工程荷载诱发填方边坡变形破坏机制试验研究

填方路堤在堆填碾压夯实后自然状态下具有较好的稳定性,但在先期施工与后期公路运营期间,受工程荷载、动荷载等多因素作用将会出现大量变形破坏现象。针对这一问题,本文以某填方路堤边坡为例,运用室内物理模拟技术探讨研究工程荷载诱发填方边坡变形破坏机制。研究结果表明:填方体在上部不断施加堆载后,坡体内部应力条件改变,产生不均匀沉降现象。填方体边坡变形破坏主要受控于填方体在加载过程中坡顶堆载处拉应力的集中与坡体内剪应力的集中程度,潜在滑动面沿张拉裂缝延伸方向扩展,同时在堆载体下部逐步过渡为压剪塑形带,两者逐步贯通并向下部扩展延伸,最终产生边坡整体变形破坏。其变形演化机制为:堆载作用下坡体内部应力重分布→堆载区边缘张拉裂缝形成并扩展、堆载体下部产生压剪塑形带→张拉裂缝、压剪塑形带贯通形成滑动面→推力作用下整体滑动,此变形为典型的蠕滑-拉裂式滑坡。此研究可以为相似工程提供借鉴。     

降雨入渗条件下非饱和路堤变形与边坡的稳定数值模拟

对于常常处于非饱和状态的路堤在降雨入渗条件下变形问题的数值模拟研究,由于涉及到非饱和土力学,一直是个热点和难点。现有的强度折减有限元法一般仅对强度指标进行折减,但折减后得到的路堤变形场与实际变形场存在一定差异。论文分析认为,在降雨入渗影响下非饱和路堤不仅强度参数会降低,而且变形参数也会随着应力水平和强度参数的变化而变化。采用基于变模量的弹塑性强度折减法,对不同降雨入渗深度下路堤的变形规律进行数值模拟,并与室内模型试验结果进行比较;同时采用强度折减法和极限平衡法中的Bishop法,分析了不同降雨入渗深度对非饱和路堤稳定性和滑弧变化特征的影响规律。     

降雨诱发直线型黄土填方边坡失稳模型试验

近年来,随着“治沟造地”和“固沟保塬”等工程在黄土高原的陆续开展,出现了许多直线型黄土填方边坡。降雨是诱发边坡失稳的重要因素,但对降雨诱发直线型黄土填方边坡变形演化特征和破坏模式的研究较少。以直线型黄土填方边坡为研究对象,通过传感器监测、三维激光扫描和人工降雨,开展室内降雨模型试验,记录了降雨入渗下边坡内部水文响应特征和边坡失稳破坏过程,并对湿润锋、土颗粒运移、坡体内部变形响应、裂缝演化特征及破坏模式进行了分析。试验结果表明：随着降雨入渗,湿润锋达到后,体积含水率增加,并在峰值后保持稳定,而基质吸力则减小,到达最低点后保持稳定。冲沟对填方边坡的影响较大,它的发育改变了坡体内含水率特征,同时也是控制边坡整体滑动的边界;边坡变形响应区域主要是以填方边坡前缘堆积区和后缘滑塌区为主;裂缝演化方向由边坡前缘向后缘发展,它的发育为雨水入渗提供优势通道,同时也加剧边坡的变形破坏;降雨形成的水动力驱使坡体中细颗粒从填方边坡后缘向前缘流失,减弱了土体颗粒之间的胶结能力,使其抗剪强度降低,进而使边坡失稳破坏。因此,在降雨入渗下,直线型黄土填方边坡的变形破坏模式为：坡顶冲沟破坏、坡脚软化→局部牵引坍塌、整体失稳→块体分割、流滑破坏。研究结果可为直线型黄土填方边坡的工程建设和滑坡灾害防治提供理论参考。     

桩承式加筋路堤时效性数值模拟研究

利用有限元数值模拟方法研究了桩承式加筋路堤的时效性变化规律。通过无桩无筋、无桩加筋、竖向桩体及水平加筋联合使用3种情况对比研究,分析了路堤填土荷载作用下软土地基中超静孔隙水压力随时间的变化规律,探讨了路堤水平位移、沉降和工后沉降、筋材最大拉力及桩体荷载分担比随固结时间的变化规律。研究结论可为软土地基上路堤的设计和施工提供重要的参考。     

