兰州重塑黄土抗拉强度冻融特性与衰减模型研究———基于轴向压裂法

针对季节性冻土区黄土路堑边坡在冻融作用下发生剥落的病害问题,黄土抗拉强度的影响不可忽略.以兰州和平镇某人工路堑边坡重塑黄土为研究对象,着重探讨黄土抗拉强度冻融衰减特性.首先采用轴向压裂法测定不同含水量、不同干密度及不同冻融次数下的黄土抗拉强度,然后在黄土抗拉强度冻融衰减规律的基础上提出单因素抗拉强度冻融衰减模型,而后对含水量、干密度以及抗拉强度进行多元非线性回归分析,进而提出黄土多元抗拉强度冻融衰减模型.研究结果表明:黄土抗拉强度随冻融循环次数增加呈指数衰减规律,一般冻融3~5次后抗拉强度达到稳定值,初始含水量对黄土抗拉强度冻融衰减率的影响较大.多元抗拉强度衰减模型可对以含水量、干密度及冻融循环次数为变量的兰州黄土抗拉强度进行预测.     

溯源侵蚀引发的拉裂-倾倒型黄土崩塌形成机制

溯源侵蚀是黄土丘陵区最强烈的动力地质作用。常导致沟头后退、坡脚掏蚀,进而引发崩塌灾害。文章通过对研究区崩塌灾害的统计分析,厘定出溯源侵蚀作用引发崩塌的典型类型为拉裂-倾倒型。该类型崩塌具有后壁陡直、粗糙、规模大、分布广、危害范围广,潜在危险性大等特点。分析认为溯源侵蚀引发拉裂-倾倒型崩塌是水力侵蚀和重力侵蚀耦合作用的结果。该类型崩塌的形成,主要是由于斜坡在地表水力侵蚀和重力作用下,坡体内拉应力分布区、剪应力分布区和强烈水力侵蚀区三个区发生了转化,经历了斜坡应力重新分布、拉应力的增大与范围扩大,剪应力状态改变与范围集中、坡顶拉张与孔隙水压力耦合作用下的崩塌体倾倒破坏三个阶段。控制和影响拉裂-倾倒型黄土崩塌稳定性主要因素包括:斜坡几何特征、土体物理力学参数及裂隙中的静水压力。随着土体含水率的上升,坡顶拉张裂缝深度加深,侵蚀凹槽深度加深,崩塌体稳定性逐渐降低。     

黄土沉积过程及微结构模型的非连续变形分析

黄土是一种具有特殊结构的多孔隙、弱胶结的松散沉积物,存在典型的微观架空结构,其力学行为是微观结构变形与破坏的宏观体现。从本质上揭示黄土的力学行为,需从黄土微结构出发,而黄土的物质组成和微结构特征受其特殊的风积成因所控制,基于此本文提出了一种模拟黄土沉积过程并构建其初始结构模型的方法。为了生成黄土沉积后所形成的微结构模型,并对其进行变形模拟,首先在确定黄土颗粒形态的基础上利用Monte Carlo法生成沉积前的黄土颗粒群,然后引入非连续变形分析方法(DDA)模拟颗粒的下落,该方法能够模拟颗粒下落过程中的相互碰撞及摩擦,由此建立与实际比较接近的黄土初始结构模型。从模型中可以识别出大、中、小3类孔隙结构和台阶(staircase)、重叠(stack)、点接触(point contact)、T型4种接触形式。对所生成的黄土结构模型进行不同压力下的压缩试验,选择不同部位的颗粒作出了径向分布函数,从微观角度说明了黄土在压缩过程中大孔隙和架空结构会首先被破坏。设计了与数值模拟相同条件下的物理模型试验,将两者试验结果进行对比,结果表明数值模拟与物理模型试验的e-lgp压缩曲线的趋势大致相同,表明所提出方法是可行的。该方法为进一步开展黄土力学行为的微观分析提供了基础。     

