我国是世界上滑坡灾害最严重的国家之一, 重大滑坡灾害严重威胁人民生命财产安全和国家重大战略实施。滑坡精准预测预报是防灾减灾的前提, 也是亟待突破的世界性科学难题。以重大滑坡预测预报为目标, 聚焦滑坡演化过程与物理力学机制核心科学问题, 凝炼了滑坡启滑关联机制、滑坡启滑物理力学机制、滑坡过程预测预报理论3个关键科学问题, 提出了如下研究思路: 以系统论、控制论和信息论为指导, 依托大型野外试验场, 采用现场原型试验与多场关联监测、大型物理模型试验、多场耦合模拟等技术手段, 以滑坡孕育过程为基础, 提出了重大滑坡的启滑分类; 揭示锁固解锁型、静态液化型和动水驱动型滑坡启滑物理力学机制, 建立相应的启滑判据; 构建重大滑坡数值预报模式与实时预报平台, 创立基于物理力学过程的滑坡预测预报理论。通过实施, 可奠定上述3类滑坡预测预报的地质、力学与物理基础, 引领重大滑坡预测预报研究, 保障国家重大战略的顺利实施, 契合国家防灾减灾重大需求。

滑坡预测预报是地质灾害防治领域长期以来备受关注的前沿科学问题。当前的研究框架专注于滑坡的变形行为特征与外动力因素, 面临着普适性不强与预报精准度不高的双重瓶颈问题。基于目前研究现状, 系统梳理了滑带流变力学行为与强度弱化效应的内涵, 阐述了滑坡渐进破坏演化机制, 总结了滑坡预测预报模型所包含的类型, 并介绍了其中的典型模型, 指出当前研究主要存在如下问题: ①滑坡演化物理力学模型尚需扩展; ②预测预报模型未能充分结合滑坡演化过程和物理力学模型; ③物理力学模型预测与多场监测数据间的兼容性问题未能实际解决。针对上述问题, 阐述了基于物理力学过程的滑坡预测预报所面临的挑战, 并立足多学科融合与交叉, 提出了开展滑坡预测预报研究的新思路。新思路要求从滑坡滑带介质特性与流变力学行为出发, 建立滑坡演化过程物理力学模型, 紧密结合实时多场监测数据, 建立滑坡数值预报模式, 实现滑坡物理力学过程实时动态更新, 以期实现理论与技术的突破。

使用双参数折减方法分析边坡稳定性的研究较多, 如何把两个折减系数定义为单一的综合安全系数是目前研究的一项重要内容。Isakov提出的最短折减路径法能够保证在不同工况下得到最小安全系数, 但是该方法的缺点在于计算复杂, 不适合工程应用。通过有限元数值模拟, 利用最短折减路径方法计算不同强度黏土构成的不同坡度均质土坡的最小安全系数和对应的折减系数, 探索了最小安全系数与土的初始黏聚力、内摩擦角以及边坡坡度的关系, 分析了初始强度对折减系数的影响。结果表明, 相同坡度下不同强度的黏土边坡在失稳时, 最小安全系数对应的临界破坏强度相同。临界破坏强度与坡度近似成线性正相关关系。由此基于最短折减路径法提出了一种新的计算最小安全系数的方法, 该方法得到的安全系数与目前常用的极限平衡方法所得结果相近, 并且计算简单, 因此可以用于边坡稳定性分析。

以奉节新铺下二台滑坡为例, 基于GPS位移监测数据、裂缝数据、降雨量及库水位等多源数据, 总结分析了大型古滑坡的复活规律, 引入滑坡中长期预报模型, 实现了以季度或月份为时间单位的跨水文年滑坡位移预测, 并通过岩土体蠕变压缩模型, 验证了推移式滑坡后缘裂缝形成机理。结果表明: ①降雨是下二台滑坡变形的主导因素, 滑坡变形使得滑体产生裂缝并成为降雨入渗通道, 加剧了岩体破碎与软弱层软化, 降低了滑坡稳定性, 集中持续降雨可使滑坡失稳破坏; ②通过模型预测值与地表监测数据的比较, 将年降雨量作为滑坡中长期预报模型中的主控因素具有实际可操作性且有助于提高滑坡中长预报精度; ③推移式滑坡后缘裂缝由滑坡推移式位移和岩土体压缩形成, 引入蠕变压缩模型计算的裂缝宽度并和监测数据的比较说明, 蠕变压缩模型非常适合该类边坡, 同时应用岩土体蠕变压缩模型反推得到岩土体平均变形模量, 判断岩体破碎程度, 可以为滑坡稳定性分析及后续工程治理提供参考。

黄冈市是湖北省汛期地质灾害频发区之一, 地质灾害类型以滑坡为主, 其中75%为降雨型滑坡。通过统计分析黄冈市近10年滑坡与降雨的相关关系, 在考虑黄冈市地质灾害易发性分区基础上, 研究黄冈市降雨型滑坡的降雨阈值, 利用逻辑回归模型建立滑坡发生的概率预测模型, 再针对不同等级易发区提出对应的气象预警判据。最后以历史降雨及其滑坡事件检验预警判据的合理性与可信度。结果表明, 所建立的气象预警判据在时间尺度上由以往依托气象部门的中长期预警精细到了24 h的短临预警, 在空间尺度上确定了不同等级易发区的降雨型滑坡气象预警判据。预警准确率大幅提升, 显著提高了黄冈市降雨型滑坡气象预警精度, 可为临灾转移提供精细化的技术指导, 有效降低降雨型滑坡灾害带来的生命财产损失。

