辽西地区黄土边坡坡面冲刷破坏机理的研究

辽宁西部地区发育的黄土具有不同于西北等地黄土的工程地质特性和特殊的水敏感性，从而使边坡坡面冲刷破坏成为公路边坡工程中尤为突出的问题。以辽西黄土边坡为研究对象，通过土质学、土力学和水力学多学科有机结合的途径，综合现场调查、物理模拟，采用多种先进的测试技术和试验方法，研究黄土物质组成、结构特征、湿陷变形规律等工程特性，分析影响坡面冲刷破坏的主要因素及其相互作用，揭示坡面冲刷破坏的微观机理，并建立坡面冲刷破坏的水-土耦合力学和数学模型及相应的边坡稳定性分析方法。从而达到丰富和完善黄土边坡坡面冲刷破坏计算理论、为辽西地区黄土公路边坡的设计与防护提供科学依据之目的。项目的开展将填补我国对辽西黄土乃至东北黄土在该方面研究的空白。

黄土边坡冲刷破坏问题是黄土地区公路等工程建设中一个亟待解决的实际问题。项目以辽西地区黄土边坡为研究对象，运用土质学、土力学和水力学的理论，综合采用现场调查、试验测试、物理模拟和数值分析的方法，对黄土边坡坡面降雨冲刷破坏问题进行了深入的研究。系统地研究了辽西黄土的工程地质特性，获得了黄土的物理力学性质、结构特征等方面的大量资料，提出了黄土抗剪强度指标的建议值，建立了竖向应力、竖向应变和初始含水率之间的关系，为黄土地基湿陷变形的计算提供了一种新方法。基于扰动状态概念，构建了一个可统一描述应变软化和应变硬化特性的本构模型。采用微结构定量化技术和分形几何方法分析对比了黄土湿陷前后的微观结构演变规律，结果表明：湿陷后孔隙形状分形维数、表面起伏分形维数均增大，说明湿陷是一个孔隙复杂程度增加的过程。自制人工降雨模拟装置，对3种降雨条件、5种不同坡角的边坡进行了降雨冲刷模拟试验。全程数字化监控与量测边坡降雨冲刷过程中坡面水分入渗与演进、坡面颗粒运动与坡面形态变化之规律，获得了黄土边坡坡面冲刷破坏的特征与规律。研究表明，坡形、降雨情况、入渗速度和土的抗剪强度是影响黄土边坡坡面冲刷破坏的重要因素。根据黄土边坡坡面冲刷破坏的特征，可将其划分为侵蚀初期、中期和后期3个阶段。侵蚀初期以片蚀为主，中期则主要体现为细沟作用，至侵蚀后期则是切沟作用，引起坡面土体崩塌直至边坡破坏。为此，从力学机制上将降雨引起的黄土边坡坡面冲刷划分为雨滴溅蚀及产流、径流引起的土体颗粒分离以及颗粒的输移3个动力学过程。根据坡面上土颗粒的土-水作用机制，建立了坡面冲刷临界状态的判别模式，认为36.5°~44°的坡角可作为辽西黄土边坡冲刷破坏的临界坡角，为黄土边坡的设计提供了依据。建立了坡面冲刷破坏的水-土力学耦合模型，通过颗粒流程序进行数值计算分析表明，坡面上的土颗粒运动状态、坡面形态的变化均与模拟试验的结果具有良好的一致性，为黄土边坡坡面冲刷破坏的进一步研究奠定了基础。上述成果丰富了边坡坡面冲刷破坏的研究内容和相应的计算分析理论，为辽西地区黄土公路边坡的设计与防护提供科学依据，也填补了辽西地区乃至东北黄土地区在该研究领域的空白。