黄土边坡降雨冲刷模型试验研究

西部黄土地区高边坡多采用骨架结构进行防护,但其服役期间容易产生土体侵蚀破坏,造成防护效力的局部丧失,严重者甚至可诱发垮塌灾害。通过开展人工模拟降雨冲蚀模型试验,对比分析了裸坡和骨架边坡的坡面冲蚀过程、含沙量、径流量及累计冲蚀量,探讨了骨架结构的防护效果,厘清了骨架关键部位处的坡面冲蚀规律,揭示了强降雨诱发骨架防护边坡侵蚀破坏机制。试验结果表明：骨架结构具有一定防护效力,但其框格边缘土体容易侵蚀破坏;随着降雨时间增长,裸坡和骨架边坡的含沙量、径流量及累计冲蚀量均逐渐增加。相比于裸坡,冲蚀60 min时骨架边坡的含沙量降低25%(坡比1 ︰ 1.5),21.4%(坡比1 ︰ 1.75),径流量降低33.6%(坡比1 ︰ 1.5),31.4%(坡比1 ︰ 1.75),累计冲蚀量降低43.6%(坡比1 ︰ 1.5),40.0%(坡比1 ︰ 1.75);骨架关键部位,尤其是尖角边缘土体所承受的雨水冲刷作用较强,其冲蚀演化历程归纳为：溅蚀-片蚀-细沟侵蚀-切沟侵蚀(初次冲蚀),或溅蚀-片蚀-切沟侵蚀(再次冲蚀);骨架结构可限制土颗粒运移、削弱径流冲蚀,起到截流、挡水及分流作用,但也会在骨架关键部位处产生较为明显的边缘汇流现象,容易使得骨架支撑土体的侵蚀破坏,造成骨架结构的局部悬空。研究成果可为黄土地区路堤边坡拱形骨架防护的优化设计与现场施工提供参考。     

非饱和粉质黏土坡面降雨非正交入渗试验研究

传统降雨入渗分析是以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨的非正交入渗规律。为了研究非饱和粉质黏土的非正交入渗规律性,首先通过对正交入渗理论的综述,揭示并分析目前降雨入渗理论在坡面流模型和边界条件方面的缺陷。采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和粉质黏土进行不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,结果表明,非饱和粉质黏土坡面降雨入渗是并非简单正交分解入渗而是非正交入渗;对于坡角和孔隙比为定值的土坡,具有最大坡面入渗的最优雨强;土的孔隙比越小,降雨初期入渗率随时间变化越快,入渗率趋于稳定状态越快;入渗率和累积入渗量并不是随坡角的增大呈单调变化,而存在对应入渗水量最少的最优坡角。     

水位变动条件下二元结构岸坡稳定性分析——以扬中市指南村崩岸段岸坡为例

以指南村崩岸段岸坡为研究对象,通过实地调查开展地质钻探工作,获取岸坡土体的物理力学参数,并基于饱和-非饱和土渗流理论、非饱和土抗剪强度理论及极限平衡法,研究江水水位变动过程中二元结构岸坡稳定性的变化.结果 表明:①岸坡土体为二元结构,上层为粉质黏土,下层为粉砂,粉砂层厚度较大且透水性较好,为地下水流动提供良好环境.②水位变动引起的饱和-非饱和土渗流对于岸坡稳定性有明显影响,岸坡稳定性在涨水期随水位上升而增大,在退水期随水位下降而减小.退水期安全系数明显低于相同条件下涨水期和洪水期,即水位降落导致岸坡稳定性降低,极易发生岸坡崩塌.③水位上升速度越快,岸坡安全系数最大值越大,即岸坡在水位骤涨时更加稳定;水位下降速度越快,岸坡安全系数的最小值越小,即岸坡在水位骤降时更容易发生失稳崩塌.     

干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究

库区水位周期性波动,巨大的水位变幅使库岸滑坡滑带土处于干湿循环变化之中,而干湿循环作用影响土体的强度特性。基于此,以三峡库区某典型库岸滑坡滑带土体作为研究对象,对经历不同干湿循环次数的土样进行环剪试验、扫描电子显微镜（SEM）试验和核磁共振（NMR）试验,分析干湿循环作用下滑带土强度特性和微观结构变化规律,并初步探讨干湿循环对滑带土强度影响的微观机制。试验结果表明：干湿循环作用下,滑带土残余强度的劣化特性十分明显,且前3次干湿循环导致土体强度衰减幅度较大,之后衰减趋势减弱,土体强度逐渐趋于稳定,同时,黏聚力的劣化效应大于内摩擦角;随干湿循环次数的增加,以叠聚状、凝块状为主的团粒逐渐分散、解体,颗粒间连接由面?面接触逐渐向面?边、面?角接触演化,表现为土体内孔隙数量增多,土颗粒形态变化,粒间距离增加,微小孔隙逐渐向大孔隙演变;干湿循环作用下,滑带土内亲水性黏土矿物吸水膨胀、失水收缩而引发土颗粒、孔隙及胶结物等微结构变化是导致滑带土残余强度劣化的内在原因。     

