本文是一篇土木工程论文，本文以长武县王东沟典型黄土崩塌为研究对象，基于现场地质调查和室内土工试验，查明崩塌体附近的地质条件和原状黄土的物理力学性质。建立黄土崩塌的二维模型和三维模型，基于流固耦合原理和强度折减法，用Abaqus软件对该模型进行数值模拟。
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
黄土是一种大孔隙、湿陷性强、钙质盐分含量高的第四纪特殊土体（谢定义和邢义川 2016）。目前，黄土主要分布在我国西北、中原、华北等地，其中黄土覆盖了陕西大部分地区（张茂省等 2006）。黄土高原是我国四大高原之一，位于我国中北部。黄土高原地势是从东北向西南倾斜，东北地势较高，西南地势较低，其下降趋势呈波状下降（韩佳明 2015）。西北黄土高原沟壑纵横，塬川相间，植被茂密，沟谷发育，呈现出明显的丘陵沟壑地貌的地形特征，如图1-1所示。黄土高原上崩塌地质灾害频发，长此以往，将会造成严重的水土流失（雷祥义和魏青珂 1998）。水土流失将会造成土壤耕作层被侵蚀破坏，从而导致土地肥力逐渐减弱；崩落的土体还有可能淤塞河流、水库、渠道，导致水利工程效益降低，甚至导致黄土高原发生水旱灾害，严重影响工农业生产，同时，也对山区农业生产及下游河道带来严重威胁（黄强兵等 2016）。水土流失和土地退化最直接的影响就是引起粮食减产，甚至绝收，对黄土高原上1亿人口的生产生活造成严重威胁（辛存林等 2013）。
倾倒式黄土崩塌是指常常发生于陡峭的塬边与沟谷地段的一类崩塌，且崩塌体后缘可见较大深度和宽度的裂缝，崩落的土块极不规则，有时崩落土块会淤塞河道，形成堰塞湖，对下游河道造成严重威胁（曲永新等 2001）。黄土崩塌的形成有极大一部分原因是降雨作用导致的，所以对降雨作用下长武地区黄土崩塌的形成机理进行研究，为长武地区后续的黄土崩塌预防和治理提供理论依据（Zhang et al. 2020）。现如今的学者普遍发现：一方面，在降雨作用下，雨水对黄土的软化作用导致黄土抗剪强度降低，且土体自重增加（郭力宇等 2002）。另一方面是西北黄土中广泛存在自然节理裂缝，雨水将沿着该裂缝流动，在雨水的持续作用下黄土中的自然节理裂缝不断扩展，然后崩塌体下部的裂缝面贯通（叶万军等 2015）。随后坡脚土体发生弯折破坏，当坡脚土体弯曲到一定程度时，从裂缝尖端到坡脚处土体发生断裂，最终崩塌体以坡脚某点为矩心发生倾倒破坏（何红前等 2005）。在总结前人对黄土崩塌的研究后，发现还存在一些问题需要进一步进行研究。现如今的研究需要探索雨水对土体节理裂缝形成和扩展的机理，以及雨水的软化作用对黄土的抗剪强度和抗拉强度产生的影响（Dai et al. 2002）。降雨时长和降雨强度对黄土崩塌的形成产生多大影响，在降雨作用下，裂缝对黄土崩塌的稳定性会有多大的影响（崔中兴和杨作栋1994）。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 饱和-非饱和土渗流研究现状
在前人的研究中，对饱和土体的研究较多，且针对饱和土体提出了饱和土的有效应力原理（李广信 2004）。但在黄土高原上很大一部分地区是处于干旱或半干旱地带，土的状态往往为非饱和状态，因此有必要采用非饱和土渗流理论对降雨作用下非饱和土雨水入渗规律进行研究（何忠明等 2014）。自Darcy在十八世纪提出了饱和土的渗流理论后，许多学者基于此理论对非饱和土的特性展开了深入研究。于是，Richard在1931年提出了非饱和土的渗流方程，后来许多关于非饱和土的渗流理论被提出（吴礼舟和黄润秋 2016）。
非饱和土包含土颗粒、水和气体三相介质，在自然条件下土颗粒含量不会发生变化，但水和气体的相对含量是不断变化的，这就使得非饱和土的基质吸力试验测定变得十分复杂（Fredlund et al. 1978）。针对非饱和土渗流的复杂性问题，许多学者提出了一些经验、半经验的表达式，在一定程度上也能解决非饱和土的渗流问题（Mein and Larson 1973）。为了研究土体含水率与基质吸力之间的关系，许多学者提出了关于非饱和土含水率与基质吸力关系的经验公式，包括用质量含水率表示的表达式，体积含水率表示的表达式，孔隙大小分布系数、进气压力值和体积含水量有效值表示的表达式，以及饱和度表示的表达式。在最近的研究中，许多学者基于前人提出的土-水特征曲线表达式开展了进一步的研究，也发展了许多测试非饱和土的基质吸力的试验方法。邵龙潭等（2005）研制了一套测定非饱和土土-水特性的装置，测定了非饱和土在稳态渗流下的增湿和干燥土-水特征曲线，发现测得的土体基质吸力与美国Soilmoisture公司生产的1250型压力板仪所得的土体基质吸力基本一致。当地下水位上升时，在非饱和黄土中会出现水向上渗流的现象，基于此，王念秦等（2014）研制了一套测定水向上渗流的渗透系数和基质吸力的装置，发现该装置能很好地再现地下水向上渗流时土-水作用过程。
