工程切坡诱发黄土滑坡成因机制研究

伴随着城镇化进程的提速,黄土地区由于工程切坡诱发了大量的工程滑坡。为了研究典型工程黄土滑坡的成因机制,以宝鸡市扶风县飞凤山滑坡为例,开展了野外地质灾害详细调查,同时进行原位渗水试验和原状黄土、古土壤试样土-水特征曲线测试。试验结果表明：当黄土存在小孔洞等结构性问题时,渗透系数可达10-4 cm/s量级,为中等渗透性等级;土-水特征曲线试验求得古土壤的进气值为11.5 kPa,大于黄土的9.0 kPa,同时曲线也显示了古土壤和黄土干湿交替过程中,强度和变形的演化出现分化。在试验结果分析基础上,指出工程切坡是滑坡发生的主要诱发因素,由此触发了土体一系列物理化学链锁反应,尤其是强化了土-水耦合作用的影响,催化了滑坡的发生。最后,提出了飞凤山滑坡的破坏模式为滑带双向发展、兼具滑塌灾害部分典型地质特征的渐进式破坏。     

蒸汽凝水滴渗诱发的一个非饱和黄土滑坡机理研究

2010年10月21—22日,陕西延炼厂区储油罐下方的斜坡发生缓慢滑移,造成了巨大的经济损失。滑坡发生前当地没有降雨或地震,为探究其形成过程,在边坡上取代表性土样进行土水特征曲线测试、配制不同含水率土样,进行常规三轴试验和直剪试验,以确定土体的非饱和渗透曲线和强度参数。建立边坡滑动前的有限元模型,进行非饱和渗透与非饱和强度的耦合分析,得到凝结水入渗过程中边坡的应力场,据此可得不同时间段的边坡稳定系数,揭示其破坏过程。结果表明,水蒸气凝结水在斜坡内长期滴渗,使得坡体地下水位缓慢上升,地下水位浸润潜在滑面前,稳定系数基本不变,待地下水位开始浸润边坡潜在滑面时,稳定系数开始迅速降低,最终导致斜坡破坏。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

天水黄土结构性变化诱发滑坡敏感性分析

黄土高原地区黄土滑坡频频发生,尤其是近年来极端气候条件增多,集中强降雨导致甘肃天水地区黄土滑坡群发.2013年8月,在经历一周持续降雨之后,天水地区产生了大量的黄土滑坡以及黄土-泥岩接触面滑坡.黄土地区滑坡发生后一些滑坡的复活往往与黄土的结构性存在紧密联系.选取天水花南村滑坡后壁黄土为研究对象,利用GDS三轴仪对滑坡区黄土原状样和重塑样进行了固结不排水三轴压缩试验.试验结果表明,原状黄土表现出明显的应变软化特征,而重塑黄土的应变软化现象急剧减小,二者的孔隙水压力变化特征也有差异.同时基于三轴试验结果,绘制了原状黄土和重塑黄土的应力路径图,应力路径图再次证实了重塑样应变软化减小的现象.孔隙水压力随轴向应变变化图中可见,剪切初始阶段,重塑样的孔隙水压力增加较原状样更为迅速,对于滑坡的诱发更加敏感.     

基于Fredlund粒度分布曲线方程的中国黄土粒度分析

粒度分布曲线是土壤最基本的土性参数之一,通过数学方程预测粒度分布曲线将为工程勘察节省大量成本。Fred? lund建立在Fredlund和Xing土水特征曲线方程基础上的粒度分布曲线方程已被证明适用于多种土类,但其对中国黄土的有 效性很少得到验证。本文采用Fredlund粒度分布曲线方程对黄土高原7个地区18个黄土样的粒度分布曲线进行了拟合,结 果表明Fredlund粒度分布曲线方程与中国黄土的粒度分布曲线拟合度高,拟合参数稳定且呈规律性变化,能够很好地反映 中国黄土的地域性。本文得到的参数可用于各个地区的粒度分布曲线预测,并对黄土粒径分析及分类具有指导意义。     