降雨诱发浅表层黄土滑坡机理实验研究

黄土较松散,内部大孔隙和垂直节理发育,因其特殊的结构为雨水的快速入渗提供了通道。降雨型黄土浅层滑坡已造成了大量的经济损失与人员伤亡。为了有效减轻降雨诱发黄土滑坡对社会和经济的影响,开展降雨型滑坡室内实验研究,具有重大的现实意义。本文旨在研究不同降雨形式和不同坡体结构对黄土斜坡变形破坏过程影响,设计并进行了3组室内物理模型实验,分别为持续强降雨斜坡实验、持续强降雨斜坡（带垂直节理）实验和间歇性强降雨斜坡实验,且每组斜坡内埋设体积含水率传感器、基质吸力传感器和孔隙水压力传感器3种传感器记录其内部变化。通过对每一个黄土斜坡体内传感器的读数变化及实验现象进行分析,同时对不同实验条件下实验过程及结果进行对比,进而得出降雨条件下浅表层黄土滑坡的变形破坏规律,总结出该类滑坡的破坏模式及其诱发机理。实验前期,随着体积含水率不断增大,基质吸力逐渐减小至基本稳定,土体强度随之减小,实验后期上部土体饱和,斜坡产生的变形和土体排水不畅产生了超孔隙水压力,有效应力随之减小,土体强度减小至最小,导致滑坡产生。同时,坡体结构对斜坡稳定性的影响大于降雨形式的影响。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

液化型路堤边坡动力数值模拟分析

液化型路堤边坡动力稳定性问题涉及岩土工程与工程地震两个学科领域,是边坡工程与砂土液化的交叉课题。采用天然地震记录为输入条件,应用Finn本构关系模型,运用有限差分法,对填土+砂土+卵砾土地层组合的路堤边坡进行了全时程动力分析,探讨了地震作用下路堤边坡的液化初步规律和稳定性。数值模拟结果表明:地震作用引起了路基饱和砂土有效应力急剧减小,并导致路基砂土液化,引起路堤变形破坏。孔隙水压力的积累与消散不仅与地震记录序列存在对应关系,也与砂土所处的位置和深度有密切关系。地表变形破坏主要表现为路堤顶面发生震陷和拉裂破坏,坡底面产生挤压隆起变形。地面以下的变形破坏主要包括土体剪切破坏和深部砂土液化引起的侧向流动破坏。     

黄土填方高边坡变形破坏机制分析

本文依据西北某油田倒班基地黄土填方高陡边坡工程勘察, 研究了该边坡的变形破坏机制, 通过对边坡工程地质条件及变形破坏分析, 建立FLAC3D地质模型, 采用数值模拟方法研究了边坡变形破坏机制。研究结果表明, 主要变形区或破坏区为陡坎周围至其沿坡面向下20～25m 的范围之间, 其破坏深度底界为全新世填土层Q4与原状黄土Q3接触面, 但要重点控制沿坡面向下20～25m 的范围之间的变形。数值模拟结果表明, 该边坡目前整体稳定性较好, 不会发生整体变形破坏。     

间歇型降雨对堆积层斜坡变形破坏的物理模拟研究

为研究间歇型降雨作用下缓倾堆积层斜坡的变形破坏特征,以樱桃沟滑坡为例,进行了降雨作用下斜坡变形破坏的物理模拟研究。试验结果表明:前期降雨作用下坡体变形特征表现为前缘滑移沉陷、中部滑移、后缘沉陷、坡体裂缝生成,且前缘裂缝扩张明显,后期降雨作用下坡脚区域首先发生滑塌,然后依次向后缘传递发生逐阶滑塌破坏;降雨入渗易在基岩面上储存,形成暂态地下水位、高孔隙水压力区域和坡向渗流场,基岩面附近土体饱水时间长,软化程度高,抗剪强度弱化显著,边坡易沿基覆界面土层发生滑坡;坡体滑动易发生在降雨间歇期,触发特征表现为雨后坡体暂态饱和区水分和坡表积水持续下渗,导致地下水位上升滞后于降雨,造成坡体内浮托力、渗透力和孔隙水压力增大,有效应力降低,诱发滑坡。     

