干湿交替环境下散体颗粒堆积体边坡稳定性的试验研究

干湿交替变化和水动力的作用影响散体沙堆积体的力学性质和边坡稳定性，变化水环境中散体沙堆积体休止角的研究对于散体介质力学、泥沙运动力学以及河道中散体沙边（岸）坡、堤坝、洲体失稳等实际问题的研究具有重要的理论意义和工程价值。 本文采用理论分析与静、动态试验结合的方法，分析了散体沙的颗粒特性、含水状态和水动力条件对休止角的影响规律与机理，建立了干湿变化和水流作用下散体沙堆积体休止角即散体颗粒堆积体失稳临界条件的表达式。此外，进一步对河床表面沙波这种特殊的散体颗粒堆积体及其相似性问题进行了系统研究。主要结论和认识如下： 研究发现，（1）不同含水状态下，散体沙的内摩擦力来源不同，其边坡稳定性和休止角发生显著变化，反映在休止角随含水率增加，先是显著增大，当含水率接近饱和含水率时，休止角又会减小。基于试验资料，建立了反映泥沙颗粒特性和含水率共同影响的休止角经验表达式。（2）流速与粒径是影响散体颗粒堆积体不同方位稳定坡角大小的主要因素。流速越大，坡面稳定性越低，所形成的稳定坡角越小；粒径越小，坡面稳定性越低，所形成的稳定坡角也越小；相同水流条件下散体沙颗粒粒径越大，稳定坡角越大，且稳定坡角对于流速变化的敏感度越低。从堆积体稳定边坡上颗粒的受力分析出发，引入相对近底流速反映泥沙起动动力条件，建立了动水休止角计算公式及其简化形式。（3）河床上沙波作为一种特殊的饱和含水的散体颗粒堆积体，通过试验观测分析了其波高、波长随泥沙粒径、重率、水流条件变化的规律，分析了不同因素对沙波相似性的影响规律。 本项目的研究成果将完善环境流体力学及泥沙运动力学等学科，促进对水环境灾害发生的科学诊断和预测，指导堤坝、护岸等整治工程的设计，为我国水环境灾害防治奠定基础。 2100433B

典型水环境灾害如边（岸）坡和堤坝、洲体失稳破坏导致灾害发生的影响因素和机理复杂多变，干湿交替环境下散体颗粒堆积体边坡稳定性是基础科学问题之一。本项目将采用理论分析和机理性概化模型实验相结合的研究方法，综合运用土力学、泥沙运动力学等学科的基础理论，系统分析散体颗粒堆积体在干湿交替环境下的含水性质和力学特性的变化，探讨建立反映干湿交替环境影响的散体颗粒堆积体边坡稳定的力学模式；进而引入休止角的概念，研究干湿交替环境过程中不同因素影响散体颗粒堆积体边坡稳定性的过程和规律，以及动水环境中，散体颗粒堆积体边坡稳定性的影响因素及规律；在此基础上，以散体颗粒堆积洲滩、边（岸）坡从而诱发失稳滑坡等为背景，探讨建立干湿交替变化环境中失稳破坏的临界条件。研究成果将会进一步完善环境流体力学及泥沙运动力学等学科，并为我国水环境灾害防治奠定基础。

在大气作用下，交替的降雨和蒸发会引起非饱和土边坡土体的干湿循环。这种干湿循环作用对非饱和土的剪切特性及边坡稳定性产生重要的影响。然而当前对非饱和土剪切特性的干湿循环效应缺乏认识，没有建立相应的边坡稳定性分析方法。本项目针对上述科学问题，计划通过室内试验方法研究不同应力和吸力水平下干湿路径、干湿循环幅度和次数对非饱和土剪切特性的影响，揭示干湿循环的作用机理，建立非饱和土抗剪强度与这些影响因素的本构关系；结合室内试验结果，采用模型试验和数值分析方法来研究非饱和土边坡稳定性的干湿循环效应，揭示相应的影响规律及作用机理，并建立干湿循环作用下非饱和土边坡稳定性问题的分析理论和方法。本项目的研究结果将对非饱和土剪切特性的干湿循环效应研究提供基本依据，为相应的非饱和土边坡稳定性分析提供可靠的理论及数据参考,提高干湿循环作用下非饱和土边坡稳定性问题分析的理论水平和预测能力。

在大气作用下，交替的降雨和蒸发会引起非饱和边坡土体的干湿循环，对非饱和土的剪切特性及边坡稳定性产生重要的影响。本项目首先通过非饱和压实高岭土直剪试验探讨了干湿循环对非饱和土剪切特性的影响。试验结果表明干湿路径、干湿幅度和干湿循环次数影响了非饱和土的应力-应变曲线、峰值及残余抗剪强度和剪胀性等剪切特性。前两个因素的影响可归纳为干湿循环改变了土体的孔隙体积和饱和度，导致土体的状态发生变化，从而影响了非饱和土的剪切特性。对数据的分析表明基于有效饱和度定义的平均骨架应力可用于描述干湿路径和干湿幅度对非饱和土残余强度的影响。循环次数的影响除了改变土体的孔隙体积和饱和度以外，还会导致土体内摩擦角的衰减。采用模型试验和数值模拟研究了干湿循环下非饱和土边坡的吸力、含水率、变形和安全系数的变化规律，结果显示随着干湿循环次数的增加，坡体变形模式发生了变化，土体吸力和边坡安全系数在逐渐下降。本项目的研究结果可为干湿循环作用下非饱和土边坡稳定性分析提供的理论及数据参考。 2100433B

《高台阶排土场散体边坡稳定性及其病害防治》共分5章，内容包括：排土场矿岩散体及其堆积体、高台阶排土场矿岩散体粒径分级规律；排土场矿岩散体的物理力学特性；排土场边坡稳定性分析与滑坡防治措施、排土场泥石流及灾害防治。

《高台阶排土场散体边坡稳定性及其病害防治》可供矿山生产设计和安全管理的工程技术人员和管理人员参考，也可供高等院校相关专业的师生使用。