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降雨条件下边坡非饱和入渗模型及生态加固机理研究

2020-12-02阅读(549)

降雨条件下边坡非饱和入渗模型及生态加固机理研究

论文摘要

近年来,由降雨引发的滑坡事故频发,土体降雨入渗过程和植被根系生态加固机理研究对边坡稳定性分析至关重要。本文综合运用理论分析、模型试验和数值模拟,研究了更符合湿润区含水量分布特征的非饱和降雨入渗模型,以及降雨入渗条件下植物根系吸水和加筋作用对边坡加固的影响机理。主要成果如下:（1）根据含水量的不同,将入渗过程中土壤剖面划分为饱和区和非饱和过渡区,并基于Seep/W有限元软件模拟入渗过程,研究饱和区和非饱和过渡区深度随入渗时间的变化规律,提出了可以表征饱和区深度占湿润锋深度的比例（R）随入渗时间（t）变化的函数,即湿润区分区函数R（t）,该函数可拟合为三参数指数形式,并采用MATLAB软件构建BP神经网络建立了拟合参数的预测方法。（2）采用等效渗透系数（ks’）表征整个湿润区的渗透特性,推导了关于比例R的等效渗透系数公式。基于湿润区分区函数和等效渗透系数建立了改进的Green-Ampt（GA）入渗模型,将改进的GA模型计算结果与传统的GA模型计算结果、数值模拟计算结果和实验数据进行对比,结果表明改进的GA模型可以得到更精确的入渗量及湿润锋深度与降雨时间的关系。（3）搭建了边坡降雨模型试验平台,进行了裸露和生态边坡降雨对比试验,研究了金叶女贞根系吸水作用下的边坡加固机理。试验表明根系吸水作用可提高边坡土体吸力,且当边坡深度大于根系长度时,吸力受根系吸水作用的影响越来越小,边坡饱和度越高时,根系吸水作用越不明显;同时土水特征曲线分析表明根系吸水作用提高了边坡土体的持水能力,进而影响边坡稳定。（4）开展室内试验研究了根系加筋作用下的边坡加固机理,得出金叶女贞根系抗拉强度与直径呈负相关;根系加筋可有效提高土体强度,且对土体粘聚力的增强效果较为显著,对内摩擦角影响较小;当保持根系其他变量相同时,根系直径、根系分布密度、单根长度越大,根系加筋土的抗剪强度越大;根系分布角度会影响根系的加筋效果,水平放置的根系加筋土抗剪强度最大。（5）基于降雨条件下的生态边坡数值分析,获得了根系特征对边坡加固效果的影响规律。得出随着根土粘结强度的增大,生态边坡安全系数先逐渐增大,后逐渐趋于稳定;根系直径越大、分布越密集、根系越长,生态加固边坡水平位移越小;且随着根系长度的增大,边坡潜在滑裂面逐渐向深层移动。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 降雨入渗理论模型
  •     1.2.2 边坡生态加固研究现状
  •   1.3 目前存在的问题
  •   1.4 研究内容及创新点
  •     1.4.1 研究内容
  •     1.4.2 主要创新点
  •   1.5 技术路线
  • 第2章 积水入渗条件下湿润区分区函数研究
  •   2.1 土壤水分入渗过程概述
  •     2.1.1 入渗过程分析
  •     2.1.2 地表入渗边界条件
  •   2.2 积水入渗过程模拟
  •   2.3 湿润区分区函数的建立
  •   2.4 湿润区分区函数影响因素分析
  •     2.4.1 初始条件的影响
  •     2.4.2 土壤水力参数的影响
  •   2.5 BP神经网络模型预测拟合参数
  •     2.5.1 BP神经网络介绍
  •     2.5.2 拟合参数预测
  •   2.6 本章小结
  • 第3章 改进的Green-Ampt入渗模型研究
  •   3.1 入渗剖面的非饱和水力特性
  •   3.2 改进的Green-Ampt模型推导
  •   3.3 等效渗透系数与饱和渗透系数的比值随R的变化
  •   3.4 改进的Green-Ampt模型验证
  •     3.4.1 湿润锋深度随时间的变化
  •     3.4.2 入渗率随时间的变化
  •     3.4.3 等效渗透系数随R的变化
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 边坡根系水力加固作用降雨模型试验
  •   4.1 根系吸水模型
  •     4.1.1 微观吸水模型
  •     4.1.2 宏观根系吸水模型
  •   4.2 降雨条件下生态边坡模型试验研究
  •     4.2.1 研究方案
  •     4.2.2 试验材料及测试仪器
  •     4.2.3 试验平台搭建
  •   4.3 根系吸水对边坡吸力和含水量的影响
  •     4.3.1 边坡吸力变化特征
  •     4.3.2 边坡含水量变化特征
  •   4.4 根系吸水对边坡土水特征曲线的影响
  •   4.5 本章小结
  • 第5章 植物根系及根系加筋土力学特性研究
  •   5.1 根系抗拉力学性能研究
  •     5.1.1 试验仪器和方法
  •     5.1.2 金叶女贞抗拉特性与直径的关系
  •   5.2 根系加筋土三轴剪切试验
  •     5.2.1 试验方案
  •     5.2.2 试验材料及仪器
  •     5.2.3 主要试验步骤
  •   5.3 根系加筋土抗剪强度指标及其影响因素分析
  •     5.3.1 主应力差与轴向应变的关系
  •     5.3.2 根系加筋土抗剪强度参数分析
  •     5.3.3 根系形态和分布特征对土体强度的影响
  •   5.4 本章小结
  • 第6章 降雨条件下边坡生态加固数值分析
  •   6.1 PLAXIS计算原理
  •     6.1.1 土体单元
  •     6.1.2 土体本构模型
  •     6.1.3 根系结构
  •     6.1.4 渗流原理
  •   6.2 裸露及生态加固边坡有限元模型
  •     6.2.1 裸露边坡几何模型及边界条件
  •     6.2.2 生态加固边坡几何模型及边界条件
  •     6.2.3 模拟计算方案
  •   6.3 降雨条件下生态加固和裸露边坡变形及稳定性研究
  •     6.3.1 生态加固对边坡变形特征的影响
  •     6.3.2 生态加固对边坡稳定性的贡献
  •   6.4 降雨强度对生态加固边坡的影响
  •     6.4.1 降雨强度对边坡变形特征的影响
  •     6.4.2 降雨强度对生态加固边坡稳定性的影响
  •   6.5 根系特征对生态加固边坡的影响
  •     6.5.1 根土粘结强度的影响
  •     6.5.2 根系物理特征的影响
  •     6.5.3 植被种植密度的影响
  •   6.6 本章小结
  • 第7章 结论与展望
  •   7.1 结论
  •   7.2 展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 孟素云

    导师: 王成彪,杨宇友

    关键词: 降雨入渗,边坡,改进模型,根系吸水,生态加固机理

    来源: 中国地质大学(北京)

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地质学,建筑科学与工程

    单位: 中国地质大学(北京)

    分类号: TU43

    DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000187

    总页数: 133

    文件大小: 4528K

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