季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征试验研究

拟建川藏铁路沿线广泛分布季节性粗颗粒冻土,该类土质边坡稳定性问题突出,有必要探讨此类边坡的自然演化特征及其规律。本文针对粗颗粒土边坡在降雨-日晒-冻融循环条件下的变化规律,开展了单一要素和多要素组合条件下的试验研究。研究表明,对于初始坡度较陡的粗颗粒土边坡,在自然降雨-日晒作用下,边坡会向自然稳定坡度发展演化。反复冻融作用下,坡面土体冻胀融沉,产生残余变形,冻胀量约为冻结深度的0.09~0.1倍,残余变形量约为冻结深度的0.052~0.062倍,坡面土体含水率增加2% ~3%。反复冻融后坡面土体结构变松散,空隙增多,密实度降低,松散土体在降雨条件下易流失,坡体向后退化。季节性冻土区粗颗粒土边坡自然演化特征表现为:降雨-日晒作用→边坡趋于稳定→冻融作用→坡面土体变松散→降雨冲刷→坡面后退→更深处土体冻融。该过程随季节变化反复进行,边坡逐年后退。     

土工袋垫层抗液化性能振动台试验研究

土工袋能够有效地约束袋内土体,具有良好的滤水保土作用,可以用于地基抗液化,但土工袋抗液化性能尚未有系统及深入的研究。开展了一系列小振动台试验,验证土工袋垫层的抗液化效果,研究了振动加速度、土工袋层数和排列方式对抗液化性能的影响。结果表明：土工袋具有良好的抗液化效果,袋内土体的超静孔压比小于同深度处周围的土体;土工袋垫层的排水性能是在土工袋本身具有良好透水性的基础上,孔隙水会沿着土工袋与土体的界面以及袋间的空隙排出;相较于不透水刚性垫层,振动过程中土工袋垫层表面基本保持水平,发挥出较好的变形协调性;土工袋层数增加及交错式排列对抗液化效果有利。     

袋内材料对土工袋动力特性参数影响的试验研究

土工袋加固地基技术已普遍应用于房屋地基、边坡加固等工程中。大量研究表明,土工袋具有显著的减振消能效果。为了进一步探讨不同的袋内充填土体材料对土工袋减振消能效果的影响,通过对不同粒径、级配、黏粒含量的填充土体材料及装有相应填充土体材料的土工袋进行水平循环剪切试验,研究袋内填充土体材料与动剪切模量及等效阻尼比2个参数的关系。试验结果表明,土体装入土工袋后,动剪切模量降低,等效阻尼比增大;当填充土体材料及土工袋内土体材料粒径相对较小、级配均匀、黏粒含量高时,等效阻尼比和动剪切模量较大。总体而言,粒径和级配对土工袋减振消能效果影响不大。     

基于强度分区的膨胀土路堤稳定性及土工格栅处治效果分析

由于填筑密实度、含水率的差异,整个膨胀土路堤内存在以含水率和干密度为特征的强度分区,且路堤表层土体由于直接受大气、降雨作用,温度、湿度变化频繁,胀缩变形剧烈,裂隙发育,强度将剧烈衰减。但该实际存在的强度分区一般在稳定性计算中多被简化为均质体而不能反映实际情况。强度分区法则考虑大气和气候影响以及路堤内压实度差异,并综合考虑土工格栅的作用。基于强度分区的膨胀土路基边坡稳定性的分析结果表明,强度分区法更能反映路堤土体强度差异的实际情况,能真实地体现改性处治和铺设土工格栅对路堤稳定的贡献,具有显著的优点。对于素填土膨胀土路堤,边坡表层容易发生局部浅层滑动,进而诱发和牵引发生深部滑动破坏;石灰改性后虽能提高路堤稳定性,但表层局部稳定性安全储备并不宽裕,尚未彻底根除安全隐患。土工格栅虽对整体稳定性贡献不大,但可显著提高局部稳定性,并有效地消除膨胀土路堤边坡浅表滑塌的隐患。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究

以广西膨胀土为研究对象,考虑气象因素的影响,通过现场试验对膨胀土的胀缩变形、变形模量与渗透特性进行了原位跟踪测试。结果表明,较小的降雨量就可以使表层土体的含水率和膨胀状态达到极限。对降雨过程而言,自然状态下膨胀土雨水入渗的影响深度是有限的;膨胀土变形模量随含水率的增加以幂函数的形式逐渐降低;当含水率较低、裂隙较发育时,土体的渗透性会大大提高,而植被的存在也会较大幅度地改善土体渗透性,为深入认识膨胀土边坡的灾变机制提供了依据。     

