Failure mechanism of a slope with a thin soft band triggered by intensive rainfall

Rainfall is considered as one of the paramount factors for slope failures in many regions around the world, particularly in tropical and subtropical regions. To study the effect of rainfall storm and its duration on the stability of slopes with a thin soft band layer, a 2D seepage numerical analysis and experimental investigation were implemented on an unsaturated model, consisting of clayey sand soils with a thin soft layer inclined to the horizontal level by 30° at a slope angle of 50°. It was subjected to intensive rainfall 20 mm/h for 8 h. Positive pore water pressures and horizontal earth pressures were monitored during the rainstorm using sensors distributed inside the experimental model. Both the experimental and numerical simulation results showed that the stability of the slope decreased during the time of the rainfall storm. Infiltration of rainwater resulted in reduction of soil shear strength, due to the loss occurring in soil suction after 1 h of rainstorm; the tension cracks appeared at the top of the slope and a certain displacement was observed in the sliding blocks. During the time of rainstorm, the infiltrated water flowed out from the slope through the weak interlayer near to the toe causing piping and local failure, so the formed cracks at the top of slope grew and expanded due to sliding of the failed soil blocks. Moreover, the ground water table rose and the positive pore water pressures increased, resulting in a reduction of effective stress, which is considered as a main factor in soil shear strength. A surface runoff was also present following the full saturation of the slope, leading to dragging the fine particles with water flow causing erosion. The combination of piping and erosion effects led to a quick local failure at the toe, as well as sliding of the failed blocks and spreading of the cracks.     

考虑前期降雨过程的边坡稳定性分析

基于三峡库区实测降雨资料,研究了不同初始条件对不同土体边坡稳定性影响,建议了能够反映边坡含水状态的初始条件选取方法。在此基础上,采用非饱和渗流分析方法研究了前期降雨对不同土体边坡稳定性影响,以典型的砂土和黏土边坡为例初步探索了前期降雨对边坡稳定性影响规律。结果表明：初始条件对不同土体边坡稳定性影响不同;建议将多年平均降雨量对应的稳态渗流场作为初始条件进行非饱和渗流分析。边坡土体渗透系数越低,边坡稳定性受前期降雨的影响越大、影响时间也越长。砂土和黏土边坡稳定性分析时建议至少考虑15 d以上的前期降雨,对于砂土边坡还应根据这15 d前面5 d的降雨情况确定是否需要增加计算天数。短历时高强度前期降雨对砂土边坡稳定性影响更大,而长历时低强度前期降雨对黏土边坡稳定性影响更大。累积前期降雨量可以作为判断边坡最小安全系数出现时刻的依据。砂土边坡出现最小安全系数时刻与10 d累积前期降雨量最大的时刻较为吻合,而黏土边坡则与15 d累积前期降雨量最大的时刻较为吻合。     

青海省格拉沟形成演化机制及其主要工程地质问题

格拉沟位于青海省内陆滩地，其形成演化反映了西北地区典型的水土流失过程。文章在收集大量野外资料的基础上，研究了格拉沟的形成演化机制，并对该沟道主要工程地质问题进行了探讨。分析认为，格拉沟形成演化是该地区特殊的内因外因共同作用的结果，基于此对其发育演化阶段进行了划分与预测。该沟主要工程地质问题为边坡稳定性、渗透稳定性、河流侵蚀等。其中边坡稳定性主要包括天然岸坡整体稳定性及崩塌、坠溜、滑塌等；渗透稳定性主要包括潜蚀与管涌；河流下切与溯源侵蚀则成为岸坡失稳破坏的重要诱发因素。探讨格拉沟形成演化机制及其主要工程地质问题，对于研究西北地区水土流失机理及其产生的环境问题具有一定的借鉴作用。     

不同渗流边界条件下粉砂边坡失稳模型试验研究

研究不同渗流边界条件下粉砂边坡的稳定特性对滑坡安全评价及防灾减灾具有重要意义。开发研制了室内边坡模型试验系统,分别进行了在上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗的边坡失稳模型试验。分析了各试验中边坡内部不同位置体积含水率、孔隙水压力和基质吸力的变化规律以及坡体破坏过程。结果表明,不同入渗边界条件下边坡土体局部由非饱和变为饱和状态,基质吸力消失,最后在坡面形成不稳定区域塌落破坏。上部边界入渗、侧向边界入渗和底部边界入渗所引起的破坏模式根据其特点可分为局部浅层破坏、多级后退式破坏和坡面滑动破坏。通过监测边坡不同位置的体积含水率,可以为渗流引发的边坡失稳预警机制提供参考依据。     

Numerical modelling of internal erosion during hydrate dissociation based on multiphase mixture theory

