岩质边坡表层黏性客土抗裂特性试验研究

客土喷播是当前对于裸露岩质边坡生态修复的一种常用技术。然而,边坡表层黏性客土在干旱的气候条件下,内部水分大量流失将容易产生干缩、开裂现象,进而影响坡面的整体稳定性,以及表面植被的生长。本文针对边坡表层黏性客土开裂问题,通过改变土体厚度,以及制备不同聚氨酯（PU）浓度的高分子复合黏性客土,开展一系列室内蒸发试验,以分析土体表面裂隙发育特征,并结合数字图像处理技术（PCAS）,对裂隙网络的几何形态进行定量分析,进一步探究土体厚度和高分子添加剂浓度对其裂隙发育的影响。     

黏土失水开裂演化过程的影响试验

裂隙性为黏土的主要特性之一。探讨黏土的开裂规律,对于分析地裂缝成因机理,开展预测研究具有重要的理论意义和工程价值。通过室内试验,研究了黏土干燥收缩过程中含水率的变化规律。分别制备不同厚度、宽度、含砂量的试样,获得不同条件下黏土失水过程含水率的变化规律。在试验所设定的条件下,土体开裂时的含水率很接近,平均约为33.48%;当样品宽度不变时,土层越厚,含水率变化速率越小;当样品厚度相同时,宽度不同,含水率变化速率几乎相同;当厚度、宽度都相同时,含水率变化速率随含砂量的增大而减小。对于同一样品,土体厚度越大,样品裂隙率越小;土体厚度相同时,样品的裂隙率随着样品宽度的增大先减小后增大,且样品的开裂周期与样品的裂隙率同步变化。     

北京门头沟地区岩质边坡生态修复技术研究

本文分别介绍了客土种植、钻孔种植穴种植这两种传统的裸露岩质边坡修复技术,以及生态植被袋护坡、团粒客土喷播这两种常用的新型裸露岩质边坡生态修复技术,并阐述了它们生态修复的特点。在北京门头沟军庄某废弃石灰石采石场内的裸露岩质边坡,进行了为期一年多的生态修复试验,根据岩质边坡坡度、表面破碎程度等不同特性,分别采用了客土种植、钻孔种植穴和生态植被袋护坡、团粒客土喷播这四种生态修复技术,并得出了相应的生态修复成果。在试验结论的基础上,对比分析了这几种在北京地区常用的岩质边坡修复技术的适宜性和经济性。     

降雨-蒸发条件下土体开裂临界含水率演变规律研究

为研究降雨-蒸发过程中土体裂隙发展演化规律,依托裂土边坡足尺模型试验,测量土体表层含水率,采用图像矢量化技术提取裂隙率,对土体裂隙域及基质域开裂含水率演变规律进行了研究,基于非饱和土水平应变增量本构模型推导并计算了土体基质域临界开裂基质吸力及含水率。研究结果表明,降雨-蒸发过程中土体开裂具有可重复特征,且裂隙率随降雨-蒸发次数增加总体呈增加趋势;土体裂隙域开裂含水率随降雨-蒸发次数增加而增加,基质域与之相反;基质吸力对裂隙的开裂扩展既可有抑制作用,也可产生促进作用;基于均质各向同性非饱和土应变增量本构模型计算得到的土体基质域开裂含水率范围与实测值较为接近,且该模型能较好地解释裂隙域与土体基质域开裂含水率的变化规律。     

不同环境温度和含砂率对黏性土干缩开裂影响试验研究

在工程建设与自然环境中,土体因失水而产生收缩、开裂的过程受多重因素的影响,且各因素之间的相互作用关系十分复杂。其中,环境温度在土体开裂的起始与结束中,起至关重要的影响;同时,鲜见关于土体内部黏土、砂粒配比对于裂隙发育影响的研究。故本研究设置了不同环境温度、含砂率条件,展开一系列室内蒸发试验,通过记录试验过程中土体内部水分散失以及表面裂隙发育、发展情况,利用相关图形分析软件,对裂隙率、裂隙网络的几何形态进行定量分析,进而探究不同温度、含砂率对土体干缩、开裂的影响机理。研究结果表明：（1）砂粒的存在,导致土体内部的结构发生改变,部分输水通道被堵塞,从而延长了自由水的运移路径,水分蒸发速率随着含砂率的增加而降低。（2）砂粒的存在将导致土体表面提前产生开裂,此现象受含砂率的影响较小,与是否含砂有关。（3）土体内部含砂率越高,裂隙发育纵深越小,延伸长度越短,同时裂隙的宽度与含砂率呈反比。（4）相同含砂率条件下,环境温度越高,水分蒸发速率、土体表面形成的裂隙宽度越大,且在一定程度上促使表面裂隙提前产生。     

