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。     

密度和干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线在非饱和土力学中扮演着重要的角色。影响非饱和土土-水特征曲线的因素很多,如初始密度、干湿循环、荷载等。利用GCTS土-水特征曲线仪,主要测定了不同初始干密度的重塑非饱和黄土试样的减湿土-水特征曲线,选取合理的土-水特征曲线模型进行数据拟合,通过分析模型拟合参数来研究初始干密度对非饱和黄土土-水特征曲线的影响;并对给定初始干密度的试样进行了2次干湿循环试验,测定相应的减-增湿土-水特征曲线,通过对比干湿循环曲线上体积含水率的差异,提出了“滞回度”的概念,初步研究了黄土土-水特征曲线在干湿循环下的滞回特性规律。这些成果将为研究应力作用下的土-水特征曲线模型以及考虑干湿循环的力-水耦合本构模型发挥重要作用     

水流拖曳力对斜坡浅层土稳定性的影响分析

为研究强降雨条件下地表径流和裂隙水流的拖曳力作用对斜坡稳定性的影响,建立斜坡地表径流和地下水渗流耦合分析模型。采用Navier-Stokes方程描述地表径流和裂隙水流,Brinkman-extended Darcy方程描述土体和岩石中的渗流,并根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件,推求各介质中的流速分布。应用Newton内摩擦定律求得水流对斜坡产生的拖曳力,进而将拖曳力嵌入刚体极限平衡理论对斜坡稳定性进行分析。典型斜坡实例计算结果表明,当未考虑拖曳力效应时,斜坡的安全系数为1.164,考虑水流对斜坡土体产生拖曳力效应时,斜坡的安全系数为1.089,斜坡安全系数降低了6.44%。这表明拖曳力作用对斜坡的稳定性存在不利影响,斜坡土体在近乎临界稳定状态下拖曳力将对斜坡失稳起到决定性作用。最后分别讨论了考虑拖曳力和不考虑拖曳力情况下斜坡的安全系数与径流水深、斜坡倾角、土层厚度之间的关系。分析表明,在其他条件相似的条件下,斜坡越陡,斜坡土体的安全系数下降越明显;斜坡安全系数随着斜坡倾角增加而不断降低,随着土层厚度的增加而不断降低。     

多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟

目前对于土体的干湿循环过程中变形、强度变化规律研究较多,而对经过多次干湿循环后土-水特征曲线的试验研究较少。由于吸力平衡需要时间太长,对干湿循环过程中土-水特征曲线的研究也多限于单次的干湿循环试验。但考虑到实际岩土工程中气候条件的多变性和自然环境的复杂性,一般土体均要经历多次干湿循环,因此,对多次干湿循环后的土-水特性曲线研究显得非常重要。结合已有的试验数据总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律,通过引入一个与干湿循环次数有关的函数,提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的方法。本方法仅需土-水特征曲线的首次干湿循环脱湿与吸湿曲线和塑性指数,就可以预测多次干湿循环后的土-水特征曲线。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明：孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

基于水-热-力耦合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析

针对广大寒区普遍存在的冻胀-融沉影响桩基承载力问题, 以清水河大桥灌注桩为例, 基于建立的饱和冻土水-热-力三场耦合模型及研发的3G2012软件系统, 深入研究了温度变幅、桩和地基土的传导系数、导水系数、回冻时间等因素对其承载力的影响, 揭示了其承载的内在热力学机理. 结果表明: 钻孔灌注桩承载力随温度发生波动变化, 冬季桩基的极限承载力近似为夏季的1.2倍; 地基的导水系数提高一个数量级, 加剧了地基土中的水分迁移及冻胀融沉变形, 进而影响桩基承载力; 冻土回冻时间对桩基承载力也有较大影响. 以上结论为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据.     

