多元层状边坡土体风蚀速率与微结构参数关系

吐鲁番交河故城台地多元层状土质边坡由于风蚀而形成空腔的现象表明,不同类型的土具有不同的抗风蚀能力,抗风蚀能力的强弱是多因素影响的共同结果,微观结构是其中一个重要内因。风蚀速率是表征土抗风蚀能力强弱的重要物理量,研究运用风洞试验、微结构分析等手段揭示了风蚀速率与颗粒面积比、颗粒圆度、孔隙等效直径、孔隙充填比等微结构特征参数之间的良好对应关系;进而采用相关分析法分析并证实风蚀速率与各特征参数间的良好相关关系,应用回归分析方法建立3个试验风速下风蚀速率与单个参数和多个参数之间的回归方程,验证了微结构特征对土抗风蚀能力有显著影响,进而为土抗风蚀能力的评价提供了微观依据。     

紫鹊界梯田失稳机制

为厘清降雨入渗作用对花岗岩区梯田边坡稳定性的影响,本文以湖南省紫鹊界梯田为例,在分析紫鹊界梯田地质条件的基础上,基于有限元数值模拟软件Geostudio多模块的耦合,分析了不同边坡坡度和不同土层厚度在暴雨条件下的渗流场和稳定性。研究结果表明:在降雨强度为90 mm/d、降雨历时为5 d的工况下,坡度为35°和40°的边坡处于失稳状态,稳定性系数与边坡坡度负相关;全风化土层越厚的边坡稳定性系数越低;在降雨历时5 d后,不同土层工况下的稳定性系数相差不大,但无降雨时,全风化土层越薄的边坡明显更加稳定。     

强度折减有限元在堤防稳定分析中的应用研究

采用强度折减有限元法,研究非均值堤防塑性区的开展特征和失稳破坏过程,并根据堤防应力场分布和临界滑动面的形成来分析堤岸整体失稳破坏的机理.结果表明:把强度折减有限元应用到非均质土层的堤防边坡稳定分析,在理论上、数值模拟实现上都是可行的;有限元静力平衡和位移计算不收敛作为堤防边坡整体失稳的标志,同时考察滑移面上某些特征点的...     

沙漠公路风沙土路基风蚀破坏试验研究

以沙漠公路风沙土路基为研究对象,通过室内风蚀风洞试验研究路基的风蚀破坏规律,以及路基不同断面对风沙流运动的影响。以路基高度、路基边坡坡率和路基宽度作为路基断面主要设计参数,研究不同路基断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基周围风速流场的变化特征,分析路基病害较未病害时路基周围流场的变化。试验结果表明：路基高度和边坡坡率对风沙流运动的影响较大。随路基高度增加,路基对风沙流流场扰动增强,迎风坡坡顶处吹蚀破坏和背风坡坡底处堆蚀破坏越显著,在确定的路基边坡坡率下,路基模型高度为250 mm较模型高度为60 mm时,迎风坡坡顶风速增加1.13倍,背风坡坡底风速减小2.53倍,建议沙漠公路路基高度宜小于2.5 m。进一步,在确定的路基高度下,比较不同的边坡坡率对路基沿程风速的影响,发现当路基边坡坡率为1:1.75时,路基沿程风速变化不明显,沙漠公路风沙土路基不宜被风蚀破坏。     

高陡岩质边坡稳定性三维离散元分析

某高陡岩质边坡地质条件复杂、软弱结构面发育、开挖高度大、坡度陡、临空面多,为边坡变形提供了有利的空间,边坡多处出现失稳破坏迹象。通过对边坡工程地质条件调查,岩体结构特征和边坡开挖等影响因素的分析,认为边坡变形主要发生在强风化强卸荷岩体内,受软弱结构面的控制比较明显,表现为结构面组合控制的块体变形失稳破坏模式。采用3DEC数值模拟软件,模拟了边坡开挖后坡体变形特征,数值模拟结果表明,边坡浅表层块体以及控制性块体稳定性差,可能导致边坡产生整体失稳。     