复绿基质客土的水分蒸发试验研究

客土水分循环及水平衡是植被护坡研究的重要问题。以基质客土为对象进行蒸发试验,对距坡面不同深度处的含水率进行测定,观测自然日照下含水率随时间变化情况;采用微型蒸发器测试不同厚度、坡度、温度以及基质配比下的客土水分蒸发量值,以分析影响客土水分蒸发量的因子。结果表明:客土含水率随时间呈现阶段性的变化,其内部不同深度含水率值不同。含保水剂和泥炭的客土达到饱和时间较未添加的试样明显要短,表明其增大了客土的吸水性和吸水速率,但保水剂和泥炭的添加也降低了客土的重度。保水剂含量0%的试样11d累计蒸发量比添加0.2%保水剂客土高21.2mm,说明0.2%的保水剂和12%泥炭含量能明显减小客土蒸发速率,抑制客土水分散失。温度是影响客土蒸发量的直接因素,坡度和厚度通过影响含水量从而影响蒸发量,同时控制着蒸发过程的能量供给,坡度和厚度过大不利于客土自身稳定性,客土边坡坡度不宜大于1︰0.75,厚度控制在10~20cm,能极大增加植被有效持水量。     

北京市门头沟区高陡岩质边坡生态修复实践

通过对北京市门头沟区高陡岩质边坡生态修复项目野外调研及综合研究,结合近10年来工程建设实践,提出了适合北京市高陡岩质边坡生态恢复的主要技术方法与措施,并以门头沟区水峪嘴、麦子峪岩质边坡生态修复项目为例,针对坡度、起伏、裂隙发育等特点,选取了团粒喷播、普通挂网喷播、喷砼飘台法等技术方法对边坡进行植被恢复,结果表明:水峪嘴边坡坡度在60°以下,利用团粒喷播技术修复效果较好,部分60°～90°近直立坡面喷播效果较差,整体修复效果接近自然状态;麦子峪近直立边坡采取的喷砼飘台法,纵向间距过大,且槽体存土量较小,与相邻坡面衔接处理不够,边坡修复欠缺整体性、美观性.     

盐分对土体干缩开裂的影响

我国是一个盐碱地大国, 在广大西部和北部地区, 土壤盐碱化异常严重, 导致土体工程性质显著劣化。为了研究干旱气候条件下土体中盐浓度对水分蒸发过程及裂隙发育过程的影响, 配置了浓度分别为0moLL-1、1moLL-1、2moLL-1和3mol,L-1的NaCl溶液, 并加入土体中搅拌均匀制成初始饱和的泥浆试样, 在室内条件下使试样蒸发失水., 在整个干燥过程中, 定时测量试样的含水率变化并用相机记录裂隙发生及演化过程, 利用数字图像处理技术对所获得裂隙图像进行定量分析, 从而得到表面裂隙率、节点个数、块区个数、分形维数等裂隙量度指标。结果表明:土体中盐分的含量对干缩开裂过程有重要影响, 随着NaCl溶液浓度的增加, 土体的蒸发速率有递减趋势, 干燥过程中裂隙出现时间逐渐延迟, 对应开裂时的临界含水率逐渐减小。此外, 含盐越多的试样表面裂隙发育程度越低, 裂隙宽度、长度、分形维数等也随盐分含量的增加而不断减小。这些现象与盐分-黏土颗粒相互作用及黏土双电层变化有关。     