速度倒数法(INV)是基于坡表变形特征的滑坡启滑预测工具, 其与滑坡内部多物理场演化的关系仍需进一步明晰。开展了甘肃省舟曲县立节北山滑坡的勘察与坡表变形监测, 采用基于速度倒数法、速度阈值法、以非饱和土理论为基础的边坡降雨响应模拟3种方法, 对该滑坡的运动特征与失稳的内在机制展开了研究。研究结果表明: 边坡变形速度倒数-时间曲线有明显的加速起始点。速度倒数在2021年6月3日达到最低值后, 进入约60 d的平稳期, 在9月20日突然加速, 并在20 d内速度达到200 mm/d以上, 变形不再收敛。基于速度倒数法得到的滑坡生命周期结束点, 与实际的失稳点相差8 d, 提前约130 d对该突发性滑坡进行了预报。根据全过程速度时程曲线, 存在20, 60, 100 mm/d的多级速度阈值。边坡应力场、变形场、渗流场的数值模拟结果显示, 变形时程曲线的拐点与降雨强度的增加相关, 累计降雨量与安全系数呈指数负相关。数值模拟得到的累计变形为2 250 mm, 变形速度为10~35 mm/d, 速度倒数为0.03~0.12 d/mm, 与实际监测数据接近。综上所述, 速度倒数法对立节北山滑坡的生命周期进行了有效预测, 基于速度的预警阈值受长时序变形时程曲线波动的影响, 采用以非饱和土理论为基础的数值模拟明晰了立节北山滑坡变形对降雨的响应机制。

2021年6月10日20时30分左右, 贵州省兴仁彭家洞发生高速滑坡, 滑坡体高速运动沿途铲刮坡面崩塌堆积体, 造成3人遇难, 18栋房屋损毁。通过对滑坡发生前后影像资料遥感解译、灾害发生现场详细的地质调查及室内综合分析等技术手段, 对彭家洞滑坡的特征进行了详细描述, 阐明了滑坡发生的运动特征与形成机理。研究表明: 斜坡地形"上陡-中缓-下陡"与岩土结构"上硬下软"是滑坡形成的内在因素, 人类工程活动、强降雨的饱水加载和下渗软化作用是滑坡形成的外在因素; 滑坡平面形态呈折线形, 根据运动特征和堆积结构将滑坡分为滑源区(Ⅰ)、铲刮-流通区(Ⅱ)、铲刮堆积区(Ⅲ)3个区; 滑坡是由危岩带形成、滑坡孕育及斜坡失稳3个阶段孕育形成的挤压-推移式高速滑坡。研究结果对贵州类似的斜坡地带及岩土结构区域开展防灾减灾工作具有较强的指导作用。

滑坡稳定性评价是滑坡防治中关键问题之一, 滑坡失稳破坏判据研究可为滑坡稳定性评价提供支持。为了提高滑坡稳定性评价的精度, 以滑坡深部位移监测数据为基础的滑坡失稳破坏判据不失为一种有效方法。基于滑坡深部位移监测数据, 引入滑带完整性指标, 推导得到了滑带完整性指标与滑坡抗剪强度参数之间呈正比例关系; 运用滑坡稳定性计算方法和三峡库区堆积层滑坡简化模型, 获得了滑带完整性指标与滑坡的稳定性系数之间呈正比例关系。建立了考虑滑带完整性指标的三峡库区堆积层滑坡失稳破坏判据, 即: 当滑坡滑带土完整性指标大于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡处于稳定状态; 当滑坡滑带土完整性指标小于滑坡滑带土完整性指标的临界值时, 滑坡发生失稳破坏。以三峡库区典型堆积层滑坡——五尺坝滑坡为例, 通过实例分析发现该判据具备可靠性, 对堆积层滑坡适用性好。研究成果表明, 滑带完整性指标失稳破坏判据可以用于评价滑坡的稳定状态, 为滑坡失稳破坏判据研究提供了一种新思路。

为研究土质边坡深层滑移失稳机制, 以京广铁路下行线K1219+000处路基边坡失稳为例, 通过现场调查测绘、工程地质钻探、原位试验和室内试验、深部位移监测和数值模拟等手段, 详细研究了该土质边坡变形破坏特征、地质力学过程和失稳模式。结果表明: 路基边坡表面裂缝宽度及深度呈坡顶至坡脚逐渐变浅变窄, 变形具有一定的旋转性, 牵引式特征明显, 属于深层滑移拉裂式失稳; 土质边坡经历了因坡脚开挖、抽水引起的应力场和渗流场重新分布阶段、雨水入渗软化导致下滑力不断增大而滑面逐渐迁移扩大加深阶段以及支挡结构抗力失效阶段3个地质力学过程, 其失稳模式包括浅层滑移、浅层滑面向深层迁移、动荷载触发深层滑移失稳3个阶段。在此基础上, 综合确定了滑面位置, 并通过反演方法确定了滑面力学参数。研究采用了刚架式双排抗滑桩的整治方案, 通过理论计算和数值分析, 边坡变形与抗滑桩变形基本一致, 且与监测结果整体吻合, 这表明土质边坡深层失稳理论分析准确且计算的力学参数科学, 整治对策稳妥、可靠。