基于小型平板载荷试验的粉质黏土变形演化状态特征分析

为掌握中低压缩性粉质黏土长期变形特征,开展了单元结构填土模型的小型平板载荷蠕变试验,测试了在最佳含水率下压实系数分别为0.90、0.95和1.00的3种填土模型在不同荷载水平作用时的竖向沉降时程曲线和回弹变形量;根据土力学流变原理中蠕变界限、长期强度和相对瞬时强度的基本概念,将土体在不同荷载水平下的变形演化状态划为快速稳定、缓慢稳定、缓慢破坏和快速破坏共4种类别;基于土体蠕变速率随时间呈现负幂函数形式的衰减规律,论证了收敛型衰减蠕变过程中塑性变形具有分形特性,建立了定量区分土体变形演化状态的"幂次判别准则",据此通过小型平板载荷蠕变试验确定了相应的3个荷载阈值;结合模型填土回弹变形量随荷载水平呈近似线性增长的特征,推求了粉质黏土4类变形演化状态对应的3个回弹应变阈值,所得成果为控制和评价地基变形演化状态提供了理论和试验依据。     

三峡水库碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏

三峡水库峡谷区矗立着大量岩溶不稳定库岸,危及长江黄金水道安全。采用野外勘查和力学分析,对三峡库区碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏关系进行深入研究。野外勘查发现,三峡库区碳酸盐岩库岸存在许多与溶洞、溶隙、溶蚀带、溶槽、溶沟等表层岩溶作用有关的斜坡不稳定现象。巫峡段库岸内共发育岩溶地质灾害及隐患点186处,其中滑坡隐患点37处,大型以上危岩体6个。岩体力学分析表明：强降雨、蓄水和岩体劣化会因为有效应力减少、强度下降而造成破裂的节理/裂隙逐渐扩大。同时,水位变动带岩体劣化的裂缝扩展速率比三峡的平均溶蚀率高出约1 300倍,极大地加快了已经进入屈服状态的不稳定岩体的演化进程。溶蚀作用是岩溶岸坡中最基本的作用,库水长期波动加快了岩溶岸坡演化。本次研究将为三峡库区峡谷段不稳定库岸识别和防灾减灾提供技术支撑。     

非饱和土干化过程微观结构演化规律研究

水-力耦合特性是非饱和土最基本的力学特性之一,含黏粒土体的孔隙结构对含水率变化非常敏感,相应的孔隙分布曲线也会随之变化。基于已有的试验研究成果,揭示了水力路径下土体微观结构的演化规律,建立了孔隙比与孔隙分布曲线之间的关系,由此提出了一个能模拟干化过程中孔隙分布曲线变化的理论模型。所建立模型中,吸力增加后的孔隙分布曲线可由初始曲线通过平移、缩放以及分散三步得到;其中孔隙分布的平移量和缩放量与孔隙比线性相关,而分散程度与孔隙比满足指数衰减关系。模型预测结果表明,所建立的模型不仅能预测集聚体间和集聚体内孔隙分布的变化,而且能较好地反映中间态孔隙分布曲线的变化。     

连续排水边界下考虑变荷载的软土一维非线性固结分析

土体往往具有非线性压缩特性,不同压缩特性下土体的固结规律存在差异。综合考虑土体非线性特性、变荷载作用以及连续排水边界条件建立了一维固结方程。采用无条件稳定的有限差分法和半解析法对固结方程进行了求解,两种解答方法的可靠性通过连续排水边界条件退化以及两种解答结果对比得到验证。在有限差分法解答的基础上,详细分析了界面参数、荷载参数以及非线性参数对土体固结的影响。结果表明：连续排水边界的界面参数取值越大,则超静孔隙水消散速率及土体沉降速率越大,但界面参数取值对最终沉降量没有影响;超静孔隙水压力在加载阶段逐渐增大,在恒载阶段逐渐消散;加载速率越大,则超静孔隙水压力峰值越大,并且土体固结速率越快,说明延长施工周期有利于降低超静孔隙水压力的影响;工程中要准确预测土体固结速率绝非易事,采用固结理论预测时需保证土体模型、边界条件以及土体计算参数等因素的准确性。     