青藏高原东北部黄土地区降雨入渗对土质边坡稳定性的影响研究

降雨是诱发土质边坡失稳的主导因素之一,研究降雨入渗对土质边坡稳定性的影响有着重要意义。以青海西宁盆地黄土边坡为例,结合野外现场试验和室内直剪试验,研究了降雨入渗对坡体含水量和抗剪强度的影响,采用FLAC2D软件模拟分析了降雨前后边坡的应力、位移分布特征,并通过计算安全系数对边坡进行稳定性评价。研究结果表明,雨水入渗150 min内边坡表层土层含水量急剧增加,150 min后其变化趋势逐步变缓,较深层土层含水量随雨水入渗时间呈持续缓慢增加的趋势。对于同一层土体而言,雨水入渗深度随降雨历时的增大而增加,且表层土体中雨水入渗速度先快后慢。表层土体含水量每增加1.01%,其粘聚力减小13.53 k Pa,土体抗剪强度降低16 k Pa,说明土体抗剪强度对含水量的变化极为敏感。二维有限元模拟和分析结果表明,在自重应力作用和雨水入渗条件下,研究区坡脚处出现应力集中现象,且降雨后边坡位移量、应力集中范围及应力大小明显大于降雨前,而降雨后边坡稳定安全系数比降雨前降低了21.6%,说明降雨入渗对边坡的稳定性影响较大。     

地震作用下云南某水库边坡动力学响应分析

由于地震对滑坡发生的重大影响,文中针对地震作用下某水库边坡进行动力学响应分析,通过有限元软件对水库边坡进行二维数值模拟,利用时间历程分析的方法,在导入实际地震波后,通过对比分析地震后的边坡上设定的4个典型记录点x、y方向位移时程曲线图,地震后位移等值线图。结果表明:边坡中部土层、中部与上部土层交界区域均处于薄弱状态,需要对该区域采取相应的防治措施。通过实例可以为今后的水库滑坡防治提供参考与借鉴作用。     

基于FLAC~(3D)的土质边坡稳定性分析

采用FLAC~(3D)模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性,尤其是达到屈服极限时的塑性流变特性,在边坡稳定性分析中具有重要的应用。FLAC~(3D)已经在土质边坡稳定系数和边坡变形特征研究中被广泛应用。以兰州市某土质边坡为例,基于FLAC~(3D)方法,选取边坡中部两个典型剖面进行计算,分析其天然工况下塑性、剪应力变化、稳定性及变形趋势,并结合实际调查结果,验证计算参数选取的合理性。研究结果可知:在不考虑人为及其它因素影响的情况下,土质边坡在自然工况下基本稳定,但从实际模拟过程来看,模拟计算结果一般偏大。故综合认为,为使土质边坡在自然条件下稳定,边坡坡度应45°。     

弃渣场边坡的粒径分布特征及其失稳机制研究

弃渣场边坡是一种常见的人工斜坡,其稳定性关系到区域内的道路交通,弃渣场潜在引发的地质灾害对下游地区人民生产生活也有不可忽视的危害。现有的数学统计、摄影-图像分析以及筛分试验等方法在弃渣场边坡的粒径分级特征研究中并不能真实反映弃渣场边坡在堆积过程中不同粒径颗粒的分布特点和引起的破坏模式影响效应。为突破这一局限,本文结合泸州市古蔺县叙大(叙永至大村镇)铁路沿线的弃渣场工程实际,采用物理模拟方法重现了弃渣体的堆积过程,研究了弃渣场边坡内的渣体粒径分级特征,以及弃渣堆积体的坡体结构特征。并根据物理模拟的试验结果,结合PFC离散元数值模拟研究了弃渣场边坡在考虑粒径分级情况下由降雨引起的斜坡变形失稳过程。物理模拟研究结果表明:弃渣堆积体的形成是一个动态的过程,在重力及颗粒间相互作用下,形成的堆积体粒径分级程度高,不均匀性强。从上至下颗粒的平均粒径逐渐增大,密度逐渐减小,空隙率逐渐增大。典型弃渣场边坡变形破坏过程的离散元PFC模拟研究表明:在降雨作用下,弃渣堆积体固结沉降、孔隙率降低、抗剪强度降低,弃渣场边坡的稳定性随之降低。整个过程分为应力重分布、中部覆盖层剪切破坏、后缘拉裂、后缘下错、前缘鼓胀、潜在滑面形成及滑面贯通几个阶段。     