求取现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法

土体渗透性参数的测定是解决与水有关的岩土工程问题的关键所在。为使现场原状土体饱和渗透系数的测定更为准确,通过一种易于安装和固定的防蒸发型双环入渗仪,研究黄土的入渗规律与特点,试验结果表明:黄土的入渗分区可分为饱和区、湿润区与干土区,其中饱和区的入渗深度约占总入渗深度的1/2,而湿润区土体的饱和度在70%以上,这一特征与Green-Ampt入渗模型的假设较为接近,但在应用基于Green-Ampt模型的规范法（SL237-042-1999）求取黄土的饱和渗透系数时,发现该法会高估黄土的饱和渗透系数。因此,结合Green-Ampt入渗模型与土水特征曲线主要增湿路径的特点,提出了能合理测定现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法,对Green-Ampt入渗模型参数加以修正,即直接采用干土区的初始基质吸力水头值,且该值由张力计实测或由主要增湿曲线求得;需采用入渗试验前期的平均入渗率;所对应的湿润锋发展深度需经由水分传感器实测而得。研究结果表明该法能合理估算现场黄土的饱和渗透系数。     

甘肃永靖黑方台地区黄土滑坡土的力学性质

与地下水位以下的饱和黄土力学性质相比,包气带黄土力学性质具有不同的表征参数和测试方法,其对黄土斜坡渗流场和稳定性的影响不容忽视.以甘肃黑方台地区黄土为例,分别采用张力计和轴平移技术量测了黄土的部分区段土-水特征曲线,依据Gardner、Van Genuchten和Fredlund and Xing 3种经验公式对轴平移测试数据进行拟合,获取了完整的土-水特征曲线.基于GDS多功能三轴仪,通过控制基质吸力的三轴剪切试验,获取了考虑基质吸力的黄土强度参数.结果显示:张力计和轴平移技术量测的部分区段土-水特征曲线具有相近的曲线形态,但张力计曲线位于轴平移技术曲线的上方;当基质吸力由100kPa减小至20kPa时,黄土内摩擦角减小约1°,粘聚力下降近22kPa;拟合所得的黑方台地区黄土的基质吸力摩擦角为15.6°.试验为进行黑方台黄土斜坡的非饱和渗流和稳定性分析提供了参数.     

洛川典型剖面黄土的非饱和参数测试与分析

土-水特征曲线是反映非饱和土基本特性的本构曲线,是土质斜坡非饱和渗流和力学机制分析中的重要参数。但受限于实验设备和测试技术等条件的限制,使得土-水特征曲线的测试耗时长、难度大,且多数测试方法难以实现全吸力范围内（0~106 kPa）的曲线测定,间接获取土-水特性曲线的模型拟合法,通常又存在因参数多解性而导致的结果失真等问题。现有的黄土高原非饱和特征曲线测试结果多集中于马兰黄土（L1）,而其下的几十层黄土、古土壤的测试尚基本属于空白。笔者基于TRIM试验测试技术,对洛川黄土剖面的29层黄土-古土壤序列进行测试,获取了土-水特征曲线、吸应力特征曲线和渗透系数函数等系列参数,建立了黄土高原非饱和黄土工程特性标准剖面。通过对各参数综合分析发现,各物性参数在垂向上随深度呈现相似的变化规律,且均在黄土-古土壤的接触带参数变化较大;粘土矿物成分和孔隙结构特征是影响非饱和土-水特征曲线的重要参数,且与曲线参数α、n存在一定的非线性关系。     

阴离子表面活性剂对黄土力学特性的影响

土体污染问题日趋严重,土体中污染物的环境效应已成为当前的研究热点问题之一,但对土体工程性质的影响关注不足。以黄土为对象,试验研究了阴离子表面活性剂对黄土力学性能的影响。阴离子表面活性剂具有弱化作用,可导致黄土黏聚力的下降、压缩性提高、渗透性降低,但可降低黄土的湿陷性。结合土-水特征曲线和扫描电子显微镜观察,进一步解释了污染物对土体力学性能产生影响的作用机制。在工程实践中,既要防止阴离子表面活性剂对黄土力学特性的劣化,同时又要注重其降低黄土的湿陷性。     