降雨入渗和人工开挖是诱发黄土滑坡的重要因素, 为了研究在这2种诱因作用下关中地区黄土滑坡失稳过程及其对稳定性的影响, 以陕西省长武县杨厂村老庙滑坡为研究对象, 通过现场调查、地质测绘和钻孔勘探, 查明了该滑坡变形特征, 定性分析了滑坡变形演变过程; 基于滑坡变形前15 d内日降雨量实测值, 采用有限元软件, 对坡脚开挖后连续降雨作用下滑坡形成过程进行了仿真模拟; 基于强度折减法对该滑坡稳定性变化规律进行了研究。结果表明: ①关中地区特殊的地层结构是滑坡变形的内因, 降雨是最主要的诱发因素; ②滑坡失稳演化过程表现为: 坡体处于蠕滑状态, 坡脚开挖后, 坡体前缘失稳, 牵引中后缘坡体向下错动而产生张拉裂缝, 在降雨作用下, 雨水沿裂缝渗入坡体深部, 滑坡中部岩土体浸水后抗剪强度降低, 从而导致黄土层与红黏土层接触面饱水形成贯通滑带, 诱发深层滑坡; ③滑坡开挖后较初始状态, 稳定性系数降幅为0.102, 此后受连续降雨影响, 稳定性系数在前10 d以平均0.010/d的速率缓慢下降, 第10~13 d以0.034/d的速率快速下降至最低, 第13 d以后开始回升。研究结果可以为该类滑坡防治提供有效依据。

三峡水库运行过程中库岸滑坡的变形演化往往滞后于库水位的变化, 表现出时间滞后效应, 而且随渗透系数和库水位波动速率的不同, 滞后效应亦不同。以三峡库区白家包滑坡为例, 通过现场调查、监测数据分析以及数值模拟的方法, 研究了滑坡在不同渗透系数k和不同库水位下降速率v条件下的变形滞后时间变化规律。研究表明: 滑体渗透系数一定时, 库水位下降速率越大, 地下水滞后越明显; 库水位下降速率一定时, 滑体渗透系数越大, 地下水下降越快。当滑体渗透系数一定时, 库水位下降速率越大, 滑坡的变形滞后时间越短; 滑体渗透系数k=0.85 m/d时不同库水位下降速率作用下滑坡的变形滞后时间为3.74~9 d, 当0.47＜v/k＜1.18时, 0.24＜相对变形滞后时间＜1;当1.18＜v/k＜2.38时, 0＜相对变形滞后时间＜0.24。当库水位下降速率一定时, 滑体渗透系数越大, 滑坡变形滞后时间越短, 不同库水位下降速率下滑坡变形滞后时间随渗透系数的变化规律大致相同; 库水位下降速率v=1.8 m/d时不同滑体渗透系数下滑坡的变形滞后时间为1.7~8 d, 当0.52＜v/k＜0.84时, 0＜相对变形滞后时间＜0.16;当0.84＜v/k＜2.12时, 0.16＜相对变形滞后时间＜0.43;当2.12＜v/k＜9时, 0.43＜相对变形滞后时间＜1。研究成果对水库滑坡预测预警具有较强的应用价值。

水对岩土体的力学参数存在明显的劣化效应。开展了不同含水率条件下滑坡堆积体三轴力学试验, 建立了饱和度和力学参数之间的经验方程; 对建立的经验方程进行了二次开发, 通过饱和度和力学参数的耦合, 实现了库水位实时变动过程中考虑岩土体力学参数变化对滑坡稳定性的影响, 克服了库水位变动过程中岩土体物理力学参数不能随库水入渗变化的局限性。通过云南省兰坪县大华滑坡在库水位变动环境下的模拟结果和现场监测数据的比对, 验证了考虑岩土体力学参数水致劣化效应的合理性, 并对大华滑坡考虑水致劣化效应的变形演化规律进行了工程应用。

为了研究川西凹陷地区中更新统冰水沉积滑坡的变形破坏机制和稳定性, 以G5京昆高速成雅段K1887+350滑坡为例, 通过工程地质勘察和物理力学试验, 运用综合监测技术, 以滑坡的实际变形量为基础, 分析了滑坡变形破坏机制, 研究加固处治前后的滑坡稳定性。结果表明: 不利的地质结构、前缘临空及降水诱发是K1887+350滑坡变形破坏失稳的主要原因, 中更新统冰水沉积层细粒土的膨胀性进一步降低了土体抗剪性质, 地表水长期渗润最终导致冰水沉积物浅表发生蠕动-拉裂变形; 地表裂缝监测是判断山体变形趋势、分析滑坡稳定性的有效途径。

动水驱动型滑坡状态识别能更有效地辅助分析滑坡形变规律, 实现滑坡状态的准确识别对深入展开动水驱动型滑坡状态研究具有重要意义。针对目前动水驱动型滑坡突变状态研究较少, 难以获得相关特征, 从而导致状态识别性能不佳的问题, 提出了一种应用于动水驱动型滑坡状态识别的生成对抗网络学习方法。本方法通过构建滑坡状态监测数据矩阵, 依据少量数据样本设计合理的生成器网络完成对滑坡状态的数据扩增并设计判别器网络实现扩增数据的筛选, 通过对抗生成网络实现对滑坡状态的分类, 达到滑坡状态识别的目的。以三峡库区白水河滑坡为研究对象, 将降雨、库水位、深部位移和地表位移等多源监测数据进行了规范化处理, 设计生成器网络和对抗器网络完成了对滑坡状态数据的扩增, 设计滑坡状态识别生成对抗网络完成了对滑坡状态的分类和识别。结果表明, 生成对抗网络对滑坡状态识别具有较高的准确率。研究结果证实本方法能够对目标区域内的动水驱动型滑坡状态进行准确识别和分类, 可直接应用于工程实际。