不同降雨模式下膨胀岩边坡模型试验研究

采用原状膨胀岩进行室内边坡模型试验,研究膨胀岩边坡在连续降雨和湿-干循环模式下的变形和水分入渗特性,揭示两种模式下膨胀岩边坡的变形破坏模式。试验发现,连续降雨模式下初期数次降雨对膨胀岩边坡变形影响最大,有明显的水平方向位移,后期变形很小且趋向稳定。湿-干循环模式下边坡膨胀变形及深部岩体含水率降雨完成后一段时间才达到峰值,随循环次数及降雨量增大,边坡变形速率及变形量都明显增大,岩体裂隙不断发育,水分入渗深度增大,但限于表面一定深度,对深部岩体影响较小。试验结果对工程应用有一定的指导意义：连续降雨模式初期膨胀较大,须加强和完善初期的排水措施,做好边坡的支挡防护措施;湿-干循环模式下,随循环次数增加,做好坡面的防护措施,以起到保湿防渗作用;两种降雨模式均说明纯膨胀性泥岩边坡不发生典型的圆弧滑动等破坏模式,而工程边坡的滑动多发生在软弱夹层上,因此,要做好该类边坡的软弱夹层特性勘察,对于不含软弱夹层的纯泥岩边坡要重点监测其浅层变形特性。     

干湿循环条件下木质素改良膨胀土胀缩特性

实地调查发现河南省南阳市南阳盆地周边受持续降雨、干旱极端气候影响,出现了房屋破坏、边坡失稳等膨胀土灾害问题,危害人民财产生命安全。以南阳盆地弱膨胀土为研究对象,通过自由膨胀率试验,研究木质素磺酸钙改良弱膨胀土的最佳掺量问题,并在最佳掺量的基础上对试样进行无荷膨胀和收缩试验,进一步研究干湿循环条件下木质素磺酸钙对弱膨胀土胀缩特性的影响,结合试验过程中试样的裂隙发展规律,探究干湿循环条件木质素磺酸钙改良弱膨胀土胀缩特性的原因。试验结果表明对于弱膨胀土,木质素磺酸钙掺量在0.75%、养护天数14 d时改良效果最佳,此时改良土自由膨胀率最低。干湿循环条件下的无荷膨胀和收缩试验数据显示改良前后弱膨胀土绝对膨胀率最高由29%降至3%,绝对收缩率最高由17%降至2%,改良土相对膨胀率与相对收缩率基本不随干湿循环次数发生变化,说明木质素磺酸钙可以有效降低干湿循环过程中弱膨胀土的胀缩形变,保持干湿循环过程中弱膨胀土胀缩特性的稳定,且木质素磺酸钙的改良效果不受干湿循环次数的影响。对比未改良土与改良土裂隙发展规律,木质素磺酸钙在弱膨胀土中主要起到抑制裂隙发育,提高土体胶结能力的作用,使土体形成更致密的结构,...     

降雨入渗条件下非饱和膨胀土边坡原位监测

为了对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳的机理有较深入的了解,在湖北枣阳选取了一个11 m高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工降雨模拟试验和原位综合监测。监测成果表明：降雨入渗造成2 m深度以内土层中孔隙水压力和含水量大幅度增加,致使膨胀土体的抗剪强度由于有效应力的减少及土体吸水膨胀软化而降低;同时,降雨入渗造成土体中水平应力与竖向应力比显著增加,并接近理论的极限状态应力比,以致软化的土体有可能沿着裂隙面发生局部被动破坏,此破裂面在一定条件下（如持续降雨条件下）可能会逐渐扩展,最后发展成为膨胀土中常见的渐进式滑坡。     

基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究

膨胀土地区大量工程实践表明,发生在膨胀土边坡浅表层一定深度范围内的牵引式滑坡现象非常普遍,对于该种渐进性边坡破坏模式,传统极限平衡分析无法反映其失稳状态和破坏机制。借鉴温度场中温度膨胀系数的定义和数值处理方法,以室内无荷/有荷膨胀率试验成果为依据,对膨胀土的湿度膨胀系数进行了反演拟合,得到低荷载条件下含水率-膨胀系数近似符合线性关系。基于降雨作用下膨胀土边坡破坏的大型静力物理模型试验成果,采用FLAC非饱和二相流模型模拟降雨引起的边坡湿度场分布变化状态,引入含水率-膨胀系数的线性关系,提出一种适用于膨胀土边坡的湿度场-膨胀变形场-应力场的多场耦合数值分析方法,并藉此对物理模型试验进行仿真。结合模型试验和多场耦合数值分析,阐述膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用。     

