南阳膨胀土渠道滑坡破坏特征与演化机制研究

为了解河南南阳地区膨胀土渠道边坡滑坡机制,基于南水北调中线工程南阳段19个滑坡的现场调研统计结果,选取南阳段TS105+400处右岸滑坡为典型实例,开挖探槽揭露滑坡内部结构,对该区膨胀土渠道滑坡的破坏特征及演化机制进行了研究。结果显示,该区滑坡多发生在 地层;边坡的稳定性受中上部土体中的垂直节理及坡脚充填强膨胀土的缓倾长大裂隙共同控制,滑动面由后缘陡倾裂隙及前缘缓倾长大裂隙组成。开挖卸荷导致垂直节理张开,垂直节理向下可延伸3 m以上,破坏边坡土体整体性,且充当水分出入边坡的主要通道;坡面以下深度4～8 m存在一个高湿度带,带内土体强度小,发育滑动面。气候造成的胀缩循环、开挖卸荷导致边坡垂直节理张开并向深部发展,对边坡土体的强度衰减作用明显,当垂直裂隙与前缘缓倾裂隙贯通后,发生强（久）降雨,裂隙充水软化,即诱发边坡失稳。     

膨胀土裂隙的工程特性研究

裂隙是膨胀土的重要特征之一,长期以来,人们常常把分布于膨胀土大气影响深度范围内受干湿循环影响而产生的干缩裂隙与膨胀土地层中特有的原生裂隙混为一谈。在对膨胀土边坡失稳机制的研究中,也忽视了原生裂隙对边坡稳定的重要影响。为研究南水北调中线工程膨胀土地段渠道破坏机制,在河南省南阳市郊建设了一条长为2.05 km试验渠道,通过渠道开挖期间的地质勘察、现场观测和取样试验,以及对现场滑坡体的取样分析,研究了膨胀土裂隙及周边土体的物质成分、密度、含水率和强度特性,结合现场观测资料分析了裂隙与渠道滑坡的关系。研究表明,膨胀土地层中的原生裂隙有两种类型：光滑蜡状裂隙和有一定厚度充填黏土的裂隙。裂隙面上的物质成分与两侧土略有不同,且天然密度低、含水率高,强度远低于相邻土体的强度,一旦地层与边坡倾向一致,将产生沿裂隙面的滑动。     

宜昌市猇亭区膨胀土引发边坡地质问题的分析与研究

宜昌猇亭区膨胀土分布于长江左岸高级阶地之上,属中等膨胀潜势粘土,天然状态下土体强度高,但遇水后产生膨胀变形,土体结构被破坏,强度急剧衰减,土体变形时产生较大的膨胀力。该地区膨胀土滑坡一般具有牵引式滑动、滑面平缓、多次滑动及季节性等特点。膨胀土滑坡的成因分为内因和外因两个方面,其发生的机理为膨胀土体内部因风化营力、胀缩变形及边坡卸荷等作用而形成网状裂隙,裂隙面在水的作用下形成软弱结构面并逐步贯通,在坡体自重、水压力、膨胀力等因素共同作用下形成滑坡。膨胀土边坡的稳定性评价应通过典型地质剖面进行抗剪强度参数反演,膨胀土边坡的治理措施主要通过截排水、支挡、清方等方式综合治理。     

膨胀土工程地质特性研究进展

根据近年来国内外学者围绕膨胀土工程地质特性取得的研究成果,着重从胀缩性、裂隙性、超固结性、强度、渗透性、微观结构及工程处治技术等几个方面总结了该课题的研究现状及进展,得到如下认识:（1）胀缩性主要取决于强亲水性黏土矿物含量、水/力边界条件及初始状态,在干湿循环条件下具有不可逆性,关于胀缩机理学界存在不同的观点;（2）裂隙性是膨胀土区别于一般土体的显著特征之一,裂隙的存在会极大破坏土体的整体性,弱化力学性质,是许多工程地质问题的直接或间接原因,裂隙形成过程与膨胀土矿物成分、微观结构和干燥过程中的内应力发育状态有关;（3）超固结性使膨胀土具有较大结构强度和水平应力,易在开挖过程中引起较强的卸荷效应,是促进边坡失稳的重要因素;（4）膨胀土的强度随干湿循环次数增加而逐渐降低,并最终趋于稳定,其中裂隙发育和土结构调整在此过程中起关键作用;（5）渗透性在很大程度上受裂隙的控制,但目前关于两者之间的定量关系还缺少系统研究;（6）微观结构反应了膨胀土的形成条件和应力历史,是决定其宏观物理力学性质的主要因素,开展微观结构研究是掌握膨胀土宏观性质本质规律的重要途径。在工程处治技术上,本文重点介绍了近些年发展起来的膨胀土路堤物理处治技术和路堑边坡柔性支护技术。最后,针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究重点和方向,主要包括胀缩性和力学性质的各向异性、裂隙形成的力学机理、裂隙形态特征与工程地质特性之间的定量关系、宏-微观力学模型耦合问题及多场耦合作用下膨胀土工程性质响应特征等。     

