诱发黄土地质灾害的含水状态宏细观模型及应用研究结题摘要

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。 2100433B

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。

降雨诱发滑坡型泥石流的启动机理和力学过程比较复杂，单从宏观或连续角度研究可能会遇到瓶颈。在课题组前期研究的基础之上，利用可视化细观测试分析系统，进行室内模型试验和离心机模型试验，并结合离散元数值模拟，从宏细观结合和非连续的角度系统地研究了降雨诱发泥石流形成的演化规律，并揭示了泥石流的形成机理。 通过室内模型试验，发现降雨强度是形成滑坡型泥石流的关键因素。降雨强度较低时，坡体容易发生分层滑动，一般不会形成泥石流；当降雨强度较高时，坡体容易发生整体流滑后迅速流态化，形成泥石流。不同土体形成泥石流时，所需的临界降雨强度不同，粗砂和细砂坡体形成泥石流的临界降雨强度分别为50mm/h和36mm/h。当细粒含量为10%时，泥石流发生的临界降雨强度为36mm/h，当细粒含量达到20%时，坡体不再发生泥石流。 通过离心机模型试验揭示了接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，离心机模型试验的泥石流形成的宏观演化规律与室内模型试验基本一致，但孔隙水压力的变化幅度大，孔压峰值高，孔压变化规律更接近现场试验情况。 通过模型和离心机试验，建立了滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系。通过考虑泥石流形成过程的非饱和特性和非连续特性，采用微小颗粒模拟水对离散元数值模拟软件PFC3D的模拟方法进行了改进。运用改进后的方法对降雨诱发泥石流的室内模型试验和离心机模型试验进行数值模拟，取得了和模型试验相似的结果。 室内模型试验发现，泥石流“锚杆-护坡”治理的效果比其它三种形式要好。室内模型试验和离心机模型试验发现，在“锚杆-护坡”的滤水固砂作用下，坡体形成“底部细颗粒积聚密实，上部粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构，坡体产生滑动并形成泥石流的机率减小。 本项目从宏细观角度揭示了泥石流的形成机理，不仅为泥石流的深入研究提供了细观力学解释，还为泥石流防灾减灾提供了理论依据。 2100433B

泥石流研究是当前热点课题之一，而泥石流机理比较复杂，单从宏观或连续角度研究泥石流机理可能会遇到瓶颈。本申请项目在前期研究的基础上，利用可视化细观测试分析系统，通过室内模型试验、离心机模型试验和非饱和数值模拟，从细观层面揭示滑坡型泥石流形成及局部护坡治理的宏细观机理：(1)研究滑坡型泥石流形成的关键因素，揭示缩尺条件下滑坡型泥石流的宏细观力学机理；(2)揭示接近实际应力场条件下滑坡型泥石流形成过程的颗粒细观组构演化规律和宏观力学特性，建立滑坡型泥石流细观和宏观力学参数之间的联系；(3)考虑泥石流的非饱和特性，建立能反映非饱和特性的分析模块，提出泥石流非饱和离散-连续耦合数值分析方法；(4)从细观角度研究滑坡型泥石流局部护坡治理的宏观力学特性，揭示滑坡型泥石流局部护坡治理的宏细观机制。本研究可为滑坡型泥石流形成机理和治理机制的深入研究提供细观力学基础，还可为泥石流减灾提供理论依据。

本项目旨在通过含粉粒夹层的层状砂土液化可视化动三轴试验、颗粒流数值模拟和离心模型试验验证，揭示粉粒夹层厚度对层状砂土液化影响的宏细观机理，主要研究内容包括：（1）利用显微数码摄像可视化跟踪技术和数字图像变形量测技术，获取层状砂土液化过程中界面处砂粒和粉粒的细观组构特征及其演化规律；（2）利用离散单元法中的颗粒流理论，在细观尺度上考虑颗粒离散元与流体动力学耦合，建立饱和层状砂土液化细观数值模型。(3)利用层状砂土颗粒流数值模型，就粉粒夹层厚度对饱和层状砂土液化特性影响的宏细观机理进行系统研究，分析宏细观力学量之间的内在联系，从细观角度入手探讨饱和层状砂土液化的宏细观力学机理，并用离心机试验对模拟结果进行验证。本项目的开展不仅能够为砂土液化研究提供新思路，提升人们对含粉粒夹层饱和层状砂土液化机理的认识，而且还能为砂沸、液化后大变形等现场液化现象提供细观力学解释。