降雨作用下基于电导性能的土坡基质吸力时空变化试验研究

降雨作用下土坡基质吸力随时空而变化,直接影响土坡的瞬态稳定性分析。为研究降雨作用下土坡电导性能与基质吸力的时空变化与联系,通过人工降雨滑坡物理模型试验,将电阻率作为监测量与常规的含水率、基质吸力相结合,并在边坡模型上种植马尼拉草,研究植草边坡在均匀降雨、前小后峰和前峰后小这3种动态降雨模式下的入渗特征。研究结果表明:动态降雨模式下,降雨强度变化对土体电阻率和含水率均能产生影响,但都存在一定滞后性。降雨前边坡土体基质吸力、电阻率较高,随着深度的增加逐渐递减。降雨后表层土体基质吸力、电阻率出现较大跌幅,分布上呈现由浅层到深层逐渐增大态势。结合Keller改进的Archie拓展模型与VG模型,得到基于电阻率的残积土基质吸力计算模型,并用试验数据进行验证,结果较为合理,为非饱和残积土基质吸力的测量提供一种快速便捷的方法。研究成果有助于探究非饱和残积土边坡在不同降雨模式下的渗流特征,揭示了降雨作用下坡残积土的电导性能演化规律与基质吸力空间分布特征。

基于XGBoost模型的降雨诱发阶跃型滑坡位移预测

滑坡位移预测一直是滑坡研究的热点之一。近年来,随着计算机科学的发展,越来越多的人工智能技术模型被用于滑坡位移的预测。相较于常用的如LSTM神经网络等机器学习模型,集成算法中的XGBoost模型在滑坡位移预测领域尚不多见。由于其在滑坡位移预测中具有预测精度更高、运行速度更快等优点,目前在学术界已成为研究的热点领域。文中以泉州市安溪县尧山村滑坡地灾点监测数据为例,运用Python搭建XGBoost模型,并通过最大信息系数的比较来选定与位移高度相关的特征,输入至模型中对滑坡位移进行预测。结果表明,XGBoost模型因其在目标函数中引入正则项来控制模型过拟合、模型数据集划分采用前向验证方式等优点,相较于大多数机器学习模型,能更加准确地预测降雨诱发阶跃型滑坡位移。该模型对此类滑坡的位移预测及早期监测预警具有重要参考意义。

降雨入渗下非饱和坡残积土湿润锋运移试验研究

我国东南沿海地区丘陵山地发育,降雨入渗到土体中的水分是导致滑坡灾害频发的关键因素。以福建省泉州市德化县地质灾害点为主要研究对象,考察典型地质灾害点具有代表性的坡积土与花岗岩残积土的渗透特性。利用自行研制的土体入渗装置,分别在降雨强度为15、30、60mm/h条件下,考虑降雨历时一致(180min)与过程降雨量一致(90mm)两种工况开展一维土柱入渗试验,得到相应的各个土柱含水率、湿润锋、入渗率随时间变化的响应规律。试验结果表明:(1)土体渗透系数越大、雨强越大,土体湿润蔓延距离越深、速度越快。(2)降雨入渗过程中,土体含水率由浅及深逐次对降雨进行响应。不同雨强对含水率的影响主要体现在第一次响应时间以及饱和速度上,雨强越大,响应时间越快,饱和速度也越快。(3)提出可表征在不同雨强作用下,德化县马坪滑坡与崩土岭滑坡的湿润锋入渗公式。该研究成果对台风暴雨型滑坡的孕灾机制分析以及精细化监测预警具有重要的理论及实际意义。

注浆支盘式锚杆拉拔荷载传递非线性分析

基于支盘式锚杆室内模型拉拔试验,探究荷载–位移曲线的变化特征和轴力传递特性,然后在此基础上探讨支盘式锚杆的力学模型,推导出盘端阻力的理论计算公式,结合锚-土界面的双曲线非线性模型,采用分段变形协调迭代算法建立荷载传递计算模型,并与实测数据进行对比验证,最后对极限扩孔压力分布、支盘挤扩角等参数进行敏感性分析。研究结果表明,荷载–位移曲线可划分为三阶段,轴力分布沿锚固体深度呈减小趋势且在支盘处发生台阶状突变,荷载比也不断增长;计算模型所得结果与室内实测数据基本一致,验证了本模型的有效性;支盘的极限扩孔压力沿支盘径向先快速非线性增长后缓慢减小,其峰值随着位移增大而增大并以支盘中心为圆点径向外移,整体分布由"锥台状"发展为"圆柱状";挤扩角大于50°时,对锚杆承载性状影响显著。研究结果对支盘式锚杆的受力分析和设计具有重要的理论及实际意义。