第四纪黄土物源的时空差异研究现状及展望*

黄土物源研究对揭示第四纪以来东亚大气环流格局的演化和构造—气候之间的相互作用具有重要意义。目前已应用多种物源示踪方法对黄土物源开展了大量研究,但对黄土物源时空差异规律及其动力学机制尚未取得较为一致的认识。在综合分析黄土物源研究现状的基础上,重点从影响⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值组成及单颗粒碎屑锆石U-Pb年龄谱构成的因素角度,分析了第四纪黄土的物源及可能变化,获得以下认识: (1)第四纪黄土沉积物的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值变化幅度可达0.002 580~0.004 949,远远超出实验室分析测试误差(<0.000 018)或由Sr同位素衰变带来的影响(2.6 Ma时段小于0.000 026,1个冰期旋回小于0.000 001); ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值亦发生了较显著变化(0.000 095~0.000 240),其变化幅度远大于实验室的分析测试误差(<0.000 010)及衰变导致的 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值(<0.000 013)变化。因此,在黄土中检测到的Sr-Nd同位素组成的变化应具有较明确的地质意义。(2)第四纪黄土沉积物中无论全岩还是主要粒径组分的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr值和 ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd 值的变化都与气候代用指标变化不同步,难以从气候变化角度进行解释,可能更多地反映了源区的变化。(3)与Sr-Nd同位素示踪体系相比,单矿物或单颗粒的物源示踪体系对物源区变化的响应更为敏感,在追踪第四纪黄土沉积物源区时空差异方面具有较明显的优势。(4)基于碎屑锆石U-Pb年龄谱对黄土物源的有限研究揭示黄土高原的黄土在地质历史时期可能发生了原始物源区显著的时空分异,特别是不同剖面都反映出了1.2 Ma前后黄土主要源区的变化,表明通过锆石U-Pb年龄谱研究黄土物源时空差异规律具有揭示岩石圈、大气圈、水圈耦合作用过程及历史的巨大潜力。     

强降雨作用下黄土陡坡开裂特性测试

降雨诱发黄土边坡失稳具有严重的破坏性。为了研究强降雨条件下黄土陡坡的开裂特性,在陕北吴起开展了黄土陡坡现场人工模拟中雨和大雨试验,分析了坡体含水率及土压力响应,总结了边坡开裂特征、开裂模式及土工布隔离槽的工程效应。研究结果表明：24 h中雨条件下黄土陡坡含水率和土压力上升幅度有限,而144 h大雨条件下边坡表层形成较大厚度的临近饱和区且表层土压力增长明显;144 h大雨条件下黄土陡坡的破坏顺序为坡顶开裂—坡面鼓胀—局部滑动贯通,并且坡顶开裂具有易发性和先导性;边坡破坏模式为自坡顶至坡面的贯通浅层破坏。     

黄土边坡开挖卸荷力学响应与破坏机理研究

开挖黄土边坡诱发的黄土滑坡频繁发生, 对黄土地区的工程建设产生了极大的威胁, 严重阻碍了各种基础设施建设的推进, 认识开挖卸荷过程中黄土边坡的力学响应机制及变形破坏过程, 是对此类型滑坡进行防治的前提条件和重要依据。基于此, 开展饱和黄土常规三轴剪切试验和卸荷路径下的三轴剪切试验(卸荷三轴试验), 着重分析在两种应力路径下饱和黄土的力学响应及变形特征, 并以兰州上洼子滑坡为例对其形成机制进行分析。研究表明:(1)在三轴试验中, 相比于常规条件, 侧向卸荷条件下, 虽然孔压增长幅度较低, 但卸荷导致侧向压力大大降低, 因此孔压比快速增长, 有效应力持续降低, 对边坡的稳定更为不利; (2)侧向卸荷条件下试样达到峰值强度时所需应变更小(1%~2%), 表明卸荷条件下边坡更易失稳破坏且具有突发性; (3)两种应力路径下饱和土体抗剪强度参数有显著差异, 与标准三轴剪切试验相比, 卸载三轴剪切条件下, c'值降低62.32%~76.92%, 且接近于零, 有效内摩擦角φ'值增大26.92%~29.77%;(4)采用FLAC-3D对上洼子滑坡进行数值模拟分析, 选取侧向卸荷三轴剪切试验结果更符合土体真实应力路径, 揭示了上洼子滑坡的破坏模式为“后退渐进式”。     