非饱和黄土渗透性规律的土柱试验研究

黄土边坡的变形破坏一般与地表水入渗导致的地下水位上升有关。然而,现场观测发现黄土地区地表水入渗深度有限,降雨的湿润峰一般在2m以内。自湿润峰以下至地下水位之间很长一段的含水率是不变的,那么地表水是如何补给地下水的,一直存在争议。为此,本文利用甘肃正宁县地区的Q3黄土重塑样进行非饱和渗透特性的土柱试验。在一个4m高的玻璃桶内制备土样,土柱上按一定间距插入水分计探头,在顶部按每天1000mL水量均匀渗入水,测得给定时间沿土柱的含水率剖面。结果发现,随着补给时间的延长,湿润峰下移,湿润峰经过的上半土柱含水率几乎不变,当湿润峰到达土柱底部时,形成潜水位,这和现场观察的现象一致。这说明在地表活动带以下,饱和带以上,虽然土的含水率不变,但存在着稳定非饱和渗流,这是黄土地区地下水的唯一补给方式。     

黄土滑坡灾害空间格局及其空间尺度依赖性研究

黄土滑坡既是黄土地区广泛分布的一种特殊的地貌成分,也是一种灾害性的地质过程。滑坡的空间格局体现了区域滑坡基本数量特征与空间属性。本文借鉴生态学中点格局分析方法即O-ring统计,利用Programita软件对黄土地区不同尺度下黄土滑坡灾害的空间分布模式与关联性开展了的研究。结果表明：1）O-ring统计能很好地分析区域滑坡的空间分布格局;2）大型滑坡对滑坡总体积有着重要的控制作用;3）最大的黄土滑坡体积概率密度出现在体积为105m3附近,且概率密度曲线存在明显的"偏转效应";4）区域上,滑坡的空间分布模式及其关联性具有对尺度的依赖性;5）不同规模类型区域黄土滑坡具有不同的分布模式,大型滑坡主要呈随机分布状态,而中型和小型滑坡则都表现为小空间尺度上显著的集群分布到大空间尺度上的随机分布,总体上表现为随着空间尺度的变大而聚集程度逐渐减小的趋势;6）不同规模类型黄土滑坡之间的空间关联性均呈现小空间尺度上正相关、大空间尺度上不相关或负相关的特征。在中小空间尺度上,中型与小型滑坡的空间关联性最强;但是大空间尺度上,不同规模级滑坡之间没有任何的关联性;7）大型滑坡具有"自疏"效应,一个大型滑坡周围一般很少会出现另外一个大型滑坡;而小型滑坡之间、小型滑坡与大型滑坡之间则存在明显的"亲和"性;小型滑坡一般会成群出现,或者分布在大型滑坡周围。     

侵蚀作用诱发黄土滑坡的机制研究

侵蚀作用诱发的黄土滑坡是黄土高原区域内一种主要的滑坡类型,对其破坏机制开展深入研究具有重要实际意义。以陕西省耀州区的庵里滑坡为例,对该类黄土滑坡的发生机制进行分析和探讨,建立了滑坡发生前侵蚀作用的不同阶段边坡的有限元模型,计算了相应的应力场和位移场,在此基础上求得各模型沿最终滑面上的正应力、剪应力和抗剪强度分布,采用极限平衡法计算边坡整体稳定系数。结果表明,随着侵蚀作用的不断加深,沿滑动面上的剪应力增大,抗剪强度减小,整体稳定性降低至最终破坏。试验结果表明,小的应变在饱和黄土中会产生显著的超孔隙水压力,因此,基岩面上饱和滑带中的超孔隙水压力加剧了该类滑坡的发生。比较滑面上的剪应力和抗剪强度发现,自前滑坡破坏从坡脚开始,向后逐步扩展,表明该类滑坡具有牵引式破坏特点。     