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-蒸发条件下土体开裂临界含水率演变规律研究

为研究降雨-蒸发过程中土体裂隙发展演化规律,依托裂土边坡足尺模型试验,测量土体表层含水率,采用图像矢量化技术提取裂隙率,对土体裂隙域及基质域开裂含水率演变规律进行了研究,基于非饱和土水平应变增量本构模型推导并计算了土体基质域临界开裂基质吸力及含水率。研究结果表明,降雨-蒸发过程中土体开裂具有可重复特征,且裂隙率随降雨-蒸发次数增加总体呈增加趋势;土体裂隙域开裂含水率随降雨-蒸发次数增加而增加,基质域与之相反;基质吸力对裂隙的开裂扩展既可有抑制作用,也可产生促进作用;基于均质各向同性非饱和土应变增量本构模型计算得到的土体基质域开裂含水率范围与实测值较为接近,且该模型能较好地解释裂隙域与土体基质域开裂含水率的变化规律。     

膨胀土路堑边坡的滑坡机理分析

膨胀土作为一种特殊土,其路堑边坡开挖之后若不及时防护易出现小规模的浅层滑坡;这类滑坡呈圈椅状体,后缘多出现在坡腰及其附近。为了研究膨胀土路堑边坡的滑坡机理,本文采用数值方法研究了这类边坡浅表风化层、裂隙性及时间效应对滑坡机理及稳定性的影响。研究表明:强度分层、裂隙的存在和蠕变效应共同决定了膨胀土路堑边坡的失稳具有浅层、小规模、渐进性和滑坡后缘通常出现在坡体中部的特点。工程实例和监测结果表明:锚杆框架梁可以有效抑止膨胀土边坡裂隙的扩展和发展,阻止坡体的变形,是这类边坡一种有效的加固方式,值得推广。     

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。     

降雨蒸发作用下膨胀土湿热和裂隙特性室内模拟试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖的膨胀土样进行蒸发、降雨再蒸发试验,研究降雨、蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,植被覆盖土样表面的反射量比无植被覆盖土样小100 W/m2左右,土样表面温差小5～6 ℃。无植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面裂隙率由1.28%增加到3.82%,表层土体累计脱湿量由3.42%增加到11.17%,脱湿速率由0.59%/d增加到1.44%/d,表层土体温度变化平均值由13.1 ℃增加到14.9 ℃。可见,降雨、蒸发过程使得土体水量变化加大,水分迁移速率增加,温度变化加剧,土体趋于破碎。植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面并未出现明显裂隙,表层土体累计脱湿量由3.16%变为2.36%,脱湿速率由0.58%/d变为0.37%/d,表层土体温度变化平均值由0.58 ℃变为0.37 ℃。可见,短期降雨、蒸发过程对植被覆盖下膨胀土的持水能力影响不大。     

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明：三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。     

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。     

软弱结构面对花岗岩残积土边坡稳定性影响

花岗岩残积土边坡存在较为发育的微裂隙结构面和一些软弱岩脉风化而成的软弱夹层,由于风化作用、降雨和地下水渗入等外界环境影响,裂隙中的填充物泥化和膨胀,结构面的抗剪强度迅速下降,造成边坡失稳破坏。通过对边坡破坏形式和机理的研究,得到了微裂隙引起边坡破坏的两个内外因素,外因是开挖导致裂隙处应力集中形成塑性破坏区;内因是裂隙处土体具有峰值—残余强度差异。以某含软弱夹层花岗岩残积土边坡为例,建立有限元数值模型对该边坡的变形特征进行研究,发现软弱夹层的存在不仅造成了边坡总体变形的增大,还决定了边坡失稳破坏时滑动面的位置。     

粤北山区滑坡地质灾害抢险治理方案探析

滑坡是粤北山区最常见、最主要的地质灾害。本文结合工程实例,在现场勘查的基础上,对滑坡特点、工程地质和水文地质特征、形成机理、稳定性进行了深入分析。粤北山区出露地层为下石炭统灰岩,滑坡土体呈现二元结构特征,坡积粉质黏土(滑坡土体)地表裂隙发育,暴雨期间雨水沿裂隙渗入软化土体,土体饱和,强度降低;工程建设对坡脚进行了高角度的切坡开挖,砌石挡土墙质量较差,易形成滑坡。黏性土边坡破坏形式为圆弧滑动,属于浅层潜蚀-滑移型土质滑坡,滑移深度在10m以内。滑坡抢险、治理的方案按两个阶段制定,即临时性应急抢险和永久性治理。     

非饱和膨胀土边坡稳定性分析

Bishop和Fredlund的非饱和土强度公式参数不易工程应用,文中基于双曲线的非饱和土强度公式,采用简化Bishop法建立非饱和土边坡的稳定方程,分析膨胀土边坡的稳定性,讨论了吸力、分层及其边坡表层裂隙对非饱和膨胀土边坡稳定性的影响。通过分析与比较,揭示了膨胀土边坡浅层滑坡的原因。     

