诱发黄土地质灾害的含水状态宏细观模型及应用研究

黄土地区地质灾害频发，降雨、灌溉、生活污水和地下水变化严重恶化了黄土地质环境，孕育和诱发了大量的地质灾害。因此系统检测和查明不同地质环境中黄土的含水状况，从宏细观深入探讨含水状态诱发地质灾害的内在关系具有重要的科学意义和研究价值。本项目基于大量的现场和室内试验研究，针对黄土典型的地质灾害，应用快速无损的探地雷达技术检测含水量，建立多因素影响的黄土介电常数与含水量宏观模型；考虑黄土的水敏感性，从细观深入研究黄土含水状态对工程特性的影响，建立介电常数与水化膜厚度细观模型，确定介电常数与黄土工程状态划分体系和评价指标；采用时域有限差分法和人工智能技术，建立复杂含水状态非均质黄土地电模型，进行典型地质灾害正演模拟和试验验证，研究含水量的雷达信号特征提取，揭示雷达图像和黄土含水状态间关系，提高图像解释精度，完善地质灾害图像数据库。研究成果具有创新性和应用前景，可为西部地质灾害区划和防治提供重要依据。

黄土地区地质灾害频发，降雨、灌溉、生活污水和地下水变化严重恶化了黄土地质环境，孕育和诱发了大量的地质灾害。因此系统检测和查明不同地质环境中黄土的含水状况，从宏细观深入探讨含水状态诱发地质灾害的内在关系具有重要的科学意义和研究价值。本项目基于大量的现场和室内试验研究，运用工程地质、岩土力学与电子信息技术、电磁场理论等交叉学科的手段和方法，深入进行了基于探地雷达的土含水状态宏细观模型的理论与应用研究。针对黄土典型的地质灾害，应用快速无损的探地雷达技术检测含水率，从试验研究、理论分析及数值模拟等方面，研究了多因素影响的黄土介电常数与含水量宏观模型。考虑黄土的水敏感性，基于有效分子电场理论和介质极化理论，建立了黏性土的混合介电常数模型，分析了界限体积含水率、孔隙率、饱和度对黏性土混合介电常数的影响规律，从细观上深入研究黄土含水状态对工程特性的影响。建立了土体的宏细观含水状态与介电常数模型，验证了模型的适用性。建立了宏细观含水状态与结合水膜厚度的关系，确定了介电常数与黄土工程状态划分体系和评价指标。采用时域有限差分法和人工智能技术，建立了复杂含水状态非均质黄土地电模型，进行了典型地质灾害正演模拟和试验验证，分析了铁路路基病害、铁路隧道病害、高铁无碴轨道病害等不同地质灾害检测的探地雷达图像特征；研究了含水率的雷达信号特征提取，揭示了雷达图像和黄土含水状态间关系，提高了图像解释精度，完善了地质灾害图像数据库；针对探地雷达测定黄土洞穴时出现的绕射干扰现象，对正演模拟数据格式文件进行了二次开发，结果表明提高了圆形洞穴和矩形洞穴的图像解释精度。进行了层位自动追踪算法及其在铁路隧道探地雷达检测中的应用研究，并结合实际隧道工程，对自动追踪算法在隧道衬砌病害中的应用进行验证，并得到了很好的效果。研究成果具有创新性和应用前景，可为西部地质灾害区划和防治提供重要依据。