冻融循环下加筋膨胀土边坡稳定性模型试验

控制边坡在冻融循环中的劣化作用,可保障季节冻土区域膨胀土边坡长期稳定。为确定土工格栅对膨胀土边坡在冻融循环过程中的稳定效果与工程意义,本文开展了膨胀土边坡模型试验,对比冻融过程中边坡内土压力、含水率、位移、温度变化。结果表明：土工格栅可约束膨胀土冻融裂缝,使裂缝发育更为均匀一致,同时减小边坡位移;加筋材料能抑制边坡水分迁移与热传导并减小土压力变化;对膨胀土边坡加筋处理可显著降低含水率波动幅值,从而减小膨胀土受含水率变化引发的胀缩劣化;不同于普通黏土,膨胀土边坡冻融循环中呈现冻缩融胀特点,而边坡加筋可有效提升冻土区膨胀土边坡的冻融稳定性,具有工程应用价值。     

冻融循环作用下土工袋冻胀量和融沉量试验

为研究季节性冻土地区冻融循环作用下土工袋防冻融、冻胀效果,对不同冻融循环作用下土工袋和土进行了室内模型试验,在开放系统和封闭系统中分别研究了土工袋和土冻胀量、融沉量之间关系,试验结果表明,经历4次冻融循环作用后,封闭系统中土工袋冻胀量、融沉量分别小于土的冻胀量、融沉量;开放系统中土的冻胀量为土工袋冻胀量的1.9倍,土的融沉量为土工袋融沉量的2.2倍,开放系统中地下水对土工袋的补给量远小于土的补给量,试验验证了土工袋可以有效防止渠道及建筑物基础冻融、冻胀破坏,可为渠道防冻胀提供理论基础。     

膨胀土干湿循环效应及其对边坡稳定性的影响

膨胀土的干湿循环性状在膨胀土边坡的稳定性分析中占有重要地位。结合膨胀土边坡的现场含水率观测数据和南宁地区大气影响深度的计算结果,确定了室内试验的干湿循环幅度并进行了膨胀土强度干湿循环室内试验,对干湿循环引起膨胀土强度指标衰减的变化规律进行了初步探讨; 在此基础上,结合干湿循环效应对膨胀土边坡进行了稳定性分析。研究结果表明:(1)膨胀土的黏聚力随干湿循环次数递增而减小,第1~2次循环时黏聚力衰减程度最强,但经历2~3次循环后,黏聚力衰减程度减弱,最终趋向稳定; 干湿循环次数引起内摩擦角的波动变化极小,基本保持一恒定值。(2)干湿循环的强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。(3)由于干湿循环效应,膨胀土的粒间联结产生了不可逆的损伤,致使土体微结构劣化、抗剪强度降低。(4)随着干湿循环次数的增加,边坡稳定性降低,安全系数递减; 结合当地大气影响深度对膨胀土边坡进行干湿循环分层的稳定性分析方法更符合工程实际,可为相关边坡设计和防护的计算参数选取提供参考。     

南昆铁路钢管格栅膨胀土挡墙边坡加固机理模型试验研究

膨胀土边坡加固一直是铁路(公路)建设中的难题，常规刚性结构严格约束膨胀土变形，易使结构受力过大而破坏，柔性结构易使坡体变形过大而失稳，往往难以达到预期效果。本文提出钢管格栅膨胀土挡墙，合理协调结构的受力和变形，达到加固膨胀土边坡的目的:膨胀土做挡墙本体填料、土工格栅增强墙体整体性、纵向贯穿钢管提高墙体刚度。采用大比例尺相似模型试验，在模拟降雨条件下，对比该新型结构与常规结构的加固效果，通过监测挡墙水平位移、墙背土压力、钢管变形，研究钢管格栅膨胀土挡墙加固边坡机理。结果表明:钢管格栅挡墙与常规格栅挡墙相比，变形显著降低且更趋协调，承载能力明显提高，纵向贯穿墙体且深入地基的钢管有效改善了墙体的受力。研究成果可为膨胀土边坡加固结构选型及其构造设计提供理论参考。     

膨胀土边坡稳定性非连续变形分析新方法

许多膨胀土边坡在长期的地质和干湿循环的自然气候作用下裂隙逐渐发展,以致被裂隙分割成块体系统。将膨胀土边坡看成是一个具有非饱和土本构关系、块体间存在摩擦力和膨胀力和具有牵引式滑动及时空效应特点的块体系统,建立了一种新的边坡稳定性非连续变形分析方法,并应用于某高速公路段膨胀土边坡稳定性的分析中,获到了很好的效果。     

