对边坡冻融稳定性的影响，在此基础之上提出了边坡冻融灾害的防治措施。