土工袋加固膨胀土边坡降雨−日晒循环试验研究

为了解复杂气候条件下土工袋加固膨胀土边坡的效果与机制,开展袋装膨胀土边坡降雨−日晒循环试验,观察并分析边坡位移变形、坡面冲刷、降雨入渗等情况,并与素膨胀土边坡进行对比。试验结果表明：素膨胀土边坡在降雨−日晒循环作用下,边坡表面产生的裂隙较多,容易出现土体流失,土工袋则具有良好的反滤和抗冲刷作用,可以减少袋内和下卧层土体的流失,保持边坡的稳定性;土工袋对膨胀土有较好的约束作用,可以有效地抑制其膨胀变形,减小因变形引发边坡失稳的可能性;土工袋有良好的排水效果,雨水能通过土工袋袋间间隙快速地排出,边坡内含水率的增加幅度较小。     

南阳膨胀土裂隙面强度试验研究

裂隙性是膨胀土的基本特性之一,膨胀土中原生裂隙面的存在往往导致膨胀土边坡的失稳。选取南水北调中线工程南阳段膨胀土进行裂隙面强度特性试验,提出了裂隙面强度三轴试验新方法。首次将计算机X射线断层扫描技术引入裂隙面的强度试验,通过测量裂隙面真实产状,准确分析裂隙面上的破坏应力,提出了裂隙面强度参数的整理方法。研究成果表明,裂隙面的峰值强度不仅远小于两侧土的峰值强度,而且也小于两侧土的残余强度;裂隙面强度较低的原因主要是其具有较高的含水率、蒙脱石含量以及颗粒排列定向度。地下水淋滤作用对于膨胀土裂隙面存在3个方面的影响：微观上使得膨胀土中铁的氧化物由三价转变为二价,形成与两侧土颜色完全不同的灰白色裂隙黏土;细观上改变了母体土的矿物成分和颗粒排列结构,使得裂隙填充物具有较高的蒙脱石含量和颗粒定向度;宏观上形成了裂隙面与两侧土体力学强度的显著差异。     

基于FBG技术的饱和膨胀土失水致裂过程试验研究

为了解饱和膨胀土在失水条件下,干缩裂隙发育过程中土体内的应变状态、分布以及变化规律,设计了一个长40cm、宽5cm、深3cm的一维模型槽,将3条FBG传感光栅串埋入饱和膨胀土试样中,对膨胀土不同位置的应变进行了测量,得到了土体失水干缩致裂过程中,各个FBG传感器的应变状态及其变化规律,并分析了首条干缩裂隙及其附近土体的应变分布特征及其时空演化规律。试验结果表明:随着土体含水率的降低,土体首先呈现出整体收缩,之后应变状态发生分异,呈现出拉张区和收缩区交替出现的分布规律; 位于最大收缩区的边缘,当FBG传感器的应变由压缩状态转变为拉伸状态,并且拉应变及其变化速率相对较大的区域将产生首条裂隙。可见,本文所采用的高空间分辨率FBG传感技术为分析膨胀土裂隙发育全过程、揭示膨胀土失水致裂机理,以及膨胀土裂隙性特征的研究提供了新的思路和技术手段。     

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。     

植被增渗效应对花岗岩残积土浅层滑坡的影响机理研究

华南地区台风暴雨诱发的滑坡往往呈浅层、流态化、群发性等特征,大量调查发现植被增渗效应对花岗岩残积土滑坡的形成具有显著影响,但目前研究大多探讨植被根系对土体渗透性的影响,未能揭示植被增渗效应对浅层滑坡的影响机理。基于此,以“2019.6.9”广东省龙川县群发性滑坡灾害为例,通过大量现场勘查,查明滑坡区域地质环境条件与植被发育情况,分析植被对浅层滑坡的增渗效应;采用“双环入渗法”测得不同植被样地的入渗速率,分析其下渗过程和渗透规律;选取典型滑坡剖面,建立地质模型,运用Geo-Studio软件对强降雨条件下浅层滑坡渗流规律和土体应力-应变特征进行模拟;最后结合模拟结果和现场调查情况,分析强降雨条件下植被增渗效应对浅层滑坡的影响机理。结果表明：植被能够有效地增强土壤渗透能力,渗透能力大小依次为针叶林地、灌木林地、裸土地;在植被增渗效应影响下,雨水入渗到根土复合层底部会发生滞水现象,浅层土体迅速趋于饱和,土体中孔隙水压力及渗流力瞬时剧增,土体饱水使得残积土发生软化,同时边坡自重增加,最终导致斜坡失稳。研究结果可为华南地区暴雨群发性滑坡的形成机理、预警预报等提供科学依据,具有重要的意义。     

南阳膨胀土的宏观结构与路堑边坡病害治理

南阳盆地是我国膨胀土主要分布地区之一,在宁(南京)西(西安)铁路施工工程地质调查中,发现南阳地区上第三系中新统湖相沉积膨胀土中发育的构造裂隙、中更新统冲洪积膨胀土中发育的卸荷裂隙和全新统湖沼相膨胀土中发育的收缩裂隙控制了路堑边坡病害的形式、规模和破坏特征。施工过程中采取了针对性措施治理边坡病害,取得了明显的工程效果。