基于高密度电阻率成像技术的土体干缩开裂过程监测研究

为了探究土体干缩开裂问题,文章采用ERT技术,对黏性土开展了一维干缩开裂动态监测试验。配制初始状态饱和 的泥浆试样,在自然条件下干燥,采用ERT技术获得试样干燥过程中的电阻值变化。结合试样的电阻值图像和裂隙图像, 对土体干缩开裂规律进行了分析。研究结果表明：在干燥蒸发初期,土体电阻值随时间增加缓慢减小,其原因在于土体干 燥收缩导致土颗粒间接触面积增大,颗粒水化膜变薄,进而使得土颗粒表面双电层导电性增强。随着干燥继续进行,气体 进入土体内部,土体由初始饱和状态转变为非饱和状态,电阻值转为缓慢增加。当土体产生裂隙时,裂隙周围土体电阻值 急剧增大,而未发育裂隙的土体电阻依然保持缓慢增加的趋势。通过对比试样电阻值变化曲线和裂隙图像,发现两者所呈 现的裂隙发育位置和状态存在良好的一致性。因此,ERT技术能对干燥过程中土体裂隙发育进行有效的动态监测,准确掌 握裂隙发育的时空动态信息,并且能提前预测裂隙发育的可能位置,为研究极端干旱气候作用下土体的工程性质响应提供 了理想手段。     

基于聚氨酯复合基材的岩质边坡客土生态修复试验研究

为解决目前岩质边坡客土喷播生态修复中存在的客土基材滑落、坡面表层土流失严重和植被生长差等问题,采用聚氨酯有机高分子材料与土体结合组成聚氨酯复合基材,用于边坡生态修复。通过室内试验对其强度、抗冲刷性以及影响植被生长情况进行研究,并在典型岩质边坡上进行现场试验,对聚氨酯复合基材的有效性进行验证。研究结果表明：聚氨酯有机高分子对于复合基材的强度和抗冲刷性具有显著的提升作用,随着聚氨酯有机高分子浓度增加,聚氨酯复合基材的强度增加,抗冲刷能力提高。与未添加的试样进行对比,浓度为1%聚氨酯复合基材的强度为113.63 kPa,提高幅度约为95.45%;20%浓度试样的峰值冲刷量为28.8 g,降低幅度约为71.2%。聚氨酯有机高分子可以有效促进植被种子的发芽与生长。当聚氨酯有机高分子浓度由0%提高到10%时,种子的发芽率由12%提升到68%。但当聚氨酯有机高分子浓度过大时,会对植被的发芽和生长发生抑制作用。研究结果可为岩质边坡的生态防护提供一定的参考与借鉴。     

废弃采石场岩质边坡绿化技术及废弃地开发利用探讨

随着我国经济实力的增强和土地资源的利用,人们对废弃采石场岩质边坡绿化及其废弃土地开发整理越来越重视。在本土飘台法、鱼鳞穴法、燕巢法、阶梯台阶法及钢筋混凝土框格悬梁等绿化技术应用的基础上,作者引进了客土喷播法、液压喷播法、三维网喷混植生法、喷混植生法等国外边坡防护绿化新方法,并重视废弃地的开发利用,不仅挖掘出废弃地的土地资源和旅游资源等潜力,而且产生巨大的社会、经济和生态环境效益。文章从废弃采石场环境治理需要解决的岩质边坡绿化及废弃地利用两方面,探讨了绿化技术的适宜性及废弃地开发利用的最佳方式。     

昆明呈贡石灰岩上覆红黏土干缩裂隙的温度效应

温度是影响土体干缩开裂的重要外部环境因素之一。为研究温度对红黏土干缩裂隙的影响,以昆明呈贡石灰岩上覆红黏土为对象,经风干、碾碎和筛分后,选取2 mm以下的细颗粒,用正方形钢化玻璃容器制备9个厚度为10 mm的饱和泥浆样,分成3组,每组3个平行样,利用控温烘箱分别进行30℃、50℃和70℃的干燥试验,试验过程中定时称重试样和对土样表面进行拍照,然后用PCAS软件对照片进行图像处理。结果表明：红黏土的蒸发过程可分为3个阶段,干缩裂隙的形成和发展可分为5个阶段;温度升高,干燥完成时间减短,常速率阶段的蒸发速率和蒸发量增大,最终含水率降低;初始临界含水率随温度升高而增大;随着土体含水率持续减小,表面裂隙率先缓慢增加,然后快速增大,最后趋于稳定;温度升高,裂隙交点数、裂隙条数、裂隙总长度和土块数减少,裂隙平均长度、裂隙平均宽度、表面裂隙率、土块平均面积、土块最大面积、干缩厚度和干密度增大。温度显著影响红黏土的水分蒸发过程,干缩裂隙的形成和发展,以及表面裂隙结构和形态。     