动水驱动型顺层岩质滑坡数量多、灾害频发、危害大, 是滑坡地质灾害领域的研究重点, 但目前对于滑坡启滑机制的认识仍不充分, 滑坡的准确预报还面临巨大挑战。鉴于此, 以含软弱夹层的中倾角顺层岩质滑坡为研究对象, 通过构建理想的单层滑带滑坡物理模型, 开展了一系列动水作用下的滑坡模型试验研究。结果表明, 动水作用下顺层岩质滑坡从开始变形至失稳滑动需经历初始变形、缓慢变形、加速变形和失稳破坏4个阶段, 而各个阶段的演化特征与滑面粗糙度和倾角密切相关。滑面倾角越大或粗糙度越小, 滑坡体从开始变形至失稳滑动所需的时间则越短; 相应地, 坡体加速变形阶段越不明显, 滑坡破坏的突发性越强。滑带内的渗流冲蚀作用会使滑带土中的骨料流失, 导致其抗剪强度降低, 进而引发坡体滑动。与此同时, 上覆坡体的压剪作用以及变形演化过程亦将反过来影响冲蚀强度。基于滑带土黏聚力随水力梯度和冲蚀时间的变化关系, 提出了渗流驱动下滑带土黏聚力演化模型, 可较好地描述滑带土黏聚力的退化过程。滑面粗糙度的存在不仅显著影响了滑带的冲蚀劣化规律, 还改变了滑带不同区域的破坏模式。此外, 通过考虑滑面粗糙度对滑带不同区域破坏模式的影响, 开展了动水多效应关联分析, 建立了滑坡地质体力学分析模型, 实现了动水作用下顺层岩质滑坡动态稳定性的有效评估。本研究成果可为实际动水驱动型顺层岩质滑坡的预测和防治提供理论参考。

汶川地震触发的最大滑坡——大光包滑坡是受控于斜坡先期层间构造错动带(软弱层)的大型地震滑坡, 该软弱层不但遭受了强烈的历史构造碎裂, 还在地震中产生了大面积新生震裂, 其成因及对大光包滑坡启动的贡献一直是国内外研究焦点。以大光包滑坡为地质原型, 将层间构造错动带概化为含软弱层单元地质体模型, 基于地震波射线理论, 建立了垂直P波入射过程考虑软弱层顶底界面波场转换和时间延迟的动力响应理论模型, 开展了垂直振动作用下含软弱层单元地质体振动台模型试验, 获得了软弱层应力放大特征及受地震强度和频率的影响规律, 揭示振动波在软弱层顶底界面的波场转换和能量分配产生了振幅衰减, 以及因软弱层与上下硬层介质属性差异造成的时间延迟, 共同导致应力分异和叠加, 促使软弱层应力放大; 从而认为, 强震过程中大光包滑坡先期层间构造错动带应力放大导致了带内岩体碎裂, 降低了滑带岩体抗剪强度, 从而促使强震过程中滑坡快速启动。

在多级滑坡的渐进破坏过程中, 滑带不同部位的屈服程度和破坏模式不同, 强度参数也不同。在强降雨条件下, 坡表产生的张拉裂缝充水, 会产生静水压力。当前广泛应用的传递系数法对滑带不同位置取同一强度参数, 也尚未考虑到静水压力作用。为此提出了一种考虑静水压力作用和滑带不同部位强度参数差异的改进传递系数法, 对降雨引起的西安市柳西村南部的牛角沟滑坡进行了计算。结果表明: 与不考虑静水压力和滑带不同部位强度参数差异的计算方法比, 改进传递系数法计算的抗滑力相对较小, 剩余下滑力计算结果相对较大, 各级滑坡稳定性系数分别减小了约33.26%、17.92%、24.95和16.94%;而改进前的稳定性系数偏高, 可能会导致支挡工程的安全储备不足。本研究提出的改进传递系数法可为多级滑坡处置提供更安全的参考。

库岸滑坡受到库水升降作用影响, 内部渗透压力会产生周期性的变化。动态渗透压力会导致滑带结构与强度产生劣化, 进而影响滑坡整体稳定性。为揭示滑带在渗透作用下的结构演变特征, 通过室内渗流试验结合CT扫描技术获取了黄土坡滑坡滑带在不同渗流条件下的细观结构特征, 采用Avizo软件量化滑带细观结构参数, 定量分析了不同渗透条件下滑带结构的演变规律。结果表明, 滑带的渗透系数随渗流时长的增加而呈指数形式下降, 且水力梯度越大最终试样的渗透系数越小; 连续的CT重构图像显示渗流过程中部分黏土团聚体发生解体, 大孔隙被附近的细颗粒逐渐充填, 试样结构的宏观均一性增强; 统计数据表明滑带土的表观孔隙率由5%下降到了1%, 等效直径小于80 μm的孔隙占比随渗流时长的增加而增多, 而等效直径大于80 μm的孔隙占比随渗流时长的增加而减少。结果证明周期性渗透作用会影响滑带内孔隙结构的分布特征, 细观上表现为大孔隙被小颗粒充填, 导致渗流通道变得细长而弯曲, 孔隙的有效连通性被削弱, 宏观上表现为渗透系数随渗流时长的增加而降低。

