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。     

膨胀土强度干湿循环试验研究

通过南宁地区原状膨胀土干湿循环试验,探讨了膨胀土抗剪强度与含水率、循环次数、循环幅度等循环控制参数的关系。研究结果表明：膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加而衰减,最终趋于稳定,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。在此基础上,利用压汞试验测定了膨胀土干湿循环过程中的孔径分布,发现干湿循环对土的粒间联结产生不可逆的削弱,使得土体形成更大的孔隙空间,在高含水率时主要表现为集聚体间孔体积增加,在低含水率时集聚体内孔体积增加,从而降低土的抗剪强度。     

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。     

裂缝对膨胀土抗剪强度指标影响的试验研究

基于室内直剪试验,测定了膨胀土经历干湿循环后的抗剪强度指标。试验基本反映了膨胀土在干湿循环过程中裂缝的开展现象,揭示了正是由于裂缝的开展使膨胀土强度降低。结果表明,无论是黏聚力还是内摩擦角随裂缝的开展,都会产生一定程度的衰减,相比之下,裂缝对黏聚力的影响更加突出,对其取值也应更为谨慎。膨胀土的抗剪强度随裂缝的开展而衰减的规律符合双曲线模式,提出反映膨胀土抗剪强度随干湿循环次数增加,实际上是随裂缝的开展,而降低规律的经验公式。工程实际中膨胀土的抗剪强度反映的是包含各种裂隙的土体复合强度,因此在设计中,强度参数的取用应以考虑裂隙作用的土体强度为基本依据。所建议的方法可以使今后研究膨胀土裂隙的发生、发展对抗剪强度的影响变得相对简单,具有可操作性。     

固化轻质土在干湿循环及大变形条件下力学特性研究

为了研究在多变自然气候环境影响下新型土工材料——固化轻质土的力学特性,以自行研制的固化轻质土为研究对象,通过控制含水率变化模拟干湿循环作用,研究不同密度固化轻质土强度随干湿循环次数变化的规律。利用GCTS环剪仪对不同密度的固化轻质土分别进行单级剪切、多级剪切和预剪切3种不同形式的环剪试验,分析固化轻质土抗剪强度指标c,φ值以及残余强度在不同剪切方式下的变化规律。结果表明:在干湿循环作用下,固化轻质土的抗剪强度在剪切初期明显下降,随后趋于稳定,土体密度越大,龄期越长,衰减趋势越小。对固化轻质土孔隙率测试表明,土孔隙率随着干湿循环次数的增加呈现出先增大后趋于平缓的变化趋势,从内部机理上解释了强度的变化规律。在大变形条件下,多级剪切形式下土体残余抗剪强度最大,预剪切次之,单级剪切最小。同种剪切方式下固化轻质土的残余抗剪强度与密度和法向应力成正比。     

考虑抗剪强度衰减特性的膨胀土边坡稳定性分析

针对传统膨胀土边坡稳定性分析中无法考虑膨胀土在降雨入渗过程中抗剪强度动态衰减的问题,本文开展了室内直剪试验,系统研究了干密度和含水量变化对膨胀土抗剪强度指标的影响;同时,以试验抗剪强度结果为参数,开展了基于强度折减法的膨胀土边坡稳定性分析,获得了抗剪强度动态衰减过程中边坡稳定性的变化规律。结果表明,含水量的增加和干密度降低会造成膨胀土黏聚力和内摩擦角的衰减,黏聚力衰减显著,内摩擦角衰减较少;膨胀土边坡稳定性主要受风化层土体含水量控制,随着膨胀土含水量的增加,膨胀土边坡逐渐由稳定状态演变为欠稳定状态;干密度对膨胀土边坡稳定性的影响则相对较小。     