It has been reported that sand production, which is a simultaneous production of soil particles along with gas and water into a production well, forced to terminate the operation during the world's first offshore methane production test from hydrate-bearing sediments in the Eastern Nankai Tough. The sand production is induced by internal erosion, which is the detachment and migration of soil particles from soil skeleton due to seepage flow. The inflow of the eroded soil particles into the production well leads to damage of the production devices. In the present study, a numerical model to predict the chemo-thermo-mechanically coupled behavior including internal erosion during hydrate dissociation has been formulated based on the multiphase mixture theory. In the proposed model, the internal erosion is expressed as mass transition of soil particles from soil skeleton to the fluidized soil particles. Since the internal erosion is considered to depend on the soil particle size, mass of soil particles are divided into several groups that have different representative particle diameters, and the constitutive equations for the onset condition and the mass transition rate of the internal erosion are formulated for each group. Also, transportation of soil particles in the liquid phase is formulated for each particle size group in the proposed model. Finally, a simulation of the methane gas production from the hydrate-bearing sediment by depressurization method is presented, and the internal erosion and the dissociation behavior are discussed.     

渐进坍塌型崩岸的力学机制及模拟

针对渐进坍塌型崩岸,从土力学和河流动力学两方面理论出发,建立了岸坡稳定的力学模式,结合室内概化模拟试验和数值计算,分析了岸坡稳定或破坏的力学机制,揭示了缓坡出现崩岸的原因。结果表明,岸坡坡脚未受水流冲失时,若坡内渗流出逸坡降小于渗透破坏的临界坡降,岸坡处于稳定状态,当坡脚被水流冲失后,渗流渗径缩短,水土结合处坡面出逸坡降增大,大于临界坡降时则出现渗透破坏,引起局部小幅度土体崩塌,其后部土体失去支撑而陆续产生失稳破坏,随着时间的延长,土体崩塌现象逐步向后发展,最终导致岸坡整体崩塌破坏。     

三层堤基中细砂层厚度对管涌影响的试验研究

对由弱透水黏土层、细砂层和强透水砂砾层组成的三层堤基进行了管涌发展的砂槽模型试验,为了便于观察分析,细砂层由各种颜色的细彩砂依次排列在砂砾石层上表面,通过改变彩砂层的厚度分析研究了不同细砂层厚度对管涌发生、发展机制及过程的影响。试验结果表明,三层堤基细砂层厚度的不同使管涌发生的临界水力梯度、涌砂量和通道发展的速度不同,与双层堤基有很大区别。临界水力梯度是由多种元素决定的,包括破坏土体的性质及其整体性等;细砂层的存在使流量在渗透变形初期对涌砂不敏感;在试验中发生的相同水位下多次间歇性涌砂,其原因一方面是颗粒在运动过程中发生堵塞,另一方面是通道边界的土体失去支撑发生应力释放,抵抗力随着时间逐渐减小。     

辽西黄土陡坡的冲刷破坏机制

以70°辽西黄土陡坡为例,在降雨强度为2.7 mm/min条件下对边坡坡面冲刷破坏特征进行了室内物理试验模拟。试验发现：随着降雨的持续坡面水流能量不断增加,致使侵蚀强度增强;边坡的侵蚀方式从试验初期的片蚀,到中期的细沟侵蚀,最后演化为坡顶部的切沟侵蚀和坍塌。基于试验成果,采用SEEP/W程序对降雨条件下边坡降雨入渗规律进行数值模拟,发现在降雨过程中坡顶部所产生的水头压力最大,随高度降低呈减小趋势;运用PFC2D颗粒流软件从微观角度对坡体土颗粒运动情况进行模拟,结果发现位于坡顶的颗粒最先被径流冲刷带走,且下落速度很快。经对比表明：数值模拟结果和物理模拟试验现象基本一致,可为进一步研究黄土边坡冲刷破坏规律提供参考。     

坡面松散砾石土侵蚀过程及其特征研究

砾石土因其含砾、粉细砂和粘性土,具有级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点,在土石坝防渗体土料和工程防渗墙中得到广泛应用。目前的研究多针对砾石土在工程应用方面,对于坡面松散砾石土降雨淋滤作用导致土体细粒成分流失、土体组构改变以至影响土体力学性质变化以及坡面物质稳定性变化等系列研究并不多见。利用人工降雨装置,进行了人工降雨坡面松散砾石土降雨淋滤试验,开展了砾石土侵蚀过程及其特征初步试验研究。试验表明,降雨作用下砾石土斜坡表面土体形态变化具有明显的阶段性特征,随着坡长的增加,产流率和侵蚀模数成线性增加,径流量随降雨时间跳跃和波动性增加,径流泥沙含量随降雨时间的增加以近似幂函数曲线关系递减。     