河流作用诱发黄土滑坡机理

在对泾阳南塬实地调查中发现,位于泾河与塬边交切处,发育有数量较多的黄土滑坡,分析认为河流作用是该类滑坡发生的主要诱发因素。通过实地调查,对饱和Q₂黄土进行减围压三轴剪切试验以及数值模拟,研究河流作用诱发黄土滑坡的形成机理。研究表明：土体抗剪强度与应力路径有关,减围压三轴剪切状态下,土体抗剪强度指标小于常规三轴剪切状态下的抗剪强度指标,土体更容易发生剪切破坏;斜坡坡脚处存在关键块体,对斜坡整体稳定性起着控制作用。河流作用诱发黄土滑坡就是因为河流的持续侧蚀,造成坡脚关键块体逐步滑塌,最终导致斜坡失稳滑动。     

高易溶盐非饱和伊犁原状黄土的临界状态特性

为探究伊犁地区高易溶盐含量黄土的临界状态特性,针对不同易溶盐含量的非饱和伊犁原状黄土,开展了控制吸力和净围压的三轴固结剪切试验。研究结果表明:在常吸力固结剪切条件下,非饱和伊犁原状黄土的强度随含盐量的增加存在峰值;含盐量一定,不同吸力非饱和土的q-p或e-p临界状态线均为平行直线,q-p’临界状态线可归一为饱和土临界状态线表示的一条直线,其斜率随含盐量的增加呈幂函数降低;非饱和土e-p临界状态线的斜率λ₁大于饱和土的斜率λ₀,两者均随含盐量的增加先减后增,相同有效净平均应力下非饱和土和饱和土的临界状态孔隙比之比e/e_s与气体饱和度1-S_r可以归一化;q-p平面上初始屈服曲线和后继屈服曲线均可近似假定为对称于k₀线的椭圆,吸力和应力对屈服曲线的硬化作用是等向的。     

甘肃永靖黑方台地区灌溉诱发作用与黄土滑坡响应

黑方台地区自灌溉以来,诱发了大量的滑坡,但缺乏系统地对研究区的滑坡历史分析研究 在黑方台滑坡历史分析的基础上,研究灌溉引起的地下水位上升过程与滑坡的历史关系,对比分析不同时期的地下水位对滑坡稳定性、滑坡体积及后壁垮塌速度的影响.历史数据分析表明,灌溉引起的水位上升与滑坡发生的频率、体积存在明显的相关性,选取的典型滑坡稳定性计算结果显示滑坡具有多期逐级后退式特征,随着灌溉时间的增长,滑坡体积逐渐减小,但发生频率逐渐增大,基于DEM数据计算的滑坡变形也验证了计算结果.研究成果基本反演了灌溉引起的黄土滑坡历史过程,对黑方台滑坡的综合治理提供了数据支撑.     

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。     

窑洞开挖诱发浅层黄土滑坡的变形机理模拟

由废弃窑洞倒塌引发的黄土边坡失稳严重威胁了黄土高原地区居民的生命财产安全。通过野外调查,选取陕西省延安市三亩台滑坡为典型案例,基于室内试验分析了窑洞废弃、依窑建房等工况下黄土含水量和土体强度的变化规律,运用数值模拟研究了窑洞废弃、依窑建房过程中最危险滑面上的应力和强度变化趋势。从土体应力-强度关系角度揭示了废弃窑洞诱发黄土边坡变形破坏机理。研究表明,窑洞废弃和依窑建房增大了土体含水量,降低了土体的抗剪强度,致使坡体下部土体剪应力逐渐接近其抗剪强度,边坡的稳定性随之降低,最终窑洞坍塌引发滑坡。     

结构性黄土临界状态力学性状

土颗粒之间的联结方式和排列方式是影响土的结构性的两个主要因素,而水和外力可以改变土颗粒间的联结方式和排列方式,破坏了土的结构性。当排列是影响黄土结构性的主要因素时,在外力的作用下,K0结构性黄土表现出临界状态力学性状。对饱和K0结构性黄土进行不同试验,应用临界状态土力学理论进行归纳,分析其规律,总结出在外力作用过程中K0结构性黄土的结构性特殊物理力学性质,为建立结构性土的本构模型提供有力的试验依据。