[发明专利]根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统

说明书

本发明公开了一种根系与渗流耦合下坡体破坏判据研究离心模型试验系统，包括：刚性模拟箱、地下水渗流系统、根系生物力学固土系统以及坡体水分‑应力‑变形监测系统；借助大型土工离心机还原植被覆被坡体的真实应力环境，模拟不同植被根型的生物力学固土机能(蒸腾、加筋固土作用)，通过精准分级施加坡体后缘的水力环境条件，改变坡体渗流演进路径与浸润线高度，模拟诱发坡体失稳破坏演变的全过程。其中，大型土工离心机为坡体模型提供原型坡体的应力环境。地下水渗流系统为坡体提供不同高度的稳定地下水力梯度条件。根系生物力学固土系统实现根系蒸腾作用对坡表水分的调控以及根系加筋锚固的固土作用。

技术领域

本发明涉及岩土工程与试验模型技术领域，特别涉及一种渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究的通用离心模型试验系统。

背景技术

我国山区面积占陆地国土面积的69％，是受崩塌滑坡灾害危害最严重的国家之一。在极端降雨事件频发和工程扰动加剧的条件下，滑坡灾害风险不断增大、防灾减灾重要性日益凸显。山区植被覆被坡体的崩塌滑坡具有分布范围广、频发、危害性大、水环境复杂等特点。与传统护坡方式相比，植物护坡具有低投入、低养护的特性，又能够保护环境，美化生态景观。坡体水分入渗是诱发大部分植被覆被坡体失稳破坏的主要致灾因子。坡体内部地下水的渗流作用会引起岩土体孔隙水压力和含水量改变，同时含水量的增加会导致岩土体剪切强度参数大幅降低，逐步诱发坡体失稳。根据水分渗流路径划分坡体失稳类型分为两类：第一类是植被覆被坡体后缘存在较高地下水位环境或裂隙充水，坡内侧向渗流作用使得浸润线由坡体后缘向坡表逐渐迁移，诱发堤坝或堰塞坝失稳；第二类是坡体由旱季进入汛期，坡内地下水高度提升，岩土体会受到承压水或者毛细水作用，岩土体有效应力降低，抗剪强度折减，导致坡体分级失稳。

近些年植被在岩土工程中的应用得到了越来越广泛的关注。植物根系蒸腾吸水，可降低土体孔隙水压，提高土体的抗剪强度同时降低土体的渗透系数。从岩土工程角度看，植被不仅可以通过根系力学特性增强浅层土质坡体的稳定性，还可以通过蒸腾作用蒸散发坡体水分，在土体内产生吸力，从而提高土体强度，改善浅层边坡稳定性，此方法可持续且与环境友好。坡体覆被植被根系后，根系具有生物固土作用，即浅层根系的加筋作用和深层根系的锚固作用。现有试验系统未考虑植被根系的生物力学机能，难于模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用。可见，地下水渗流的不利致灾因素与根系生物固土耦合作用间相互制约，尚无法给出定量描述。因此，渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究一直是重要且前沿的科学问题。

目前，对植被覆被坡体失稳临界条件的研究主要集中在数值模拟以及常重力环境下模型试验等测试手段上。土工离心模型试验能够模拟坡体真实的地应力环境，再现地下水渗流与根系生物固土耦合作用，监测植被覆被坡体的失稳过程，确定坡体失稳临界条件，能够为学术界和工程界提供直观且可靠的试验数据。国内外已有的相似模型试验系统构造单一、模式简单、真实的地应力环境无法满足。大多模型试验系统集中在模拟降雨入渗作用诱发的非植被覆被坡体的失稳。现有模型试验系统无法对坡体后缘水位高度变化、承压水、裂隙充水等复杂水力梯度环境引起的多种渗流边界进行离心试验模拟。使用离心机模型进行坡体稳定性研究的主要优点是，可通过提高模拟的重力加速度级别，让小尺度物理模型处在与原型相应的力学环境中，从而有效模拟原型坡体的稳定性和失稳临界条件。因此，现有模型试验系统无法给坡体提供地下水渗流环境与真实的应力环境，尚无法模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用。亟需搭建一套实现渗流与根系固土耦合下坡体失稳临界条件研究的通用离心模型试验系统。

当前，国内外植被覆被坡体失稳模型试验系统存在以下不足：

(1)系统能模拟的地层构造单一，无法模拟复杂的地层结构组合，且未考虑坡表浅层的植被；

(2)模型试验系统多为常重力环境，无法还原原型坡体的真实的地应力环境；

(3)模型试验系统多集中在无根的素坡研究，未考虑植被根系的生物力学机能，即无法模拟植被根系的蒸腾作用与加筋锚固作用；