降雨诱发深层老滑坡复活变形的动态作用机制

强降雨易引发大型深层老滑坡的复活变形,研究其作用机制对建立滑坡变形破坏的降雨阈值,实现滑坡灾害的预警预报具有重要意义.以三峡库区秭归县谭家湾大型深层老滑坡为例,在地表宏观裂缝时空分布规律的精细描述基础上,结合15年的人工监测和2年的实时监测数据,分析了老滑坡的复活变形特征和发展过程.通过滑坡阶跃阶段的位移与降雨（当前降雨和前期降雨）的相关性分析,提出了降雨对深层滑坡复活变形演化过程的动态作用机制.谭家湾滑坡的7次“阶跃”变形与强降雨相关,但累积位移增量与累积降雨量无明显正相关关系,水平位移增量基本相同时,累积降雨量明显不同.引起第一次阶跃变形的累积降雨量和最大日降雨量均明显大于后续阶段,可能受控于强降雨的作用机制由“孔隙渗流”为主,逐渐转变为“渗透性增加的孔隙渗流+裂隙优势流”的综合渗流模式.这对进一步深入研究强降雨诱发深层老滑坡阶跃变形的内在机理与灾害预警具有一定的理论意义和参考价值.     

筑堤土防渗性状试验研究

结合淮河入海水道河道工程,通过渗透变形试验确定了筑堤土料的渗透变形型式、临界水力坡降和允许坡降,同时指出了采用泓道开挖土筑堤的施工控制措施、质量要求和防渗措施。     

降雨条件下土坡变形机制的离心模型试验研究

自行研制了离心场降雨模拟设备,进行了降雨条件下边坡的离心模型试验。试验模型在离心机中加载到50g,然后开始降雨。采用非接触位移测量系统测量了试验过程中边坡的位移场变化,通过T5张力计测量边坡中典型点的吸力变化。试验结果表明,边坡的位移随降雨量的增大逐渐发展,发生明显变形的区域也逐渐变大,主要集中在边坡表面。边坡某处应变迅速变化的时刻与土体含水率迅速增大的时刻相一致。边坡某点的应变随降雨量的增加不断增大,并存在2个拐点,形成湿润锋和稳定锋2个锋面,并把边坡分成3个区域,通过锋面的变化反映降雨条件下边坡的变形过程。     

青藏公路普通填土路基长期变形特征与路基病害调查分析

基于长期监测系统2004－2011年现场监测数据,系统分析青藏公路近年来冻土路基变形特征及路基病害原因。结果表明,目前青藏公路普通填土路基变形主要以融沉变形为主,且沉降变形仍将继续发展。根据路基各部位变形速率的差异性,可以将路基变形划分为均匀与不均匀变形两大类。路基平均沉降速率在2～55 mm/a之间,河流沟谷地带路基变形速率最大,山区路基变形速率次之,其他地貌区路基变形速率最小。路基纵向变形对路面影响较大,主要形成波浪等病害,对道路行车舒适性与安全性有较大隐患。路基横向变形主要产生路基纵向裂隙病害,导致路基向变形较严重一侧坍塌,对路基整体稳定性有较大影响。通过2012年对青藏公路路基病害的调查研究发现,青藏公路多年冻土区路基优、良、中、次、差的比例分别为57.39% 、28.12%、9.71%、4.60%、0.17%。通过对青藏公路普通填土路基长期变形特征的分析,期望为青藏公路的整治维修提供参考,同时为未来青藏高速公路的设计和维护提供依据。     

黄土路堑边坡开挖变形机理的离心模型试验研究

利用离心模型试验揭示了黄土路堑边坡在开挖过程中的变形破坏特征,结果表明:开挖前,坡体变形以自重应力作用下的竖向变形为主,开挖后,堑坡坡体中后部土体以垂直向下变形为主,前部土体变形以水平变形为主,而且坡体前部的变形远大于中后部的变形;同时结合变形特征,系统分析了黄土路堑边坡开挖过程中主滑段滑带土的强度变化规律,认为黄土路堑边坡开挖变形破坏的力学机制总体上应属于蠕滑-压致拉裂机制.     