地质系统热-水-力耦合作用的随机建模初步研究

热-水-力(THM)耦合作用是岩石力学与环境地质中的重要基础理论问题,核废料地质处置库周围的缓冲材料和围岩中的热-水-力耦合现象将影响其力学稳定性、热传导性和渗透性,进而影响放射性核素在裂隙岩体中的迁移规律。核废料或放射性废料的地下深埋处置是国际上正在研究的永久性隔离的有效方法之一。因此,对核废料地质处置法安全性评估的一个重要内容就是对裂隙岩体中力学稳定性与构造应力、地下水渗流及热载荷等的耦合作用之数值模拟和评估。这已成为当前刻不容缓的重要的环境影响评价课题。笔者研究了温度场-渗流场-应力场中热传导系数和渗透率以及岩体力学参数的空间变异性,用实验方法研究三场耦合效应及裂隙岩体的场性能等效处理,试图建立热-水-力耦合作用的随机性数学模型及可视化数值模拟方法,为核废料地质处置安全性评估提供直观的新方法。     

考虑热-水-力耦合效应多孔弹性地基的动力响应

通过对Biot波动方程的修正,得到考虑热-水-力学耦合效应的多孔弹性介质动力响应的控制方程,研究了简谐均布荷载作用下地基土体的热-水-力耦合动力响应问题。利用Fourier变换技术,得到地基中的应力、位移和孔隙水压力积分形式的解答。利用Fourier逆变换得到数值结果,分析了热-水-力学耦合条件下地基土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力响应的分布,并讨论了热源输入的影响, 结果表明：应力、位移和孔隙水压力随 的增大而有一定的减小。     

热-水-力耦合作用下非饱和土变形特性的弹塑性模拟

在已有的非饱和土水-力耦合模型基础上,耦合考虑温度影响,建立了一个热-水-力耦合作用下非饱和土弹塑性本构模型。该模型以土骨架平均应力、修正吸力和温度为应力状态变量,以土骨架应变、饱和度和熵为应变状态变量。通过引入与温度相关的屈服面(LY、TY)以及相应的硬化规律来考虑温度对土体变形的影响。利用建立的模型,对文献中不同吸力和温度条件下的等向压缩和三轴排水剪切试验进行预测,预测结果表明,该模型能够较好地定量描述热-水-力耦合作用下非饱和土的变形特性。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为试验

降雨滑坡的水-力耦合过程和机制研究是开展准确预测预报的基础和前提。选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和Van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析,揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明,试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水率、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。     

Influence of rain infiltration on the stability of compacted soil slopes

Stability analyses for a homogeneous compacted embankment were undertaken considering infiltration of water into the embankment. The analyses include several different practical scenarios: (i) saturated condition, (ii) ponding (or runoff) along with saturated condition, (iii) short term analysis for unsaturated conditions, and (iv) long term analysis for unsaturated conditions. The appropriate shear strength parameters of the compacted soil required for analyzing different practical scenarios were determined using conventional and modified triaxial shear apparatus. The results of the study show that typically shallow circular failures above water front occur due to infiltration rather than the conventional infinite slope type failures.     

The effect of pressure-grouted soil nails on the stability of weathered soil slopes

Pressure-grouted soil nails have been increasingly used for stabilizing slopes. The pullout resistance of a soil nail is the main factor for reinforcing the slope stability. In this study, a two-dimensional axisymmetric finite element model is developed to simulate the pullout behavior of a pressure-grouted soil nail. This model is verified with field pullout tests result of a pressure-grouted soil nails by comparing with gravity-grouted soil nails. Based on the analysis, a three-dimensional finite element model is proposed for stability analysis of a slope reinforced with pressure-grouted soil nails using the shear strength reduction method. A series of numerical slope stability analyses for a slope composed of weathered soil are performed to investigate the effects of grouting pressure on the slope stability and the behavior of the soil nails. Special attention is given to the installation effect of a pressure-grouted soil nails. It is found from the result of this study that the pressure-grouted soil nails increase the safety factor by fifty percent in a slope by increasing the stiffness of the nailed slope system. Numerical analysis results confirm the fact that the pullout resistance of a soil nail is the main factor for stabilizing slopes rather than the shear resistance of the soil nail.     

非饱和土边坡稳定分析方法探讨

在对非饱和土边坡进行稳定分析时,应该全面地考虑基质吸力对边坡稳定的贡献。首先,分别探讨了基于Fredlund非饱和土强度表达式和Bishop非饱和土有效应力强度公式将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定分析中的具体方法;然后,开发了可以考虑基质吸力两种处理方法的强度折减有限元计算程序;最后,给出了一个非饱和土边坡稳定分析的对比算例,说明了二者的不同特点。     