恒定渗流作用下泥石流起动过程冲刷试验分析

渗流是泥石流水动力条件主要来源之一,不同渗流流量具有不同的渗流力和冲刷力,从而可引起不同规模泥石流。通过开展室内水槽试验,利用测压管量测渗流过程中的孔隙水压力,并结合高清摄像技术从微观角度记录堆积土体内部细颗粒的运移、骨架颗粒的坍塌现象,以此分析研究土体渗透破坏、起动形成泥石流过程中的渗流和冲刷作用。在此基础上设定水槽坡度为7°,调节恒定渗流流量分别为120、170、265、320 ml/s,分析不同恒定渗流流量对固体堆积物失稳、泥石流起动过程中流态变化的影响。分析结果表明,在恒定渗流流量作用下,堆积土体内部细颗粒迁移、骨架颗粒坍塌造成土体颗粒重排列、孔隙水压力上升进而导致土体抗力降低是泥石流土体颗粒失稳、起动、冲刷的重要原因;随着渗流流量增加,流速迅速上升,土体内孔隙水压力逐步增大,骨架颗粒的失稳、移动主要受渗流及水流冲刷两方面共同作用,堆积土体颗粒的移动分别表现出缓慢小幅滑动后稳定、过渡型滑动和快速流滑现象。     

岩溶塌陷发育机理模式研究

岩溶塌陷是我国岩溶区常见的地质灾害。目前,关于岩溶塌陷发育机理模式主要以力学分析为主。文章以岩溶塌陷过程为基础,探讨分析岩溶塌陷发育机理模式。依据地下水埋藏条件,土体分为包气带非饱和土体、潜水层饱和土体及承压水层承压性土体。根据“水-+土”相互作用,在包气带、潜水层和承压水层分别建立崩解作用、潜蚀作用和水力裂隙作用三种岩溶塌陷发育机理模式。      

水流冲刷过程中河岸崩塌问题研究

采用土工数值分析方法,对水流冲刷过程中的河岸崩塌问题进行了分析。分析了水流冲刷引起的河岸后退距离及后退过程中坡内的渗流情况与坡体的稳定性;探讨了水流冲刷过程中岸坡崩塌的发生机理;指出了坡内的渗流作用与坡前水流的冲刷作用是岸坡发生崩塌的主要动力因素,而岸坡土体的物质组成和分布、岸坡坡度等则是岸坡发生崩塌的主要内在因素;并提出了相应的工程防护措施。     

降雨作用下砾石土斜坡坡面形态及临界特性

砾石土因其级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点在工程防渗中得到广泛的应用,其强度和力学性质受粗细粒含量和粒间咬合程度、黏接状态等影响。通过人工降雨原型试验、模型试验、室内试验及理论分析,研究松散砾石土斜坡在降雨作用下坡面土体的形态特征和土体性状的变化以及斜坡稳定性和该过程中可能出现的临界状态,探索坡面松散砾石土触变液化的过程和机理。试验结果表明,砾石土斜坡在降雨过程中,坡面土体形态、坡面径流泥沙含量具有阶段性特性;各典型现象土体含水量分布具有区段性;土体强度和斜坡稳定性随着土体含水量的增加均存在明显的临界特征。     

基于SWCC试验数据的坝体非饱和非稳态渗流与稳定性研究

饱和-非饱和状态是土存在于自然界的真实状态,描述和解释这种状态的非饱和土力学理论在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变、边坡和路基稳定性分析等领域有着广泛的应用。非饱和土的土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学研究的基本内容之一,对非饱和土体渗流和稳定性分析至关重要。采用Python语言开发了非饱和渗流与稳定性分析软件包USSA和非饱和土土水特征曲线试验数据处理和模型拟合界面。对非饱和土的土水特征曲线数据进行处理,以模型拟合参数作为基本输入进行非饱和渗流场的模拟,再到非饱和土的稳定性分析,详细呈现了非饱和土渗流与稳定性分析及软件开发的全过程。基于SWCC模型的拟合参数对坝体渗流稳定性进行了分析,分析结果表明水位变化过程中坝体两侧斜坡具有明显不同的稳定性演化规律。当采用有限元强度折减法进行非饱和土斜坡稳定性分析时,最终安全系数为所有边坡安全系数演化曲线的最低包络线。     

微生物-膨润土联合矿化防渗模型试验研究

砂土地基发生渗漏时容易引发地基塌陷和工程结构破坏等工程安全问题。利用微生物-膨润土联合矿化的方法开展了大尺寸砂柱的防渗模型试验,研究了砂土的颗粒粒径、浆液的液固比与注浆次数等因素对砂柱的渗透特性、内部侵蚀特性及膨润土与碳酸钙沉淀分布的影响,分析了处理后试样的封堵稳定性和微观结构,进一步评估了微生物-膨润土联合矿化方法的处理效果。结果表明,通过微生物-膨润土联合矿化方法可以有效地提高砂土的防渗效果与封堵稳定性。经过1～3次注浆后,试样的渗透系数最大可以降低4个数量级,并且渗透过程中的侵蚀速率也得到了成倍的降低,最低达到了0.51 g/(s·m2)。针对膨润土与碳酸钙沉淀在砂土封堵中起到的作用,分析了微生物-膨润土联合矿化方法的防渗机制。该研究成果证实了微生物-膨润土联合矿化方法应用于砂土防渗工程的可行性,为微生物注浆技术解决砂土地基渗漏问题提供了重要参考。     