基于现场原型试验的斜坡降雨入渗分析及入渗模型研究

我国东南沿海地区台风暴雨多发,而台风暴雨条件下雨水的入渗是东南丘陵山地滑坡的一个重要诱因。有必要深入研究不同地质地形斜坡环境条件下雨水入渗湿润锋的迁移规律。通过滑坡原位监测试验场的监测数据,分析了降雨入渗时空变化规律,建立了综合考虑土体初始含水率分布不均匀性和斜坡环境的降雨入渗模型,并利用现场试验结果及前人经典模型计算结果对该模型进行了对比分析。结果表明:(1)降雨入渗初期,不同深度含水率增长斜率较陡,随着时间的推移,斜率逐渐减缓。当累计降雨量达到44.4mm以上时,含水率剖面图由Z型变为反S型,随着降雨量的减少,雨水入渗过程由积水入渗转变为非积水入渗。入渗后期,不同深度含水率增长率趋于一个常数,而达到稳定入渗阶段。(2)湿润锋迁移速度随降雨量增大而增加,降雨初期,雨水入渗率大,湿润锋迁移速率快,且迁移速度随土层埋深的增大而减少。(3)改进的降雨入渗模型计算的湿润锋深度随时间的变化结果与现场监测试验结果较为吻合,考虑斜坡倾角和初始含水率分布的不均匀性可提高Green-Ampt模型计算精度。该研究结果对于建立有效的台风暴雨型滑坡的预警模型具有一定的指导意义。

CSFG-FR协同作用改良淤泥固化土性能试验研究

为改良淤泥固化土力学特性,提高其变形稳定性,提出采用以水泥-矿渣-粉煤灰-石膏(CSFG,cement-slag-flyash-gypsum)为材料的新型环保固化剂,协同纤维加筋(FR)作用改良淤泥固化土。通过开展无侧限抗压试验和渗透试验,对比分析了不同CSFG掺量(10%、20%、30%)、不同纤维长度(0、3、6、12 mm)和纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.8%)对试样力学性能和渗透性能的影响。此外,通过X射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)和核磁共振试验(NMR)分析了CSFG-FR协同作用的微观机制,讨论了其协同作用机制。得到如下主要结论:CSFG-FR试样的力学性能有较为显著的提升,破坏模式从脆性破坏转变为韧性破坏,变形性能也得到改善,但渗透性能改良效果不明显;CSFG-FR中的纤维存在临界掺量(0.4%),当纤维小于临界掺量时发挥积极作用,超过时则会产生反作用;纤维通过形成三维纤维网络,促进水化物分布,引导水化物在其表面附着生长而发挥CSFG-FR协同作用,最佳纤维掺量为0.4%,最佳纤维长度为12 mm。

基于电导性能的原状土柱降雨入渗规律研究

我国东南沿海地质环境复杂脆弱,由台风暴雨引发的滑坡频频发生。雨水入渗到土体内可能导致坡体变形,进而产生滑坡、泥石流等灾害。以福建三明岩兜滑坡为研究对象,通过自行研制的人工降雨土柱入渗试验装置,对研究区滑坡的残积土柱进行了不同降雨强度下(20 mm·h^(-1)、60 mm·h^(-1))的累次循环降雨实验,考虑了不同降雨量、降雨历时和雨停时间等工况,获得了干湿循环下土柱含水率、电阻率以及基质吸力变化等丰富的降雨入渗试验数据,并与现场原型测试结果验证。研究结果表明:(1)累次降雨中,土柱上部传感器含水率峰值随着干湿循环次数增加缓慢降低,深部的土体则在累次降雨后,土体含水量逐渐累积,含水率峰值缓慢提高。(2)原状土柱土体具有非均质性,不同深度土体电阻率大小不一。电阻率响应时间与含水率响应时间具有高度相关性,含水率变化时电阻率也几乎同时产生变化,但两者变化趋势相反。(3)基质吸力在累次降雨雨停阶段回升缓慢,多次降雨过程中,由于前次降雨中留下的水分未完全排干,基质吸力在多次降雨的作用下降到0 kPa。(4)基于Keller改进的Archie拓展模型对研究区土体电阻率含水率进行拟合,并用实测数据进行验证,误差较小。进一步结合Archie拓展模型与Green-Ampt、Philip入渗模型,得到基于电阻率的Green-Ampt与Philip入渗模型。研究成果有助于进一步揭示研究区降雨作用下坡残积土的电阻率演化规律,揭示坡残积土坡在累次降雨下的水分入渗规律,对台风暴雨型滑坡稳定性分析及监测预警具有重要的理论及实际意义。

基于台风路径追踪的滑坡概率分析

台风暴雨是我国东南丘陵山地滑坡的主要诱发因素,揭示台风路径与滑坡发生的相关关系对东南丘陵山地台风暴雨型土质滑坡监测预警具有重要的理论及实际意义。本文基于2015—2019年直接过境福建省或间接对福建省造成影响的台风数据以及与这些台风事件发生期间的降雨量数据和台风暴雨滑坡数据,运用ArcGIS软件中的克里金插值法将台风路径、降雨量数据及台风暴雨滑坡数据进行耦合。再运用Logistic回归方法,通过SPSS软件得到泉州市基于台风路径追踪的滑坡发生概率模型。并运用克里金插值法和Logistic回归方法,以台风杜鹃期间的滑坡为实例对所得模型进行验证,其对实际雨量站测得降雨数据引发滑坡与否的判对概率为77%,对实际发生滑坡的判对概率为100%,依据实际降雨量计算数据,其误报率为21%,但实际滑坡发生的误报率为0,符合安全性。预报效果较为满意,因此模型可作为在台风经过泉州市时的台风暴雨型滑坡发生概率的预测。