地震效应和坡顶超载对均质土坡稳定性影响的拟静力分析

基于强度折减技术和极限分析上限定理,假定机动容许的速度场破坏面,考虑坡顶超载、水平和竖向地震效应影响推导了边坡稳定性安全系数的计算表达式。采用序列二次规划迭代方法（和内点迭代方法）对边坡安全系数目标函数进行能量耗散最小化意义上的优化计算,与多个算例的对比验证了其方法和程序计算的正确性;对影响土质边坡动态稳定性的一些因素进行了参数分析,分析表明：随着边坡倾角?、坡顶超载q、水平和竖向地震效应影响系数的增大,边坡稳定性安全系数显著下降;随着坡顶超载q、水平地震效应影响系数kh的增大、竖向地震效应影响系数kv的减小,边坡的潜在滑动面越来越深,潜在破坏范围越来越大。竖向地震效应对边坡稳定性也有一定影响,强震条件下的设计计算必须考虑竖向地震效应的影响。     

Influence of earthquakes on the stability of slopes

Earthquakes are a major trigger for instability of natural and man-made slopes. Often the instability of slopes due to an earthquake causes more destruction and kills more people than the actual earthquake itself. A comparison is made between different methodologies to analyze the potential stability of slopes during earthquakes. Theoretically, it seems simple to calculate the stability of a slope during an earthquake. In reality, however, the stability is influenced by so many parameters that are either not known or which influence is so poorly known that a decent estimation of stability cannot be made. Offshore the situation is worse because proper data required for stability calculations are even less available than onshore. On- and offshore, erosion and weathering create continuously slopes that may become unstable during a future earthquake, offshore also sedimentation creates continuously new slopes. Another fundamental problem in stability analysis is the complicated and largely unknown behavior of seismic waves in three-dimensions in natural materials. The lack of accurate data and the unknown behavior of seismic waves in three-dimensions make estimations of slope stability during an earthquake unreliable.     

泥质砂岩残积土边坡降雨冲刷特性

泥质砂岩残积土作为一种结构性很强的特殊土,具有崩解性强、抗冲蚀性差以及扰动性极大的特点,对工程建设有较大影响.为了探究泥质砂岩残积土边坡降雨冲刷机理,设计了边坡降雨冲刷试验,通过现场三维激光扫描技术测试分析了其表面冲刷效应;利用高密度电法进一步明确了泥质砂岩残积土边坡的入渗特性、表面冲刷演化机制及冲刷破坏机理.结果表明...     

Influence of hydrate exploitation on stability of submarine slopes

Urban pluvial flash floods have become a matter of widespread concern, as they severely impact people’s lives in urban areas. Hydrological and hydraulic models have been widely used for urban flood management and urban planning. Traditionally, to reduce the complexity of urban flood modelling and simulations, simplification or generalization methods have been used; for example, some models focus on the simulation of overland water flow, and some models focus on the simulation of the water flow in sewer systems. However, the water flow of urban floods includes both overland flow and sewer system flow. The overland flow processes are impacted by many different geographical features in what is an extremely spatially heterogeneous environment. Therefore, this article is based on two widely used models (SWMM and ANUGA) that are coupled to develop a bi-directional method of simulating water flow processes in urban areas. The open source overland flow model uses the unstructured triangular as the spatial discretization scheme. The unstructured triangular-based hydraulic model can be better used to capture the spatial heterogeneity of the urban surfaces. So, the unstructured triangular-based model is an essential condition for heterogeneous feature-based urban flood simulation. The experiments indicate that the proposed coupled model in this article can accurately depict surface waterlogged areas and that the heterogeneous feature-based urban flood model can be used to determine different types of urban flow processes.

     

砂性土边坡稳定性离心模型试验研究

借助于西南交通大学TLJ-2型离心机,具体研究了不同含水率下三组砂性土边坡模型的稳定及破坏情况,并分析了砂性土边坡的破坏机理和破坏特征。试验结果表明:含水量是影响砂性土边坡稳定的重要因素。从边坡模型破坏后情况分析,对于有着多级平台的砂性土边坡,滑面较浅,沿各级平台后缘拉裂而坍塌,其破坏类型属于牵引式滑动。     

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。     

峰值强度与残余强度对边坡加固的影响研究

现有的边坡加固方案中,基本上都是用岩土的峰值强度来确定边坡的临界滑面和锚固长度。实际上,边坡出现滑动后,滑面保持残余变形和抵抗外部载荷的能力出现了衰减,滑面上的强度只是残余强度,采用一种混合方法进行边坡加固,即用峰值强度来确定边坡的临界滑面,用残余强度来确定锚固长度。研究表明,采用混合方法对边坡进行加固可以提高边坡加固工程的安全性,具有较大的实际意义。