在持续降雨或开挖卸荷作用下, 土体的强度指标会发生劣化, 但现今采用的边坡稳定性计算大多直接将其视为一个常数。为接近真实的边坡失稳破坏模式, 基于瑞典条分法以及一阶线性应变软化机制, 提出了一种边坡渐进破坏分析新方法, 推导出应变软化型边坡极限平衡表达式, 并获得了各破坏进度下边坡的安全系数。通过对模拟算例进行分析, 证明了条分-软化法的可靠性, 且计算结果表明渐进破坏过程中安全系数不仅取决于边坡的破坏方式与强度参数, 还与岩土体的软化模量密切相关。同时, 通过与滑坡实际案例的对比验算, 证实其强度指标存在不同的衰减系数, 即黏聚力的衰减系数大于摩擦角。从理论到应用, 最终获得的条分-软化法, 不仅考虑了岩土体的强度劣化效应以及滑动面的渐进发展, 还能有效地服务于实际工程背景下边坡的稳定性分析, 可以为滑坡的预防与治理提供指导建议。

在边坡稳定性上极限分析中, 由于考虑了材料的理想弹塑性本构关系与相关流动法则, 相比极限平衡法更符合岩土材料的特征。在以往的二维边坡极限分析上限法中, 要求坡面形态为规则的直线, 而无论是天然边坡还是人工边坡, 边坡的坡面形态往往并非规则的直线。此外, 以往的边坡极限上限分析中得到的稳定数N_s=c/γH主要针对土坡的临界高度计算, 且未考虑孔压等外力对边坡施加的外功率。不同于传统极限平衡法采用静力学的平衡条件, 本研究针对非直线型坡面边坡稳定性问题, 假定滑动面为对数螺旋线, 基于极限分析上限定理和虚功原理, 提出了一种边坡发生旋转破坏时旋转中心的确定方法, 推导出了非直线型坡面边坡的重力虚功功率和能量平衡方程的解析解, 并提出了基于内、外功率之比的稳定系数K用以评价边坡的稳定性。通过算例比较了不同形态天然边坡的稳定性和人工削坡对边坡稳定性的影响, 并分析了边坡的坡度(β)、土体的内摩擦角(φ)、黏聚力(c)以及孔压系数(r_u)对稳定系数K的影响规律。对于坡度较大的边坡, 通过削坡改变坡面形态提高了边坡的稳定系数K。稳定系数K随黏聚力的增加而非线性增大, 随孔压系数的增加而降低。当黏聚力相对于孔压系数对边坡稳定性影响更大时, 稳定系数K随内摩擦角的增加而增大; 反之, 稳定系数K则随内摩擦角的增加而减小。以上结果符合对边坡稳定性分析的普遍认知, 验证了模型的合理性。另外, 通过将该方法与传统的Bishop法的计算结果进行对比, 发现安全系数F_s=1与稳定系数K=0的临界状态物理意义相同, 稳定系数K随黏聚力非线性增加, 更符合边坡的渐进破坏过程。

持续引水灌溉改变了马兰黄土的结构, 降低了土体的抗剪强度, 导致黑方台地区黄土滑坡频繁发生, 严重影响着当地居民生命和财产安全。为了明析马兰黄土的渗透过程, 取黑方台马兰黄土为研究对象, 分别开展核磁共振(NMR)试验及扫描电镜(SEM)试验, 以解释此类黄土在不同初始含水率及不同干密度下的渗透特性及结构损伤微观特征。研究结果表明: 入渗速率与土体初始含水率呈负相关关系, 土体初始含水率越高, 其充水微小孔隙增加速率越慢, 充水中大孔隙增加速率越快; 入渗速率与土体干密度呈负相关关系, 且会率先形成高含水率区域, 土体干密度越大, 其充水微小孔隙增加越慢, 充水中大孔隙增加越快。入渗前后对比发现, 试样初始含水率越高, 微小孔隙增加比例越小, 颗粒间接触方式变化越不明显; 干密度越大的试样不同孔隙体积基本按等量变化, 接触面积明显减少, 形成更多的架空孔隙, 连通性较好, 具有较好的储水能力。入渗后试样原本的致密结构丧失, 颗粒破碎严重, 部分细长状颗粒向似椭圆状颗粒演化, 颗粒间接触方式变为点边接触, 粒间胶结作用遭受损伤破坏, 甚至部分团粒中颗粒分离、脱落, 使得土体强度丧失, 最终导致滑坡发生。研究结果可为黄土滑坡的防治提供依据。

孔隙特征作为反映黄土微观结构的重要特征之一, 直接影响黄土的水敏性、渗透性和强度等物理力学性质。为了研究水力耦合作用下黄土微观孔隙结构特征, 使用CT技术对天然原状、原状饱和与重塑黄土的初始结构以及不固结不排水剪切试验后的土体结构进行了扫描, 通过建立黄土三维结构模型, 分析了剪切试验前后孔隙结构的演变特征。结果表明: 饱和与重塑作用使天然原状黄土的大孔隙减少, 剪切作用使天然原状黄土和重塑黄土发生剪切破坏, 原状饱和黄土发生压缩破坏, 局部孔隙率增加。天然原状黄土与原状饱和黄土在剪切前后均表现为微孔和小孔数量较多, 其孔隙倾角主要分布在50°~90°之间, 解释了黄土亚稳态结构形成的主要原因。扰动作用使重塑黄土的孔隙尺寸分布均匀, 且重塑黄土与原状饱和黄土在水力作用下更易失稳屈服。揭示了黄土剪切变形破坏的微观结构主要表现为粒间胶结物的溶解、孔隙的坍塌与填充以及颗粒旋转、破碎和滑移。试验结果可为黄土剪切强度降低和湿陷机理研究提供依据。