第二章 王东沟区域地质特征与崩塌体特征
2.1 自然地理与气象水文
2.1.1 自然地理
长武县位于黄土台塬腹地，其地势是从西南向东北倾斜，倾斜角度较缓，东北地区地势较低，西南地区地势较高，地形地貌主要是黄土沟壑和残塬。区内有黑河、南河和泾河三大河流，由这三大河流产生的水力侵蚀作用巨大。在水力侵蚀和重力侵蚀作用下，长武县境内塬面不断被下切侵蚀，使得长武县形成沟壑纵横、河谷发育的地貌特征。
区内发育着三种地貌类型，即黄土台塬地貌、黄土沟壑地貌和河谷阶地地貌。黄土台塬区的地势较为平坦开阔，土质为第四系黄土，垂直节理发育，结构疏松。由于该地貌类型发生自然灾害的概率较小，对人民生产生活的影响较小，因此民房建筑和工业设施大多建于此处。黄土沟壑区主要由黄土梁、峁构成，上覆黄土土层多不连续，沟谷底部有基岩出露。黄土沟壑地貌广泛分布于长武县境内，沟谷与塬面高差大，因此黄土崩塌和滑坡大多发生于该区域。河谷阶地区主要是由黑河、南河和泾河三大河流的下切侵蚀作用形成的，在河流的不断下切过程中，河岸边坡坡脚土体流失，坡脚卸荷造成坡体应力重分布，导致边坡发生失稳破坏。
2.1.2 气象水文
长武县的气候属于暖温带半湿润、大陆性季风气候，降雨主要集中在5-10月。据统计，长武县从1991年到2020年的30年间，年平均气温为9.5℃，平均湿度为68.2%。根据国家气象科学数据中心所提供的气象资料，绘制出长武县2017-2020年月平均降雨量统计图。如图2-1所示，长武县2017-2020年年降雨量为590-778mm，平均年降雨量为704mm，5-9月份降雨量最为集中，每月降雨量为50-200mm。另外，在2013年8月12日达到30年内单日最大降雨量142.2mm，其降雨级别为特大暴雨。
2.2 地质构造
长武县上部地层构造特征总体为没有起伏的平坦构造，这是由于长武县境内黄土覆盖层厚、面积大，仅在亭口北部泾河沿岸的白垩系呈现较小的波状起伏，比如在泾河段彬旬地区的雅店和罗店就发现了大量背斜构造。黄土之下的深部构造主要为平缓向西倾斜的单斜构造，局部地区出现窟窿状、短袖状、凹陷和隆起构造。
长武县的构造运动是以河流下切侵蚀和地壳间断性抬升为主。由于河流强烈的侵蚀下切作用，使得在较大的河谷中发育着多级阶地。在中更新世以来，由于长武县黄土地下地应力场的不断发展演化，河流沟谷呈现了树枝状分布规律。这表明了地层的运动规律为：地层在间断性的抬升过程中同时伴随有顺时针扭转运动，导致地层有微断裂发生，从而在地下构造中产生大量密集节理裂隙。雨水在裂缝内的优势渗流，导致裂隙逐渐扩展，并逐步发展成裂缝，随后裂缝深度和宽度不断扩大，从而形成地裂缝。其中在长武县有一条隐伏断裂构造，长度大约31km，且该断裂构造沿黑河河谷呈西北走向分布。这为沟谷河流的延伸发展提供了内在的构造条件，且构造运动控制了河谷发展延伸的方向和速度。崩塌和滑坡的发展又得益于河流沟谷的不断侵蚀下切。
第三章 黄土试验内容与计算参数整理 ............................ 23
3.1 土体基本物理参数 ............................................. 23
3.2 静三轴试验与计算参数 ......................... 24
第四章 强降雨作用下裂缝对黄土崩塌的影响研究 .............................. 39
4.1 倾倒式黄土崩塌的力学分析 ................................ 39
4.2 有限元计算原理 ....................................... 42
第五章 降雨对含裂缝黄土崩塌的影响研究 ........................... 71
5.1 降雨作用下崩塌体二维渗流及稳定性研究 ............................. 71
5.1.1 强降雨作用对含裂缝崩塌体的影响规律 .......................... 71
5.1.2 长期降雨作用对含裂缝崩塌体的影响规律 ......................... 77
第五章 降雨对含裂缝黄土崩塌的影响研究
5.1 降雨作用下崩塌体二维渗流及稳定性研究
5.1.1 强降雨作用对含裂缝崩塌体的影响规律
（1）计算方案
崩塌体所在的王东村地处中纬度，属暖温带半干旱大陆性季风气候，具有昼夜温差大、气候干燥、雨量集中、日照充足、冬冷夏暖、冬春季节多大风等高原气候特征。根据国家气象科学数据中心所提供的气象资料，绘制出长武县2017-2020年月降雨量和月降雨天数折线图。如图5-1（a）所示