基于工程包边法的膨胀土抗剪强度干湿循环效应试验研究

根据包边法施工中填芯重塑膨胀土和包边石灰改性膨胀土的实际工程状态,设计了反映其运营状态的干湿循环过程,对6次干湿循环前、后膨胀土的强度特性进行了较为系统地试验研究。结果表明,在压实度为90%~96%时,干湿循环前重塑膨胀土和石灰改性膨胀土慢剪强度及强度参数均随干密度单调增加,而干湿循环后其黏聚力c随干密度单调增加,干密度对内摩擦角φ的影响则明显变小;重塑膨胀土和石灰改性膨胀土干湿循环后的残余强度受干密度制约性不大,但干湿循环前、后重塑膨胀土和石灰改性膨胀土的残余强度参数存在差异,且干湿循环幅度对膨胀土强度参数也有一定的影响;在分析干湿循环前、后反复剪切试验结果及膨胀土边坡长期破坏机制的基础上,认为对于膨胀土路堤,在进行强度参数选取时宜适当考虑干湿循环及其幅度对于残余强度参数的影响;利用石灰改性膨胀土包边处理填筑膨胀土路基较为适宜。     

重塑膨胀土非线性强度特性及一维固结浸水膨胀应力-应变关系

采用南水北调中线工程南阳膨胀土和新乡膨胀岩重塑试样,开展一系列干湿循环后的强度试验和一维固结后的有荷浸水膨胀试验。试验结果表明,(1) 膨胀土强度随竖向应力增加表现出明显的两阶段特性,低应力状态与高应力状态下的强度指标差别很大;(2) 同一上覆压力下,膨胀土的有荷膨胀率随着初始含水率的增大而线性减小,随着初始干密度的增大而线性增大,分别给出考虑初始含水率、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式和考虑初始干密度、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式,给出膨胀土一维固结后有荷浸水膨胀的应力-应变关系。分析认为,(1) 膨胀土边坡多发生浅层滑动,应测定低应力状态下的强度参数用于边坡稳定分析;(2) 膨胀土边坡浅层部分和坡脚的压实度不宜过高。     

基于整体刚体平衡法的膨胀土边坡稳定分析

膨胀土边坡危险滑面受裂隙面影响,常位于强弱风化层界面,且近似为直线,滑坡后缘一般为垂直张拉裂缝,下部主滑床呈近水平状。基于上述特性,提出滑坡体的三折线刚体简化模型,滑体内土体强度采用多次干湿循环后稳定值,并根据整体刚体的静力平衡推导建立边坡安全系数求解公式。以秦淮东河膨胀土边坡为实例,开展膨胀土干湿循环室内试验,并利用推导公式求解边坡长期稳定系数,计算结果与FLAC强度折减法求解结果接近。设计程序分析了强风化层厚度和膨胀土层厚度对边坡安全系数求解值的影响,发现后者随前两者的变化先急剧减小后趋于平缓,在一定范围内影响较大。考虑浅层土体强度和强风化层深度在干湿循环不同阶段的变化,求解了各阶段强弱风化层交界面上滑面的安全系数,发现其呈现指数衰减的趋势,边坡主要在6次干湿循环后发生失稳,滑面深度在1.83 m左右。     

红黏土工程性状的干湿循环效应试验研究

为研究湿热多雨气候条件诱发的干湿循环过程对红黏土长期性能的影响规律,对制样过程中干湿循环含水率变化幅度控制技术进行改进,制备不同干湿循环次数以及含水率变化幅度试样。利用固结排水三轴剪切与压缩试验,研究了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对压实红黏土工程性状的影响规律。结果表明,压实红黏土的黏聚力 与内摩擦角 均随干湿循环次数 的增加而衰减,首次干湿循环之后衰减效应最显著,其后较弱并趋于稳定, 的衰减程度小于c,且在低围压下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量E1-2随N的总体衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于c而大于 ;随着干湿循环含水率变化幅度增大,压实红黏土c与E1-2略有减小, 基本不变,压实红黏土含水率在 4%变化范围内,具有相对稳定的力学特性。该研究表明,红黏土不宜直接用于填筑路床与边坡表层的填料,可以作为上下路堤堤心的填料,但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。     