斜坡变形受众多因子综合控制, 不同因子的敏感性与作用规律在变形过程中差异明显。以湖北省阳新县顺层基岩滑坡为研究对象, 通过正交试验结合离散元数值模拟的方法, 研究多个影响因子对应顺层滑坡变形的敏感性并确立主导因素, 随后基于响应面拟合主导因素与滑坡不同部位变形程度间的量化关系, 揭示主导因素交互作用对滑坡变形破坏模式的影响规律。结果表明, 在研究区内坡度与岩层倾角分别为影响顺层滑坡变形的主导与次主导因素, 滑坡的变形破坏模式受控于二者的交互作用。在中-陡倾顺层滑坡中, 当坡度小于岩层倾角时, 滑坡变形主要集中在坡顶, 且变形程度随岩层倾角的增加而增大, 表现出滑移-弯曲的变形破坏模式; 在缓倾顺层滑坡中, 当坡度大于岩层倾角时, 滑坡坡脚位移较坡顶显著, 其坡脚变形程度随坡度的增加而增大, 以滑移-拉裂变形为主。研究成果可为该类滑坡的防治工作提供参考。

近年来, 植被护坡作为一种生态友好型支护方式越来越多地被应用到斜坡支护工程中, 故如何科学地种植植被以充分发挥其护坡效果具有重要的研究意义。为此, 以乔木为研究对象, 结合3D打印技术制备乔木根系模型, 通过自行设计的滑坡模型试验系统, 开展了系统物理模型试验, 对3种根系排布方式与3种根系间距下乔木的护坡效果进行了研究。结果表明: ①在乔木根系支护下, 抗滑力峰值增大, 达到峰值的时间延长, 峰后抗滑力衰减程度降低。②对抗滑力的改善效果方面, 反拱型排布>正拱型排布>直线型排布>无根系支护。根系间距S=1.5D(D为根系间最大水平距离, D=7cm)与S=2.0D对抗滑力的改善效果接近, S=2.5D时抗滑力峰值最大。③就根系排布方式而言, 反拱型排布对坡体位移的改善效果最为明显, 正拱型排布与直线型排布对位移的改善效果接近; 就根系间距而言, S=2.5D对坡体位移的改善效果最为明显, S=1.5D与S=2.0D对坡体位移的改善效果接近。④直线型排布下坡体滑动范围增大, 正拱型排布与反拱型排布则能有效限制坡体变形。根系间距对坡体变形场的影响不大。综上可知, 在乔木护坡工程中可通过控制乔木的排布方式与根系间距来提升其护坡效果。

组合式抗滑桩是加固大型滑坡的有效防护措施, 但上硬下软等复合地层中h型抗滑桩的加固机理仍有待深入研究。基于一套自主研发的上硬下软地层滑坡-h型抗滑桩物理模型试验装置, 综合应力应变监测、激光测距仪、高速相机与粒子图像测速(PIV)技术研究了上硬下软地层滑坡中h型桩的位移、内力响应规律与滑体变形破坏特征, 揭示了上硬下软地层条件下h型桩与滑坡相互作用机理。研究结果表明, 在坡顶荷载逐渐增加的条件下, h型桩加固的上硬下软地层滑坡的演化阶段可划分为蠕变阶段、匀速变形阶段、加速变形阶段和破坏阶段4个阶段。受连系梁影响, 前排桩与后排桩桩顶位移较小, 应变最大值出现在靠近滑面深度处; 后排桩弯矩呈"S"型分布, 前排桩弯矩呈三角形分布, 负弯矩最大值位于连系梁下方20 cm处。随着硬岩体积分数(φ_β)增加, 桩顶位移逐渐减小, 前、后排桩最大弯矩值也逐渐减小, 但硬岩体积分数超过60%后最大弯矩值变化幅度较小。当φ_β=20%和40%时, 后排桩土压力总体呈抛物线形式; 当φ_β=60%和80%时, 土压力总体呈反"S"型, 且滑面附近出现第二个土压力峰值; 前排桩土压力分布形式均为抛物线型。试验结果可为组合式抗滑桩加固机理研究和设计提供理论支撑。

随着我国公路建设不断向山区深入, 在地质构造复杂区公路边坡遇到断层破碎带的情况日渐增多, 亟需开展阻滑能力强的抗滑桩结构加固边坡研究。传统的人工挖孔桩施工模式存在高风险、低效率等缺点, 而组合式圆截面抗滑桩具有施工效率高、安全便捷等特点, 为此, 探究其对含断层破碎带边坡的加固效果具有现实意义。采用自主设计的边坡物理试验系统, 设计了5种不同破碎带厚度与组合式圆截面抗滑桩组合的物理模型, 采用坡顶逐级加载的方式模拟加载, 监测桩身应变、桩顶位移和桩后土压力, 采用高速相机捕捉滑体变形破坏图像, 并使用粒子图像测速(PIV)技术对图像进行处理。研究结果表明: 组合式圆截面抗滑桩通过限制桩后滑体水平位移, 并将滑体限制在前、后排桩间来达到加固边坡的效果; 滑体演化分为变形压密、加速变形和破坏滑移3个阶段; 前、后排桩桩后土压力比值介于1/3~1/2之间; 随断层破碎带厚度增加, 滑体水平滑移速率增大, 组合式圆截面抗滑桩的桩顶位移增大, 桩身最大正弯矩减小。模型试验与数值模拟计算的弯矩及桩顶位移较为吻合, 研究成果可为边坡工程组合式圆截面抗滑桩设计提供一定借鉴与参考。