风沙环境下沙漠路基风蚀破坏数值模拟研究

基于Fluent气固两相流,运用 湍流模型,对风沙环境下沙漠路基的风蚀破坏规律进行数值模拟研究。分析路基不同横断面下风沙流扰动、增速、减速、恢复的过程,以及路基障碍物的存在对风沙流扰动后造成的风速减弱区和恢复区,总结路基坡面特征点的风速变化规律,与现场实测结果作比较,二者具有很好的一致性。研究结果表明,不同路基横断面下风速减弱区和恢复区的分布对路基高度变化敏感,受边坡坡率的影响较小,不同路基高度、不同边坡坡率下路基沿程风速变化明显不同。边坡坡率一定,随路基高度的增加,路基周围流场扰动被增强,迎风坡坡顶风速增大显著,背风坡坡底风速下降愈明显;路基高度一定时,边坡坡率越小,路基沿程风速变化越平缓。当边坡坡率为1:3时,路基模型高度由1m增加到3 m时,迎风坡坡顶风速增加12%,背风坡坡底风速降低约80%。建议为避免沙漠路基的风蚀破坏,路基高度不宜太大,边坡坡率较小为宜。     

坡面松散砾石土侵蚀过程及其特征研究

砾石土因其含砾、粉细砂和粘性土,具有级配宽、不均匀系数大、透水性强等特点,在土石坝防渗体土料和工程防渗墙中得到广泛应用。目前的研究多针对砾石土在工程应用方面,对于坡面松散砾石土降雨淋滤作用导致土体细粒成分流失、土体组构改变以至影响土体力学性质变化以及坡面物质稳定性变化等系列研究并不多见。利用人工降雨装置,进行了人工降雨坡面松散砾石土降雨淋滤试验,开展了砾石土侵蚀过程及其特征初步试验研究。试验表明,降雨作用下砾石土斜坡表面土体形态变化具有明显的阶段性特征,随着坡长的增加,产流率和侵蚀模数成线性增加,径流量随降雨时间跳跃和波动性增加,径流泥沙含量随降雨时间的增加以近似幂函数曲线关系递减。     

Investigation of slope instability induced by seepage and erosion by a particle method

A novel particle based Bluff Morphology Model (BMM) developed by the authors is extended in this paper to investigate the effect of two dimensional seepage on the stability and collapse of soil slopes and levees. To incorporate the seepage in the model, Darcy’s law is applied to the interactions among neighbouring soil particles and ghost particles are introduced along the enclosed soil boundary so that no fluid crosses the boundary. The contribution of partially saturated soils and matric suction, as well as the change in hydraulic conductivity due to seepage, are predicted well by the present model. The predicted time evolution of slope stability and seepage induced collapse are in reasonable agreement with the experimental results for homogeneous non-cohesive sand and multiple layered cohesive soils. Rapid drawdown over a sand soil is also investigated, and the location and time of the levee collapse occurrence are well captured. A toe erosion model is incorporated in the BMM model, and the location and quantity of erosion from lateral seepage flow is well predicted. The interplay of erosion, seepage and slope instability is examined.     

生物固土用于防风固沙的研究进展

文章对近年来基于生物固土技术的防风固沙研究进行了回顾和分析。常用于防风固沙的生物过程包括基于微生物或酶诱导碳酸钙沉积（MICP或EICP）的矿化固土技术,加入黄原胶等生物高聚物作为辅助剂,可获得更好的固土效果。土壤风蚀过程中,除了风力本身,风携带的跃移颗粒对土的撞击,也是侵蚀破坏的重要因素,这在生物固化土风蚀试验中体现明显。生物固化防风固沙的处理过程简单易行,以尿素和钙盐作为处理材料,用细菌或脲酶作为催化诱导媒介,对土体进行单遍喷洒处理即可获得很好的抗风效果。室内抗风试验中,将风蚀速率与临界起动风速两个指标结合是较为合理的评估方法。在室内和现场条件下,表面贯入强度测试可用来快速测定处理效果和抗风性能。目前的现场试验研究表明,生物固化土中植物可以生长,但是极端条件下生长受限。为了将该方法推向实用,需要从多重侵蚀因子作用下的抗风力侵蚀能力、生态恢复能力和现场施工技术等方面进一步研究探索。     

Continual erosion of bare rocks after the Wenchuan earthquake and control strategies