低幅应变条件下粉质黏土泊松比的非线性特征

对哈尔滨原状粉质黏土进行共振柱试验,通过扭转及弯曲试验得出相应的弹性模量E、剪切模量G、泊松比ν,旨在分析低幅应变下粉质黏土泊松比随应变发展的非线性特征。试验结果表明：随着应变的增大,粉质黏土剪切模量与弹性模量均出现衰减,但二者衰减并不同步,剪切模量先于弹性模量发生衰减;泊松比随着应变的增大而增大,并随着围压的升高而降低;在半对数坐标系下,泊松比与归一化剪切模量 近似呈线性关系,基于此提出低幅应变下泊松比预测模型。理论推导证明：低幅应变下ν- 曲线呈线性具有其必然性;随着应变的发展和 值的降低,ν- 曲线由斜率一定的线性段过渡到斜率逐渐降低的非线性段,并最终趋近于一定值。基于理论推导建立了泊松比预测模型参数与Hardin-Drnevich模型参数的关系,由此可依据低幅应变下ν- 曲线形态对较高应变下泊松比进行预测,实例验证表明该方法预测结果较好,具有一定应用价值。     

双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型

在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙(又称宏观孔隙)和集聚体内孔隙(又称微观孔隙)对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。     

无锡地面沉降区弱透水层SEM分析

已有监测结果表明,当前无锡地区地面沉降中土体压缩变形主要来自于弱透水层,对弱透水层压缩性评价有助于对该地区地面沉降发展趋势的判断。本文以无锡光明村一钻孔中第四纪土层为研究对象,采用扫描电镜（SEM）,从微观尺度对位于不同深度弱透水层中的粉质黏土的孔隙分布特征进行了研究,并与固结试验数据进行了对比。研究发现,弱透水层的SEM微观结构图像定量分析结果,与土层的压缩性有很好的相关性,它可以定量反映土中可压缩孔隙的数量以及孔隙的复杂程度;土的孔隙率与概率分布指数可反映土中可压缩孔隙的密度和土的压缩性。概率分布指数越小,土体中可压缩孔隙的数量越多。研究成果从微观上为苏锡常地区地面沉降预测提供依据。     

湖南郴州地区岩溶塌陷分布规律及其影响因素浅析

通过地质环境调查,分析湖南郴州地区岩溶塌陷分布规律及其影响因素,结果表明：（1）1980-1983年为岩溶塌陷盛发期,平均8.5个年-1;2012-2020年塌陷发生频率增加,平均5.88个/年;岩溶塌陷主要发生在3-7月份雨季;（2）低丘冲沟中发生塌陷54个,占塌陷总数的55.67%;岩溶平原中发生塌陷40个,占41.24%。97个岩溶塌陷主要发生在石炭系壶天群及泥盆系中统棋梓桥组下段地层;塌陷区域多为断裂构造带及褶皱轴部;（3）冲洪积成因土层共发生岩溶塌陷58个,占塌陷总数的59.79%,而残坡积成因土层发生塌陷39个,占40.21%。粉质黏土层发生塌陷数量多于黏土层,而粉质黏土与卵石土,粉质黏土、淤泥质黏土和砂土等组合土层分布面积较小,发生数量偏少。单层结构土体发生岩溶塌陷63个,占总数的64.94%;双层结构与多层结构土体发生塌陷数量占比35.06%。土层厚度小于10 m的区域发生岩溶塌陷48个,占总数的49.48%;土层厚度为10~15 m的区域发生塌陷49个,占总数的50.52%;（4）本地区浅部岩溶强发育,覆盖层薄且力学性能较弱,满足发生岩溶塌陷的基本条件;城市供水和采矿开采地下水是岩溶塌陷的主要触发因素。     

土体渗透性影响因素——以普定陈旗堡为例

贵州是我国西南典型岩溶发育地区,平坦地形及谷地等地段第四系分布广泛,但其厚度不大且变化甚剧。该地区土壤瘠薄、土体流失严重,生态环境脆弱,导致这一地区快速石漠化。本文以贵州普定县陈旗堡这一小型水文地质单元为例,选取典型试验点,取样并进行现场及室内试验,研究岩溶地区土体物质成分、物理力学性质及土壤渗透特性。文中最后分析了土体成因、矿物成分对渗透性的影响,得出该地区粉质粘土渗透系数与孔隙比的数学关系,以期为水土保持、生态环境治理提供理论支持。     