锚索抗滑桩是滑坡的主要支护结构之一。目前, 软硬相间地层条件下锚索抗滑桩的受力与变形特征尚缺乏系统研究。以软硬相间地层为地质背景, 基于自主研发的柔性测斜仪和自动加载系统, 构建了锚索抗滑桩加固滑坡物理模型试验系统, 开展了锚索抗滑桩加固滑坡的物理模型试验, 揭示了推力不断增加过程中抗滑桩、锚索和滑体的变形与受力特征, 对比研究了布锚方式对桩-锚受力与变形的影响规律, 通过数值模拟的方法分析了软硬相间地层对锚索抗滑桩的影响机理, 并以双锚点抗滑桩为例进行了理论分析。研究结果表明: ①在滑坡-锚索抗滑桩体系中, 桩身各点位移和滑体深部位移均随桩身深度的增加而减小, 滑体后部位移速率大于中部, 且滑体位移速率大于桩身位移速率; ②单锚点抗滑桩的桩-锚推力分担比经历了4个阶段的变化, 趋于稳定时桩-锚推力分担比约为9∶1, 锚索拉力作用下桩身弯矩呈"S"型分布, 正负弯矩非对称; ③锚固角度越大, 锚索拉力的增速越大, 不同锚固角度对桩身内力值的影响主要体现在受荷段; ④多锚点抗滑桩结构的锚索分担更多的推力, 与单锚点抗滑桩相比, 双锚点与三锚点抗滑桩的最大桩身弯矩分别减小了22.41%和40.55%;⑤与均质地层相比, 软硬相间地层中软、硬岩交界面处基岩应力发生突变, 不同软岩厚度比和桩底是否嵌入硬岩, 均对锚索拉力和桩-岩之间的相互作用有不同程度的影响; 其次, 双锚点抗滑桩内力的理论值与试验结果较为接近。本研究成果可为软硬相间地层中锚索抗滑桩加固滑坡工程的优化设计提供依据。

降雨过程中降雨强度的变化会影响土体渗透率及饱和过程, 从而改变土体的力学性质, 影响泥石流起动模式及破坏规模。为探究不同降雨模式对震后泥石流起动机制的影响, 自制了小比例模型槽, 结合可控雨型的降雨模拟系统, 进行了人工降雨诱发泥石流的室内模型试验; 基于不同降雨模式下泥石流的起动过程分析, 对坡体内部含水率和孔隙水压力的变化规律进行了研究。研究结果表明: 递增型降雨模式下泥石流发生突然, 呈整体滑坡转化为泥石流起动模式, 坡体破坏规模最大; 递减型降雨模式下表现为后退式溃散失稳起动模式; 均匀型降雨模式下则表现为溯源侵蚀起动模式; 中峰型降雨模式下以局部滑坡转化为泥石流起动模式; Ⅴ型降雨模式下则由坡面侵蚀加剧转化为泥石流启动模式, 破坏规模最小。研究结果可以为九寨沟地区泥石流的预报预警提供参考。

在冻结法施工中, 冻土的强度及变形特性对冻结壁的稳定性至关重要。为了研究不同含水率对冻结作用下土的强度和蠕变的影响, 以江西红黏土为研究对象, 通过冻结三轴试验, 在-10℃下研究含水率对冻结红黏土强度及蠕变特征的影响。试验结果表明: 16%~32%含水率范围内, 冻结红黏土的抗压强度随含水率的增加先增大后减小; 16%~28%含水率范围内, 随着含水率增大, 其黏聚力逐渐增大, 内摩擦角逐渐减小; 围压为0.2 MPa与0.5 MPa下的蠕变曲线都显示含水率较低时只会出现衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段, 含水率较高时会出现加速蠕变阶段。含水率对红黏土的力学性质影响较大, 研究成果可为江西地区红黏土地层地铁隧道建设人工冻结法施工提供参考。

水库蓄水后, 滑坡体碎石土经受长时期的浸泡, 力学性质发生改变, 从而影响滑坡整体稳定性。为探究浸泡对碎石土力学性质的影响规律, 选取三峡库区马家沟滑坡后缘未经受长期浸泡作用的碎石土进行大型直剪试验, 分析了不同浸泡天数下碎石土的剪切力学性质。试验结果表明: 浸泡40 d后, 碎石土黏聚力下降幅度达39%, 内摩擦角下降幅度为8.3%;碎石土黏聚力在浸泡前期快速下降, 下降速率随浸泡天数增加而降低, 浸泡20 d后, 黏聚力基本达到稳定。为探究碎石土抗剪强度降低的原因和机理, 对粉质黏土(碎石土细粒成分)进行了三轴剪切试验、激光粒度分析及浸出液阳离子分析等试验, 揭示了碎石土抗剪强度的衰减机理为: 浸泡作用下, 碎石土中的粉质黏土发生矿物溶解、离子交换与吸附作用, 土体中大颗粒细化, 胶结作用减弱, 进而导致碎石土整体抗剪强度降低。研究结果对库区碎石土滑坡评价与治理具有一定的指导意义。

