大型天然黄土洞穴系统现场冲刷试验

摘 要:通过现场冲刷试验,结合勘探、调查及室内含泥率测定等手段对大型天然黄土洞穴系统的三维空间展布特征、水文特性及侵蚀特征进行了研究。结果表明:黄土洞穴系统侵蚀过程具有明显的期次性;洞穴过水流量过程曲线可分为增加阶段、相对稳定阶段和减小阶段三个特征流量段,其中在第一阶段普遍存在滞流效应,第二阶段具有小幅波动的特性,并发现洞穴内的总渗流损失量随设计注水流量的增大而有所增加;根据含泥率随时间变化曲线,分析了不同流量过程段含泥率的变化特点,通过不同工况的累积侵蚀量对比发现洞穴的侵蚀速率与流量显著正相关。从机理上对产生上述过程、现象及结果的原因进行了合理解释,为黄土潜蚀机理及潜蚀速率的研究提供了可靠的现场试验数据。     

降雨条件下黄土边坡现场试验研究

黄土边坡的变形破坏多发生于降雨期间,由此也造成了大量的损失。为减小降雨诱发黄土滑坡的影响,开展降雨型滑坡现场实验研究,具有现实意义。本文选取泾阳一天然黄土边坡为研究对象,利用自行设计的模拟降雨系统,设计并进行了3组不同雨强下的大型黄土边坡人工模拟降雨试验,旨在研究不同雨强条件下天然黄土边坡的入渗规律及变形破坏模式。通过对边坡内埋设的土壤水分传感仪、土压力盒和张力计管的读数变化及试验现象进行分析,进而得出降雨条件下大型黄土边坡现场试验的变形破坏规律,总结出该类边坡的水分入渗规律和变形破坏模式。试验结果表明,边坡入渗呈现一定的规律:降雨条件下,坡肩入渗深度和速率最大,坡脚次之,坡面最小;同时,降雨强度越大,雨水入渗速率越快,入渗时间越长,边坡相同位置处体积含水率和土压力增大幅度越大,基质吸力减小的幅度越大。降雨条件下天然黄土边坡的变形破坏模式为:坡肩侵蚀及侵蚀扩展→坡面裂隙形成扩展→坡肩裂隙形成扩展→局部滑塌;若继续降雨,则坡肩局部裂隙逐渐贯通进而形成滑面,最终导致滑坡发生。     

泾河下游黄土台塬区侵蚀诱发滑坡机理

泾河下游黄土台塬区侵蚀诱发的黄土滑坡不仅威胁当地居民的生命财产安全,而且引发严重的水土流失及文物损毁等问题。以该类黄土滑坡为研究对象,在详细地质调查的基础上,取唐家村L2滑坡坡脚原状黄土进行减围压三轴剪切(RTC)试验,研究了饱和黄土的应力、孔压、围压特征以及剪切速率对土体力学行为的影响。结果表明,RTC应力路径下围压率达到0.55时,土体会因偏应力增大而引起塑性剪切破坏;同时,该应力路径下的饱和黄土内摩擦角很小,仅为10.7°;RTC应力路径下的破坏面,十分接近K_0状态面,说明天然斜坡坡脚饱和黄土在小幅水平应力降低条件下易于发生破坏,从而诱发滑坡失稳。     

龙门石窟潜溪寺凝结水定量测试研究

龙门石窟雕琢于碳酸盐岩体之中,受水的侵蚀破坏十分严重,而凝结水病害是水侵蚀中不容忽视的一个问题。潜溪寺是龙门石窟凝结水病害比较典型的一个石窟。凝结水的定量测试是评价凝结水病害和分析其形成机理的重要手段。采用专门的测试设备在龙门石窟潜溪寺现场测定凝结水的凝结速率和凝结水量,主要包括试验仪器的率定试验和凝结水的定量采集试验,通过率定试验得到了试验时间和试验仪器误差的曲线关系,定量采集试验得到不同时间段的凝结速率。结合现场监测的凝结面积和生成凝结水的时间计算凝结水量。试验结果表明,试验仪器误差水量与时间可以拟合为线性关系;2010年潜溪寺的凝结水生成总量为200.68 kg,其量相当可观;潜溪寺内凝结水的生成速率上午最大,晚上最小;结合笔者前期研究成果分析,潜溪寺2006—2010年期间的年生成凝结水量呈波动状态,凝结水量的波动与年度的气候变化有关;2008年以来,潜溪寺的凝结水量有增多的趋势。位于南方的大足石刻凝结水的生成速率最高,位于北方的云冈石窟的凝结水生成速率最低,龙门石窟的凝结水生成速率介于二者之间,这与3个石窟的自然地理位置和气候条件相关。     

陕西泾阳南塬滑坡干湿黄土快速大剪切力学特性

借助于先进的多功能大型高速高压环剪试验机,针对陕西泾阳南塬滑坡中的饱和黄土、干燥黄土在快速大剪切位移条件下的力学响应特性进行了环剪试验研究。研究结果表明:1)在相同试验条件下,与干燥状态黄土相比,泾阳南塬黄土在饱和条件下抗剪强度指标降低。2)在连续快速剪切条件下,泾阳南塬滑坡饱和与干燥黄土均表现出应变软化特征,饱和黄土比干燥黄土的软化特征更加显著。3)在相同法向应力条件下,剪切速率对饱和和干燥黄土峰值强度均有显著影响,但两种状态下土体峰值强度随剪切速率变化特征不同。饱和黄土峰值强度随剪切速率的增大而增大,而干燥黄土峰值强度随剪切速率的增大而减小。4)在不同含水状态下,泾阳南塬滑坡黄土剪切力学特性变化规律具有不同的产生机理。其中,干燥黄土抗剪强度在连续剪切过程中主要受黏土颗粒间摩擦(阻)力、颗粒运移与定向排列以及剪切面形态的控制。与干燥黄土相比,饱和黄土峰值抗剪强度变化主要受土黏聚力的控制并受水的影响;土体内水的作用能够加剧其应变软化程度并可形成光滑平整的剪切面形态,进而对其峰后剪切应力变化产生影响。     

饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究

强降雨和灌溉导致黄土强度劣化并发生饱和破坏现象,进而诱发黄土滑坡,给当地带来严重的灾难。饱和黄土抗剪强度的影响因素较多,本文根据水头饱和与反压饱和相结合的原理,利用改装后的TFB-1型非饱和土应力-应变控制式三轴仪对党川地区马兰黄土重塑土样进行饱和试验和CU试验。分别采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa围压对饱和重塑黄土进行剪切速率分别为0.02 mm·min-1、0.06 mm·min-1、0.2 mm·min-1、0.4 mm·min-1的CU试验,探讨了围压和剪切速率对饱和重塑黄土抗剪强度的影响。研究发现:同一围压下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着剪切速率的增大呈先增大后减小的趋势;同一剪切速率下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着围压的增大逐渐增大;在干密度相同的条件下,饱和重塑黄土的总黏聚力及有效黏聚力随着剪切速率的增大先减小后增大,总内摩擦角及有效内摩擦角随着剪切速率的增大先增大后减小。该研究可为黄土滑坡预报和范围预测提供一定依据。     

磐安结构性黄土动阻尼特征及其演化规律研究

地震作用往往会导致结构性黄土动强度的衰减,引发黄土滑坡、振陷等一系列地质灾害,而强度的衰减与其阻尼特性密切相关,因而结构性黄土的动态阻尼特征及其演化规律问题是岩土工程抗震的重要研究课题之一。为此,以天水磐安结构性黄土为研究对象,开展了天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动力学特性试验。在试验基础上,分析并比较了黄土的动模量、动阻尼响应特征及其演化规律。研究表明:天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动应力随动应变的增大而增大,动模量随动应变的增大而减小,动阻尼比随着动应变的增大而增大;受黄土结构性的影响,原状黄土的最大动模量比重塑黄土的稍大,原状、重塑黄土的最大动模量比饱和原状、饱合重塑黄土的稍大;黄土结构性较强时需要考虑试样固结应力对阻尼比的影响,饱和重塑黄土可以忽略试样固结应力对阻尼比的影响。     

陕西延安Q_2原状黄土抗拉强度试验研究

对陕西延安新宝塔山隧道Q2原状黄土进行了不同加载速率的无侧限抗压与贯入抗拉试验,研究了Q2原状黄土抗压与抗拉强度的影响因素。结果表明:加载速率对宝塔山Q2原状黄土抗压和抗拉强度影响较大,抗压强度与抗拉强度随加载速率增大而增大;高径比对抗拉强度也有较大影响,试验时当高径比控制在1.0左右时,高径比对宝塔山Q2原状黄土的抗拉强度影响相对较小,因此采用轴向压裂法测量黄土的抗拉强度时,高径比宜控制在1.0;在试验加载速率范围内,加载速率对宝塔山Q2原状黄土的压拉比影响不大,其压拉比在9.88~13.68范围内变化。     

基于原位渗气试验的黄土潜蚀地层渗气率研究

利用改进的渗气仪器对不同地区原位马兰黄土地层及原状马兰黄土试样的渗气率进行了测量。通过新研制的原位渗气率试验装置和已有成熟经验的室内原状黄土试样渗气率试验装置的渗气率测定结果进行对比,对原位渗气率试验结果的可靠性进行了验证;结合两种渗气率试验方法所得的结果综合分析了颗粒粒径、孔隙比、含水率等因素对马兰黄土渗气率的影响规律及其机理;通过原位渗气率试验分析了湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴对黄土地层渗气率的影响规律及其机理。结果表明:原状黄土试样室内渗气试验与黄土地层原位渗气试验获得的结果基本一致,黄土地层原位渗气率试验结果是可靠的。原位试验因能够最大程度上避免试样取样、运输及室内制样等过程的扰动影响而结果更为精确,且能较好地反映黄土地层的真实情况,室内渗气率试验只适合均匀、无明显节理裂缝（隙）的黄土试样。两种渗气率试验结果均表明:马兰黄土粗颗粒愈多级配愈差渗气率愈大,反之渗气率则愈小;同一地点随深度增加、孔隙比减小、含水率增大,渗气率呈现减小的趋势。潜蚀黄土场地湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴附近黄土地层因受裂缝（隙）和洞穴扰动,渗气率明显偏大,而远离湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴的黄土地层渗气率基本接近于非洞穴裂缝（隙）分布区黄土渗气率平均值。原位渗气率测量结果精确,测量过程快速便捷,该方法在评价黄土地层渗透性乃至评价黄土地层结构缺陷（如隐伏节理裂隙、潜蚀洞穴的发育程度）等方面具有广阔的应用前景。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液,采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律,并从微观结构的变化进行机理分析。试验结果表明：相同固结应力条件下,不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低;随着酸液浓度增大,污染土骨架连接方式由点-点接触向点-面接触、面-面接触转变,土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少,导致污染土渗透系数降低;相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸硝酸盐酸水,即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。