黏性土失水开裂多场耦合离散元数值模拟

黏性土在失水过程中逐渐变形开裂,裂隙相互交错形成网络,这一过程涉及水热力等多场耦合的作用。本文基于南京大学自主研发的三维离散元软件MatDEM,采用紧密堆积离散元模型对土体开裂进行模拟。在此模型中,每个离散元单元代表一定体积的土颗粒、孔隙和孔隙水的集合体。单元具有含水量属性,并采用有限差分思想计算水分运移量,实现了水分场模拟。同时,考虑水分场对土体抗拉强度等力学性质的影响,建立水分场和应力场的耦合。在数值模拟中,假定土体表面水分以一定速率蒸发,根据试验数据由含水量计算单元直径和力学参数,从而实现黏土蒸发失水、收缩和开裂变形过程模拟。数值模拟与前人室内试验结果基本一致,能较好地再现开裂过程中的各个阶段。本文为研究多场作用下土体变形破坏模拟提供了一个新的思路。     

地震作用下裂隙对岩质边坡稳定性影响分析

在地震作用下岩质边坡内部裂隙可能开裂扩展,对边坡稳定造成不利影响。利用扩展有限元法模拟岩质边坡内部裂隙在地震作用下的开裂扩展,根据扩展后的裂隙分析边坡潜在滑面,采用矢量和法计算边坡在震前、地震过程及震后的安全系数。结果表明：在汶川地震波作用下LLT1与LLT2裂隙均开裂扩展,开裂方向与水平方向夹角近45°,其中LLT1裂隙顶部开裂至边坡面。震前安全系数为1.75,地震过程中最小安全系数为1.01,震后安全系数为1.05。说明了即便是边坡在震前稳定性较好,但由于地震作用使得裂隙扩展贯通至边坡表面,导致滑体抗滑力降低,边坡震后稳定性显著降低。虽然地震过程中边坡并未失稳破坏,若在震后受到其他外部作用则可能失稳破坏,引发次生灾害。     

黏土失水干缩裂缝发育动态试验研究

饱和黏土中水分的丧失会引起土体基质吸力和表面收缩率的变化,并导致其表面开裂。在室内对黏土干裂过程中土体的失水率、裂缝面积率等开裂特征参数随时间变化的关系进行研究。结果表明:(1)根据表面开裂率、裂缝节点和开裂块数特征随失水率和时间变化,可划分为开裂前、快速开裂、开裂停滞三个阶段,在快速开裂阶段,土体的失水率和表面裂隙发育率呈现为显著的正相关关系;(2)开裂后土体裂缝呈现为多个期次性,1、2期次裂缝之间夹角大都大于90°,第3期次(或更高期次)裂缝大都近似垂直于器壁(或第2期次裂缝)平行发育,且有等间隔发育倾向。第1、2期次裂缝的长度和宽度都远大于第3期次裂缝。     

膨胀土边坡渗透变形的表面裂隙图像特征分析

膨胀土在我国分布广泛。由于其具有涨缩特性,膨胀土边坡在干湿循环条件下易失稳形成滑坡,造成严重的地质灾害。裂隙的发育-扩展-贯通则是膨胀土边坡失稳致灾的前提,因此,准确把握裂隙的发育机制、图像特征,进而推演膨胀土滑坡的形成过程,是一条重要的预警途径。本文以安徽淠史杭灌区膨胀土边坡为研究对象,进行“降雨+自重”条件下的原位试验,对失稳过程中的土体表层裂隙图像特征进行系统研究,重点分析裂隙度、裂隙几何特征参数的变化与边坡失稳之间的关系。研究结果表明：通过土体表层裂隙图像的综合分析,进行边坡危险性评价,具有可行性;针对该地区膨胀土边坡,起始裂隙度处于0.19～0.03范围,后续裂隙度相较初始状态增加范围处于0.5%～1%,且沿软弱结构面存在的横向裂隙发育为主控裂隙时,边坡出现异常,应提出预警。     