隧道大变形机制及处治关键技术模型试验研究

大变形是隧道建设中无法完全避免的灾害之一,发生后若处治不当极有可能出现多次换拱甚至塌方等二次灾害。通过相似模型试验,采用自行设计的隧道模型开挖装置和围岩内部位移监测装置,研究了隧道开挖和埋深增大过程中围岩渐进性破坏过程及位移和应力变化规律,揭露出预防隧道大变形的重点支护部位,并进一步研究了大变形出现后处治过程中衬砌的破坏规律,明确了大变形处治时的支护措施。试验结果表明：（1）隧道产生大变形过程中,拱顶与拱底的变形量大于拱腰与拱脚的变形量,且随着埋深增大,差值逐渐增大;（2）大变形产生后隧道拱顶径向和切向应力值均减小,而拱脚切向应力值大幅上升;（3）更换变形拱架时,更换位置附近衬砌拱顶处可能出现张拉破坏,拱腰处可能出现剪切破坏,因此,大变形处治时需保留两侧衬砌的临时钢支撑,必要时需增设底部横支撑或临时仰拱。该研究结果有助于得到大变形发生时和发生后处治时的防控重点,为大变形的预防及安全处治提供指导和参考。     

斜坡地基上加筋路堤工作性状及稳定性研究

采用大型室内模型试验的方法,研究了斜坡地基上一个土工格栅加固的填方路堤和一个未加固填方路堤在坡顶荷载作用下的变形与破坏规律.重点介绍了该模型的试验设计、测试和试验数据分析方法.试验主要测试了填方路堤边坡坡面的水平和垂直位移、填方路堤顶部垂直位移、填方路堤内部应力、填方路堤内部土体位移、填方路堤的破坏面形态等.试验结果表明,加筋能够提高斜坡地基上填方路堤的稳定性及承载力,并且能够大幅减小路堤的水平位移,该模型试验结果对西部山区高速公路的建设具有一定的指导意义.     

预加固高填方边坡滑动破坏的离心模型试验研究

2009年10月3日,攀枝花机场260×104 m3万方的高填方预加固边坡整体失稳,沿基覆界面下滑,并超覆于其下方的易家坪老滑坡之上,使易家坪老滑坡再次复活。这一填方边坡失稳事件最终导致机场停航两年。通过大型离心模型试验,再现了攀枝花机场预加固高填方边坡的滑动失稳过程,获得了边坡变形破裂的特征参量,阐明了边坡的滑动失稳机制。研究表明：天然工况下,边坡变形以坡顶沉降和沿基覆界面软弱层的蠕滑为主,坡体总体处于蠕滑变形状态;降雨和地下水工况下,坡体中后部拉张破裂和中前部挤压变形显著,具有塑性流动及推移式破坏特征,并最终产生溃滑失稳;预加固抗滑桩承受较大的边坡变形推力,且越靠近坡体后部的桩推力越大,最终从后向前逐排产生累进性剪断破坏,说明该填方边坡多排抗滑桩的平面布置和受力确定欠合理;降雨和地下水工况下,坡体的最大孔隙水压力是天然工况下的3.7倍,孔隙水压力对坡体失稳有重要作用;通过模型和原型的综合对比分析,该边坡的滑动失稳机制为推移式蠕滑-累进性折断-溃滑与超覆。     

一种施工期间堤防稳定性分析方法

在Hilf分析法的基础上,对Hilf分析法进行了改进。将孔隙气压力和孔隙水压力作为独立变量,推导了孔隙气压和孔隙水压计算表达式。给出了考虑强度随孔隙气压和孔隙水压力变化的填土堤防强度随固结度增加而增长的饱和土堤防稳定性分析方法。计算结果表明随着基质吸力的增加,计算所得的稳定安全系数随之增加,忽略孔隙气压的作用所得的软土堤防的稳定安全系数偏大。当 等于 时,孔隙气压对抗剪力没有影响,此时计算所得的安全系数相同。因此施工期间软土地区堤防既要考虑孔隙气压和孔隙水压对堤防稳定性的影响,同时也要考虑地基固结提高对堤防稳定性的影响     

减载条件下高填方涵洞受力机制及基底压力

针对现有的理论方法主要关注涵顶土压力而未能考虑涵洞侧墙摩擦阻力对高填方涵洞结构受力状态的影响,提出了完整的减载条件下涵?土作用机制模型,推得涵洞侧墙摩擦力及基底压力的计算式。并将该理论方法的计算结果与数值模拟结果进行了比对,验证了该理论方法的正确性。研究结果表明,侧墙摩擦力沿墙身深度近似呈线性增加,并随填土高度的增加而增大;相同填土高度时,减载条件下的侧墙摩擦力大于非减载条件下侧墙摩擦力;采用减载措施虽然降低了涵顶垂直土压力,但是增大了涵测水平土压力,基底压力并未减小,现有的减载理论方法中不考虑侧墙摩擦力的影响是不合理的。