河床采沙挖槽的溯源冲刷影响规律

针对长距离河段大量人工采沙、挖槽发生的河床溯源冲刷影响因素、发展规律及预测方法进行研究。考虑该问题的清水冲刷特征,建立了一维水动力学方程、河床变形和推移质输沙方程组,用TVD（Total Vartation Diminishing）性质的MUSCL-Hancock时空二阶格式和对水流、河床变形方程分别用有限体积和有限差分法进行数值求解,用水槽试验作了验证并研究了溯源冲刷规律。溯源冲刷长度在初期30%的时间内可达平衡时的80%,冲刷速率随来流强度、跌坎高度和跌水水头差明显增大。平衡溯源长度随流量的线性增长率约为0.8,随跌水高差的增长较缓,冲刷最大厚度约为跌坎高度的0.5倍。采沙挖槽河床一旦形成溯源冲刷,则发展迅速,流量和跌水高差是重要影响因素。在合理考虑输沙方程的基础上,该数值模型可用于溯源冲刷的预测,计算速度快且精度较高。     

冻结负温对海相淤泥质黏土变形特性影响的研究

冻融后土体的渗透性、压缩性和固结特性是影响其冻结法施工工后变形速率和变形量的重要因素。本论文采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5～-25℃冻结负温下制备融土试样,通过含水率、密度、渗透和固结等一系列试验系统地揭示了冻结负温对沿海软黏土变形特性的影响;且结合不同冻结负温下冻融前后土体含水率、密度的差异,对软黏土竖向渗透系数、压缩系数等影响机理进行了探讨。结果表明：在封闭系统中经历一次冻融循环后,融土含水率、密度减小,渗透性、压缩性增大。随着冻结负温的降低,冻融作用对含水率的影响减弱,而对密度的影响增强。冻融作用引起的土体内部水分重分布和自由水相变是造成土体结构改变的根本原因,其结果导致土体冻融前后渗透性和压缩性的差异。融土压缩系数与初始孔隙比符合指数关系,故可通过室内试验结合拟合公式为变形量预测提供参数取值依据。融土垂向固结系数随冻结负温的降低呈线性减小,因此在变形量计算时应对冻结范围内土体进行温度分区。以上试验结果有助于推进冻结负温对软黏土变形特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法应用提供依据。     

粉质黏土基坑卸荷隆起变形的简化计算方法

基坑卸荷隆起变形计算对基坑稳定性分析具有重要意义。基于现有土体压缩-回弹试验数据及多个地区粉质黏土基坑变形数据进行分析,推导出土体回弹模量与卸荷比之间的指数关系,并结合Mindlin应力解与分层总和法,利用两个实际工程案例进行验证对比,提出了一种卸荷条件下基坑隆起变形的简化计算方法。结果表明：简化计算方法仅根据常规土工试验参数（重度、压缩模量等）即可快速对基坑卸荷隆起变形量进行预估,且计算结果与现场实测值较为接近。进一步分析可知,基坑形状相同时,随着基坑面积的线性增大,基坑底部隆起变形会非线性增大;基坑面积相同时,长条形基坑的隆起变形小于正方形基坑。该方法可为粉质黏土地区卸荷条件下的基坑隆起变形预测提供参考。     

单向冻结条件下非饱和土水分迁移规律研究北大核心CSCD

为了揭示路基冻结过程中地下水和土性对水分迁移规律的影响,针对开放体系和封闭体系的粉质黏土和砂土进行了单向冻结条件下的水分迁移试验。通过土柱上层位置设置碎石层,阻断液态水迁移路径,监测冻结过程中土柱的水热变化,结合土柱冻结深度、冻结速率曲线、含水率分布曲线和补水时程曲线,分析仅水汽补给时对土柱顶部水分聚集和冻结特征的影响。试验结果发现,无论是封闭体系还是开放体系,粉质黏土和砂土土柱都会在冻结区中形成两处水分聚集区:第一水分聚集区为控温板底部,以霜的形式聚集,主要是由土柱顶部土体的水汽迁移并凝华相变形成;第二水分聚集区为冻结区中液态水和气态水共同迁移形成,随着冻结锋面的向下推移,形成不连通孔隙的界面,液态水向0℃冰锋线迁移聚集并相变成冰,水汽迁移路径受阻而凝华成冰,致使该处含水率显著增加。相较于封闭体系,开放体系使两处水分聚集区产生更大的水分增量。相比于粉质黏土,砂土介质孔隙较大,在试验时间内水汽补给对水分聚集区的影响更明显,但由于砂土持水能力减弱,水汽补给速率随时间逐渐减小。     