降雨蒸发作用下膨胀土湿热和裂隙特性室内模拟试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖的膨胀土样进行蒸发、降雨再蒸发试验,研究降雨、蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,植被覆盖土样表面的反射量比无植被覆盖土样小100 W/m2左右,土样表面温差小5～6 ℃。无植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面裂隙率由1.28%增加到3.82%,表层土体累计脱湿量由3.42%增加到11.17%,脱湿速率由0.59%/d增加到1.44%/d,表层土体温度变化平均值由13.1 ℃增加到14.9 ℃。可见,降雨、蒸发过程使得土体水量变化加大,水分迁移速率增加,温度变化加剧,土体趋于破碎。植被覆盖土样经历降雨过程后,在相同蒸发条件下,土样表面并未出现明显裂隙,表层土体累计脱湿量由3.16%变为2.36%,脱湿速率由0.58%/d变为0.37%/d,表层土体温度变化平均值由0.58 ℃变为0.37 ℃。可见,短期降雨、蒸发过程对植被覆盖下膨胀土的持水能力影响不大。     

南友高速路边坡锚固及客土喷播综合防护实践

广西山区较多,高速公路多切坡修建,赤裸的陡立坡面岩石常会顺层面及坡面下滑和崩落,给行车造成极大威胁。以往多采用单纯的锚固或喷素混凝土进行防护,未能达到恢复坡体植被;营造绿色通道的目的,客土喷播植草快速绿化技术应用尚为鲜见。文章通过南宁—友谊关高速公路局部路段边坡防护工程实例,介绍高速公路边坡治理中锚索、锚杆及客土喷播综合防护的施工应用情况,为相同地质条件公路边坡设计提供借鉴。     

基于高分子复合材料改良砂土三轴剪切试验研究

为研究剑麻纤维和高分子固化剂复合改良对砂土工程特性影响,通过一系列三轴剪切试验,对不同掺量和长度的剑麻纤维与高分子固化剂改良砂土的剪切强度特性进行了研究,从峰值偏应力、应力应变曲线特征和抗剪强度参数等方面分别对改良机理进行了研究。研究结果表明,纯高分子固化剂改良砂土的峰值偏应力和黏聚力明显提升,由于固化剂粘结砂土颗粒,限制了变形过程中颗粒的相对滑动,内摩擦角略微降低。随纤维掺量的增加,不同围压下固化剂改良土体的峰值偏应力明显增加,应力硬化特征愈加明显,土体的黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的增加保持单调递增趋势。在单纯添加固化剂的情况下,土体强度与固化剂浓度呈正相关的关系;在给定0.4%的纤维含量下,随着纤维长度的加长,纤维和高分子固化剂复合改良砂土的剪切强度先增强后降低;在纤维长度为18 mm时,土体的剪切强度达到最大,黏聚力达到最大207.57 kPa;纤维长度的改变对试样破坏时的轴向应变和土体的内摩擦角基本没有影响。     

持续蒸发作用下膨胀土裂隙和湿热特性室内模型试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖和农膜覆盖的膨胀土分别进行30 d持续蒸发试验,研究持续蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,无植被覆盖时表层土体脱湿量及脱湿速率分别为7.38%和0.17%/d,植被覆盖时分别为5.29%和0.07%/d,显然植被覆盖的脱湿量和脱湿速率均小于无植被覆盖的,而农膜覆盖土体蒸发受到遏制,水分无散失;无植被覆盖和农膜覆盖土体平均温度变化分别是7.36 ℃和9.72 ℃,比植被覆盖的2.03 ℃大5～ 8 ℃,可见植被覆盖降低了土体温度变化幅度;无植被覆盖土体裂隙深度达32 cm,与湿热影响深度28 cm较接近;植被覆盖和农膜覆盖土体平面及竖向均无出现明显裂隙,植被覆盖和蒸发受到遏制的状态可阻止土体裂隙开展。