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作者:秦彦珊
近日,水建学院侯天顺副教授团队在《Catena》上发表了题为“Influence of cracks on loess collapse under heavy rainfall”的研究论文。2019级硕士生江晓东为论文的第一作者,水建学院侯天顺副教授为论文的通讯作者,中国科学院水利部水土保持研究所郭胜利研究员为论文的合作者。
黄土高原沟壑地貌地区地质环境复杂,气候条件多变,地质灾害时常发生,尤其以黄土崩塌最为常见。黄土崩塌将造成黄土塬面积减少,崩落的土块缓慢运移至沟谷的河流中,进而造成水土流失,甚至危害到人民群众的生命财产安全。在此背景下,有必要对崩塌体的发育特征、安全系数、崩落前兆以及失稳破坏过程进行研究,以便对崩塌体采取相应的防治措施。
针对这一重大需求,侯天顺副教授团队揭示了降雨作用下裂缝深度和裂缝宽度对崩塌体稳定性的影响,以及崩塌体的失稳破坏机理。依托中国科学院水利部水土保持研究所长武黄土高原农业生态试验站,团队基于流固耦合原理和强度折减法,采用有限元方法对不同裂缝深度和裂缝宽度的崩塌体进行数值模拟计算,研究强降雨作用下裂缝对黄土崩塌的影响。研究结果表明,随着降雨的入渗,一方面使崩塌体自重增大,坡脚剪应力增大。另一方面,雨水从崩塌体外边缘渗出时会产生渗透力,增大崩塌体的倾覆力矩。裂缝深度逐渐增加的过程中,裂缝尖端拉应力值逐渐增大,崩塌体向临空面的倾倒趋势越来越明显,塑性区从坡脚逐渐延伸到了裂缝尖端处,崩塌体安全系数逐渐降低甚至小于1。随着裂缝宽度的增加,崩塌体重心逐渐外移,坡脚和裂缝尖端处土体变形逐步增大,崩塌体稳定性不断降低。
此外,根据黄土高原崩塌现场调查与监测结果,团队提出了倾倒式黄土崩塌的破坏模式:拉张裂缝萌生、裂缝扩展和崩塌体的弯折倾倒三个过程,并且提出了倾倒式黄土崩塌的力学失稳模型。研究结果揭示了降雨作用下裂缝深度和裂缝宽度对崩塌体稳定性的影响,以及崩塌体的失稳破坏机理,可为黄土高原崩塌地质灾害防治与土壤重力侵蚀生态治理提供理论支撑。
上述研究成果得到了国家自然科学基金项目(51509211)、陕西省留学人员科技活动择优资助项目(2018031)等项目的资助。
全文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0341816223000504
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GMT+8, 2025-1-19 00:35
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