重金属Cu2+驱动下红黏土土体压缩变形机制

采用浓度为0、2.5、5.0、10.0g/L的CuSO₄溶液配制污染土,开展固结试验、热分析试验和扫描电镜(scanningelectronmicroscopy,简称SEM)试验,分析红黏土受重金属Cu²⁺污染后的压缩变形特性机制。结果表明：红黏土的压缩系数和总压缩变形量的变化与土中孔隙水(自由水、弱结合水、强结合水)含量的变化趋势相同,都随着Cu²⁺浓度的增加呈现先降低后升高的趋势。黏土中土颗粒之间的结构连结主要以吸附水膜接触为主,Cu²⁺改变了土中孔隙水的水膜厚度,导致孔隙水的含量发生变化;水膜变薄,土颗粒间的距离缩短,土体的结构强度越高,土体抵抗压缩变形的能力就越大。随着Cu²⁺浓度的增加,土体微观结构由松散的块状、片状单元体逐渐演化为面-面接触的叠聚体;当Cu²⁺浓度增至10.0g/L,开始出现鳞片状的单元体,单元体间的接触方式以点-点接触和边-面接触为主,土颗粒间的凝聚力变差,土体结构稳定性降低。     

渗透压作用对灰岩孔隙结构演化规律影响的试验研究

富水隧道水岩作用的复杂性导致岩体内部孔隙结构的演化具有不稳定性,会诱发岩体的劣化、失稳等现象,这对地下渗流岩体稳定性的研究提出了更高的要求。为探究贵阳下麦西隧道灰岩在渗透水压作用下溶蚀孔隙结构的演化规律,对不同渗透水处理的灰岩试件进行了声发射、压汞、SEM及荧光光度试验,获得了灰岩溶蚀质量损失率、波形、频谱图、孔隙分布曲线及电镜扫描图像等。结果表明:灰岩质量损失率随渗透压增加呈缓慢增加-快速发展的发展趋势,渗透压分界点为6 MPa。随着渗透压增加,波形首波振幅逐渐衰减,波形曲线衰减较快且较早趋于稳定,波尾发育程度减缓。灰岩主频峰值逐渐衰减,由单峰向多峰演化,主频峰值与渗透压呈二次函数关系,且声波频率由(相对)高频段向低频段发展。溶蚀灰岩的大、中孔隙对渗透能力起到了决定性作用。随渗透压增加,灰岩累计进汞量呈指数函数增加,CaCO_3和SiO_2成分含量均呈指数函数变化。机械溶蚀较为敏感,化学溶蚀受溶蚀时间限制无法在短期内快速发展,机械溶蚀占据主导作用。建立的接触冲刷模型表明,渗透水的拖拽力取决于水流速度,而渗透压的提高则可增加单位体积的水压力梯度,进而提高水流速度。     

天津滨海新区地面沉降趋势预测

地面沉降是我国主要的地质灾害之一,评价和预测地面沉降的发展趋势十分必要。本文引入实测沉降数学模型中的双曲线型沉降模型、指数型沉降模型和成长曲线型沉降模型,结合钻孔全断面分布式精细化监测系统获取地表以下不同层位连续的变形情况,建立了基于分布式光纤监测地层变形数据的地面沉降预测模型,可精细化实现地面沉降潜力评价。以天津市滨海新区G06光纤监测钻孔结果为例,对比了3种沉降模型的预测效果,结果表明：天津滨海地区地面沉降曲线呈现非线性衰减特征,2017年10月至2019年12月,累计沉降量已达52.4 mm,预计极限沉降量约为92.6 mm,仍有约43.4%的沉降潜力,沉降空间较大,并预计将于2050年进入沉降稳定阶段。该地区3.4~18.4 m的黏土质粉砂和粉细砂层当前沉降量较大,是目前地面沉降的主要层位,即“优势层”;18.4~38.4 m的粉质黏土和黏土质粉砂层虽当前沉降量较小但其剩余沉降量较大且沉降持续时间较长,需长期重点关注其沉降变形情况,是后期监测的“优先层”。