不同垂直荷重对风化砂改良膨胀土抗剪强度影响研究

本文以风化砂改良膨胀土的抗剪强度指标为研究对象,通过室内直接剪切试验,研究了在不同垂直荷重作用下,不同掺砂比例及不同含水率对改良膨胀土抗剪强度指标c、值的影响规律及各种不同垂直荷重下的-关系。影响直接剪切试验结果的两个关键因素是试验时的垂直荷重和剪切速率,而现行规范对剪切速率是有明确规定的,但对垂直荷重只有一个推荐性的取值。本文对膨胀土掺入了10%、20%、30%、40%、50%的风化砂,分别配以6%、8%、10%、12%、14%的水,然后在I级垂直荷重(12.5～50kPa)、Ⅱ级垂直荷重(62.5～100kPa)、Ⅲ级垂直荷重(100～400kPa)作用下,进行剪切试验。通过试验研究得知:垂直荷重对改良后膨胀土抗剪强度指标影响较大,随着垂直荷重的减小,掺砂后的膨胀土内摩擦角逐渐增大,黏聚力逐渐减小; 在各级垂直荷重下,在同一含水率状态下,黏聚力均随着掺砂比例的增大而逐渐减小,而内摩擦角均是先增大后减小; 在同一掺砂比例下,黏聚力及内摩擦角均随着含水率的增大而先增大后减小。本试验的研究成果为风化砂改良膨胀土用作公路路基填料提供了试验依据。     

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。     

干湿-冻融循环条件下膨胀土的压缩及渗透特性变化规律

北疆供水一期工程穿越膨胀土区域,历经多次干湿-冻融循环后力学特性衰减严重,易产生渠坡局部浅层滑坡和冻胀破坏等现象。为深入研究其劣化机制,通过干湿-冻融循环条件下的压缩试验、渗透试验和SEM微观扫描试验,从宏-细-微观多角度分析其压缩和渗透指标的变化规律。研究结果表明：随干湿-冻融循环次数的增加,膨胀土整体压缩性增大,其压缩曲线可分为拟弹性段与拟塑性段;随循环次数的增加,回弹指数呈波动趋势,压缩指数与循环次数呈指数正相关,与细-微观裂隙呈线性正相关。黏土颗粒在循环作用下组成“团聚体-孔隙-填充颗粒”形式的较松散的临时结构,絮凝结构增加,各向异性减少;土样承受竖向压力时,膨胀土孔隙间距减少,压缩性较大;压力超过固结屈服应力时,团聚体颗粒扁角化、极角频率增加、孔隙压密,压缩性逐渐稳定。渗透系数在循环过程中变化分为缓慢、迅速、稳定3个阶段;渗透系数在第5次循环变化较大,第7次循环后逐渐稳定,与循环次数及表面裂隙率呈正相关趋势。渗透系数与各项微观参数的灰色关联度均大于0.65,微观孔隙率是最主要的影响因素;循环作用下微观孔隙发育明显,形成新渗流通道,渗透系数与微观孔隙率呈线性正相关。     

Analysis of a progressive slope failure in the Xiangjiaba reservoir area,Southwest China

The rehabilitation construction in the reservoir area of Xiangjiaba hydropower station in Southwest China has caused many landslides. A shallow progressive failure that occurred on the resettlement site of Xin’an Town of Pingshan County in Sichuan Province was selected as a case study. This landslide occurred in a long and gently inclined area by slope excavation under rainfall conditions. It is about 3.0 m deep with a total length of 35 m and is composed of some subfailures. Undisturbed samples were retrieved, on which the basic properties, shear strength, expansive potential, mineral compositions, and microstructures were tested and analyzed. The results show (1) the landsliding materials belong to medium expansive soil, consisting of the clay minerals of illite–smectite (I/S) and chlorite–smectite (C/S); (2) shear strength of the soil is sensitive to water, which greatly decreases once saturated; and (3) many fractures and relatively large pores are developed in the soils. Back analysis of the landslide shows that the shear strength at failure is less than the residual shear strength obtained from lab tests, indicating that some processes contributing to the slope failure could not be reflected by the shear box test. Based on the above analysis, the progressive process of the slope failure was interpreted, and it is inferred that the rainfall entered into the slope mainly through fractures and relatively large pores in the soil. It caused not only the great decrease in soil strength but also the swelling trend. The latter one would lead to growth, interaction, and coalescence of the fractures. Soon after, these fractures formed the shear planes (zones), which further decreased the resistance of the landslide. Under these favorable conditions, the slope excavation directly triggered the failure.     

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。