土样厚度对橡胶加筋膨胀土裂缝演化规律的影响研究

膨胀土具有多裂缝性的不良工程特性,对边坡等膨胀土地区工程具有潜在威胁。再生橡胶加筋膨胀土(ESR)对膨胀土动力、静力以及胀缩性有良好的改良效果。膨胀土的裂缝演化形态会受到土样厚度的影响,本文使用橡胶加筋膨胀土,对照素膨胀土探究橡胶粉末对膨胀土裂缝演化的影响与ESR裂缝的厚度效应。试验共设计未添加橡胶素膨胀土与ESR各4组不同厚度试样展开研究,结果如下:(1)膨胀土自然干燥过程含水率可分为3阶段变化,ESR的含水率变化更为迅速;(2)膨胀土的开裂过程存在明显厚度效应,ESR的厚度效应相较更不明显,裂缝演化更具有均匀性;(3)膨胀土开裂过程中的裂缝总长度与总面积受厚度效应影响严重,橡胶加筋可以约束膨胀土裂缝长度与面积并减少不同厚度样品间差值;(4)膨胀土裂缝发育的分形维数最终在1.4~1.5之间,不同厚度橡胶加筋膨胀土的分形维数变化更为接近。     

考虑吸湿膨胀及软化的膨胀土边坡稳定性分析

膨胀土是一种具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性的特殊黏性土,暴露于大气中的膨胀土边坡处于连续的干湿循环过程中,在降雨条件下极不稳定。基于饱和-非饱和渗流理论,对降雨条件下膨胀土边坡的非饱和渗流过程和吸湿过程进行了数值模拟。编写了相应的FORTRAN语言程序,考虑了渗流过程中基质吸力变化、渗流软化和吸湿膨胀的影响,分析了强度衰减、渗流软化和湿胀对膨胀土边坡整体稳定性的影响。结果表明,在降雨作用下,经过多次干湿循环后,膨胀土边坡的破坏模式为浅层牵引式崩塌,破坏面位于风化区,与普通黏性土边坡的深层圆弧滑坡有较大区别。在考虑湿胀软化效应后,边坡最大位移增大了一个数量级,稳定性系数显著降低,膨胀性是边坡浅层滑坡的主要原因。研究结果较好地解释了膨胀土滑坡特有的牵引性、反复滑动性和浅层破坏性。     

土工袋加固地基原理及其工程应用

介绍土工袋加固地基的原理、基本特性,及其在房屋地基加固、路基加固、堤防加固及构筑挡墙等非膨胀土地基中的工程应用实例与处理膨胀土地基的应用可能性。     

植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制

以广西膨胀土为研究对象,考虑植被的影响,进行了现场渗透和植被根系加筋作用力学试验,并在试验结果的基础上,对膨胀土堑坡的植被防护作用进行数值模拟。研究结果表明,植被根系的加筋作用和植被的蒸发、蒸腾作用是从两个不同的方面维持边坡稳定的,并且在降雨过程中的发挥过程有着先后的顺序。根系的加筋作用增强了土体的强度,植被的蒸发、蒸腾作用阻止了土体强度的进一步衰减。此外,植被覆盖下土体的吸湿与脱湿过程应采用不同的渗透曲线,由于植被防护在施工后未长成的一段时间内十分脆弱,所以对生长期内的植被根系力学特性进行研究具有重要意义。项目研究成果可为膨胀土地区堑坡植被防护设计和施工的发展和应用提供有益参考。     

干湿循环路径下弱膨胀土峰值及残余强度演化研究

膨胀土具有胀缩性、多裂隙性和超固结性,在自然条件下极易受到降雨和蒸发的干湿循环效应,土的抗剪强度会随着时间的延续而衰减,造成边坡失稳。以荆门弱膨胀土为研究对象,对经历不同干湿循环次数的荆门弱膨胀土开展环剪试验,并探讨分析其峰值强度和残余强度的变化规律。试验结果表明,试样的抗剪强度与法向压力的大小有关,无论是峰值强度还是残余强度均随着法向压力的增大而增大,同时法向压力越大,试样达到残余强度时所需要的剪切位移也会越小;随着干湿循环次数的增加,膨胀土的峰值强度明显衰减,残余强度虽略有变化但并不明显,可近似认为稳定;经历3次干湿循环后膨胀土的峰值黏聚力和残余黏聚力指标已经近乎一致,峰值内摩擦角和残余内摩擦角之间始终保持在2o左右的差异,基本不受循环次数的影响。