针对季冻区春融期岩锚失效的问题, 研究了玻璃纤维(GFRP)锚杆在冻融循环作用下的锚固能力。通过设计物理模型对经历25, 50, 75冻融周期的试块进行了加载试验, 根据试验数据和破坏现象分析了GFRP锚杆在冻融后锚杆应力和承载力的变化规律。研究结果表明: 冻融循环会导致环氧树脂砂浆与混凝土的黏结性能下降, 在25, 50, 75周期后承载力损失分别为38.24%, 42.65%, 52.94%。冻融循环加速黏结材料及围岩的材料性能劣化, 荷载向内部传递加速, 使得GFRP锚杆上各点之间的应力差值逐渐减小, 锚杆应力分布比常温状态下更趋于均匀, 但材料性能的劣化导致局部破坏提前, 锚杆整体承载性能降低。研究结果可以为GFRP锚杆的工程应用提供建议。

风积沙路基的处理一直是沙漠公路建设面临的难题, 土工格室加固方法可为沙漠公路建设提供一条新路径, 结合S21线(乌鲁木齐-阿勒泰)沙漠公路路基现场试验, 研究不同路基深度动力响应特征, 对土工格室加固风积沙性能探究具有重要的价值及意义。结果表明: ①测试车速对路基不同深度处动应力、动加速度和动速度的时程曲线波动性影响较大, 且提高车速时, 动速度峰值、动加速度峰值和动应力峰值都出现了明显的增加; ②随着路基层深度的不断增加, 动速度幅值、动加速度幅值和动应力幅值均呈现出逐渐衰减的趋势, 其中在土工格室加固风积沙层衰减幅度最大; ③沿路基横断面水平方向上, 动速度幅值、动加速度幅值和动应力幅值均呈指数型衰减的趋势, 距振动源水平距离为5 m时, 其幅值衰减至10%左右, 可将此水平范围作为工程设计参考值。

岩性识别作为人工智能和大数据在地质工程细分领域的实践应用方向, 可以为相关人员野外地质工作提供有效助力。为了更好地促进岩性识别在专业领域的应用, 通过对巢湖北部山区的岩石图像采集、数据预处理、迁移学习、网络搭建、网络训练及模型测试等步骤, 实现了基于岩石图像的大数据深度学习识别; 并在归纳总结前人工作的基础上, 提出了多尺度岩性识别方法。根据岩石细观图像建立多尺度模型并赋予一定权重, 与岩石识别模型共同识别得到综合结果, 对岩石岩性整体识别的同时兼顾局部纹理、粒径等细观信息。研究结果表明, 本模型对岩石识别的适用性强, 多尺度方法对于提高识别结果的正确率具有一定的帮助, 模型的测试正确率达到95%以上, 能很好地识别岩石岩性。

顶管施工因非开挖或少开挖而在城市建设中应用广泛, 但顶管施工引起的地表沉降不容忽视。依托佛山市某电力隧道顶管工程, 通过现场实测、数值模拟及Peck经验公式的方法研究了顶管施工引起的地表沉降规律, 探讨了管-土摩擦、注浆压力及支护压力对地表沉降的影响。结果表明: 顶管施工引起的横向地表沉降在距轴线约4倍管径范围内变化较大, 管-土摩擦的改变对横向地表距轴线约3倍管径范围内的地表沉降影响较大, 对纵向地表距开挖面约1倍管径范围内的地表沉降影响较小; 注浆压力的增大能够抑制地表沉降; 支护压力的改变对横向地表距轴线约2倍管径范围内的地表沉降影响较大。研究结果可为控制顶管施工引起地表沉降措施的制定提供参考; 同时, 实测值、模拟值及Peck经验公式所得到的地表沉降变化趋势和大小相近, 验证了数值模拟及Peck经验公式在实际工程中预测地表沉降的可行性。

为准确反演勘察孔地层岩性信息、提高岩屑反演勘察孔地层岩性的准确性, 依托某隧道水平定向钻地质勘察项目, 开展了水平定向钻隧道地质勘察孔岩屑运移与地层相关性研究。研究结果表明: 依据岩屑运移速度、费祥俊临界流速理论和Larsen最小返速理论对现场岩屑运移形式的分析, 推知不同围岩岩屑颗粒在水平定向钻孔环空内的运移形式以推移为主, 少部分悬移, 且存在少量岩屑床; 在水平定向钻勘察工程现场, 钻头处产生的地层岩屑最先以悬浮运移状态随泥浆返出; 基于物料输送相关理论分析岩屑颗粒自由悬浮和运动方程, 建立了水平定向钻勘察孔岩屑悬移运移模型; 依托现场碳质板岩和石英片岩相关参数进行了岩屑运移与地层相关性分析, 分别得出完整地层和断层破碎带的岩屑运移孔壁阻力系数, 且断裂带处岩屑运移孔壁阻力系数约为非断裂带处的2.72倍; 得出不同直径钻杆工作范围内的钻孔环空岩屑最终悬浮运移速度, 建立了岩屑运移与地层的关联分析计算模型。研究结果为准确反演勘察孔地层岩性信息, 以及后续隧道的顺利施工提供了理论和数据支持。