The newly bared rocks created by the Wenchuan earthquake are undergoing continual intensive erosion in the form of detachment and movement of individual grains. Grain erosion is defined as the phenomenon of breaking down bare rocks under the action of insolation and temperature change, detachment of grains from the rockwalls by wind, flow down of grains on the slope under the action of gravity, and accumulation of grains at the toe of the mountain, forming a deposit fan. The Wenchuan earthquake, which occurred in Sichuan on May 12, 2008, caused thousands of avalanches and landslides and left scars on slopes and a huge area of bare rocks. Grain erosion causes flying stones, injured humans and resulted in numerous slope debris flows. The process of grain erosion and strategies to limit the erosion were studied by field investigations and field experiments. According to these field investigations and field studies, the most serious grain erosion occurs in spring and early summer when it is very dry. Rocks are broken down to grains under the action of insolation and temperature change. Then, wind blows the grains from the bare rock down slope. Experimental results showed that the amount of grains blown down by wind per area of rock surface per unit time is proportional to the fourth power of the wind speed. However, the size of the grains blown down by wind increases linearly with the wind speed. An experiment proved that grain erosion can be controlled with two moss species. Moss spores were mixed with clay suspension and splashed on bare rocks. The moss species germinated on the rock surface in one month and greened the bare rocks in two months. The moss layer protected the rocks from insolation and mitigated the effects of temperature change, thus effectively mitigated grain erosion.     

Effect of soil parameters on the threshold wind velocity and maximum eroded mass in a dry environment

The present study aims to investigate the relationships between several soil parameters (texture, organic matter and CaCO₃ content) and the threshold wind velocity and erodibility of different soil types. Our aim was to determine the role of these soil parameters play in soil loss due to wind erosion and also to statistically evaluate these correlations. The erodibility studies were carried out in wind tunnel experiments, and the resulting data were analysed with multiple regression analysis and the Kruskal-Wallis test. We found that both the threshold wind speed and the erodibility of soils were mostly determined by silt fraction (0.05–0.02 mm), while sand fractions had a lesser effect on it. Our experiences with organic matter and CaCO₃ similar, i.e. in spite of their correlation with the erosion, their contribution was not significant in the multivariate regression model. Consequently, based on mechanical composition of soils, one can predict threshold wind velocity and erodibility of soils.     

生态酯类材料砂土改良及工程护坡应用

为提高砂土边坡的稳定性并实现生态护坡,采用生态酯类材料——纳米水性黏合剂对砂土进行改良,通过凝胶渗透色谱法和热重法分别对纳米水性黏合剂的相对分子质量及分布、热稳定性等进行了测试与分析;通过设计并开展不同纳米水性黏合剂掺入量条件下砂土的无侧限抗压强度试验和直接剪切试验,研究了砂土的强度改良效果与规律;通过崩解试验和边坡冲刷模型试验,研究了砂土的遇水稳定性和坡面抗冲刷能力的改良效果与规律,并进一步分析了砂土改良及生态护坡机制。结果表明,纳米水性黏合剂能提高砂土的强度、水稳定性及坡面抗冲刷能力。随黏合剂掺入量的增加,砂土的无侧限抗压强度和黏聚力增大,黏聚力的增加幅度可达46%～77%,而内摩擦角变化较小;砂土的崩解系数和峰值崩解速率减小,最大崩解速率出现的时间越发滞后;坡面冲刷率降低约68%～86%。边坡防护工程实际应用效果表明,纳米水性黏合剂的固土效果好,作用时间长,促进植被生长,实现了边坡的长效生态防护。     

青藏高原冻融侵蚀敏感性评价与分析

冻融侵蚀是我国仅次于水蚀和风蚀的土壤侵蚀类型。青藏高原由于其海拔高、辐射强、气温低的特点,是我国冻融侵蚀较严重的区域。选择影响冻融侵蚀的5个主要因子：气温年较差、降水量、坡度、坡向、植被覆盖度进行定量研究,分析青藏高原冻融侵蚀敏感性强度及空间分布特征。结果表明：（1）青藏高原冻融侵蚀区面积为149.02×10⁴ km²,占青藏高原总面积的62.20%;冻融侵蚀敏感区的面积为56.80×10⁴ km²,中度及以上敏感区面积为27.39×10⁴ km²,占冻融侵蚀敏感区面积的48.22%;（2）冻融侵蚀敏感性空间分布差异明显,中度以上敏感区主要分布在青藏高原南部和东南部、喀喇昆仑山、祁连山、横断山区等地区。