Influence of hydraulic characteristics on stability of unsaturated slope under transient seepage conditions

This paper examines the current procedure for determining the soil-water characteristic curve (SWCC) model with a particular focus on its application to slope stability analysis under transient unsaturated seepage conditions. A series of laboratory experiments was performed to determine the SWCC of different soils, ranging from high plasticity clay to silty sand, found across the Korean Peninsula. The experimental results were utilized to identify the suitable SWCC model for each soil type based on the fitting criterion. Also, this paper developed a numerical framework for infinite slope stability analysis under transient unsaturated seepage conditions. The significant advantage of the proposed framework, from the practical viewpoint, is to directly predict the timing of failure and potential failure plane based on rainfall recording. The effect of choice of SWCC models on predictability in stability analysis was evaluated by adopting the present framework along with the identified SWCC models. Furthermore, a case study of landslides after a 3-month rainfall in Pohang, Korea, was revisited to assess the performance of the proposed framework. The obtained results demonstrate the significant role of SWCC model on the results of slope stability analysis. The analysis using the SWCC model satisfying the fitting criterion could still not capture the real behavior of unsaturated soil. The comprehensive transient analysis is strongly suggested as a complementary means to the current fitting criterion for determining the suitable SWCC model for stability analysis under transient seepage conditions.     

库水位下降过程中土坡稳定强度折减有限元分析

采用强度折减有限元法,考虑边坡土体的非饱和-非稳定渗流过程,从坡体内浸润线位置、土体的渗透系数、水位下降速率、下降比及基质吸力等5个方面研究了水位下降过程中岸坡的整体稳定性。结果表明,水位下降速率对高渗透性土坡内孔压的影响显著,对低渗透性土坡内孔压影响较小,对边坡安全系数的影响程度可达15%。     

黄土陡坡降雨冲刷试验及其三维颗粒流流-固耦合模拟

针对坡角为70°的黄土边坡,进行2.7 mm/min降雨强度下的室内坡面冲刷试验。根据边坡冲刷破坏的过程特征,将边坡侵蚀方式演变过程归纳为试验初期的片蚀、中期的细沟侵蚀、到后期的切沟侵蚀和坍塌。试验中坡顶处侵蚀强度大于其他部位,当坡面形成上下贯通的切沟之后,水流开始掏蚀沟槽底部土体,随着冲刷的持续,切沟两侧土体强度降低,坡顶土体发生坍塌。以此为基础利用三维颗粒流软件PFC3D对边坡降雨冲刷过程进行流-固耦合模拟,在模拟颗粒大变形的同时得到颗粒运动轨迹、孔隙率、流体单元内流速等重要参数,这些参数的定量变化过程反映了降雨过程中边坡遭受侵蚀程度及水流侵蚀能力的分布规律:坡顶处侵蚀最为强烈、水流侵蚀能力最强,且两者随高度降低呈减小趋势,与室内试验结果一致。     

溯源侵蚀引发的拉裂-倾倒型黄土崩塌形成机制

溯源侵蚀是黄土丘陵区最强烈的动力地质作用。常导致沟头后退、坡脚掏蚀,进而引发崩塌灾害。文章通过对研究区崩塌灾害的统计分析,厘定出溯源侵蚀作用引发崩塌的典型类型为拉裂-倾倒型。该类型崩塌具有后壁陡直、粗糙、规模大、分布广、危害范围广,潜在危险性大等特点。分析认为溯源侵蚀引发拉裂-倾倒型崩塌是水力侵蚀和重力侵蚀耦合作用的结果。该类型崩塌的形成,主要是由于斜坡在地表水力侵蚀和重力作用下,坡体内拉应力分布区、剪应力分布区和强烈水力侵蚀区三个区发生了转化,经历了斜坡应力重新分布、拉应力的增大与范围扩大,剪应力状态改变与范围集中、坡顶拉张与孔隙水压力耦合作用下的崩塌体倾倒破坏三个阶段。控制和影响拉裂-倾倒型黄土崩塌稳定性主要因素包括:斜坡几何特征、土体物理力学参数及裂隙中的静水压力。随着土体含水率的上升,坡顶拉张裂缝深度加深,侵蚀凹槽深度加深,崩塌体稳定性逐渐降低。