基于冻融作用的非饱和黄土-混凝土界面力学模型

在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,通过对不同含水率、不同冻融循环次数的非饱和黄土-混凝土试样进行直剪试验,并同时采用滤纸法测试相应黄土的基质吸力,获取了不同试验条件下的应力-应变关系曲线以及接触面强度参数、基质吸力随冻融循环次数的变化规律。同时,基于试验数据,建立了非饱和黄土与混凝土界面剪应力-位移-冻融循环次数的本构模型,该模型对黄土-混凝土界面经过多次冻融循环后不同压力下的剪应力-位移的关系曲线起到了很好的描述作用,为解决实际工程中季节冻土区基础承载力的数值计算提供了参考。     

高填方下覆结构性黄土次固结特性研究

研究结构性黄土的次固结特性及机制,已成为黄土高填方地基工后沉降计算和控制的有效手段。本文通过对结构性黄土的压缩试验,研究了其次固结特性及变形机制,建立了描述次固结系数时间效应的关系式。试验结果表明,结构性黄土存在明显的次固结效应;荷载-次固结系数曲线（P-C_α）表现出先增加后减小,最终趋于稳定;C_α峰值对应荷载大于P_c,且高荷载将不是次固结系数的主要控制因素;在岩土破损力学框架内,分析了荷载、含水率对次固结系数影响的机制;水对土颗粒胶结作用的弱化使得高含水率结构性黄土的P-C_α曲线只呈现下降段和稳定段;建立了一种描述次固结系数时间效应的关系式,可对计算高填方下覆原有黄土地基的工后沉降提供帮助。     

干湿循环对地裂缝带黄土抗剪强度影响研究

为研究长期干湿循环作用对地裂缝带及其附近黄土强度的影响,以西安地裂缝场地典型黄土试样为研究对象,通过室内试验方法（主要为直接剪切实验）,研究地裂缝带黄土试样在干湿循环作用下不同含水率的抗剪强度参数及其强度衰减特性,提出了地裂缝带黄土衰减强度的求取方法,研究表明:（1）干湿循环作用下,地裂缝带黄土抗剪强度随着干湿循环次数及含水率的增加而逐渐减小,1次干湿循环或大于18%含水率对抗剪强度参数影响明显;（2）1次干湿循环作用其强度衰减最为明显,随着干湿循环次数的增加而增加且增幅逐渐下降;（3）1次干湿循环作用下其强度随含水率衰减最为明显,随着含水率的增加其逐渐减小,且在12%以下含水率时其强度衰减较高,大于12%含水率时强度衰减较小。     

降雨入渗条件下多级黄土高边坡稳定性分析

在西北地区进行基础工程建设,遇到了大量的多级黄土高边坡工程。边坡工程属于永久性工程,难免遇到降雨状况。降雨入渗会引起边坡土体饱和度与土体重度的变化,进而导致边坡体基质吸力与有效应力场的变化,使边坡的稳定性受到较大的影响。本文通过考虑边坡体不同深度处基质吸力随雨水入渗的变化情况,建立了渗流场与应力场的耦合计算模型,对降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性进行分析。最后,依托实际边坡工程,利用PLAXIS 3D岩土有限元软件,建立边坡稳定性计算模型,通过设置降雨量随时间的变化函数与渗流边界条件,进行降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性数值计算,并与理论分析结果进行了对比分析。根据数值计算结果可得到多级黄土高边坡在降雨入渗条件下的变形、基质吸力、有效应力、潜在滑移面以及安全系数的变化情况,从而对降雨入渗影响下多级黄土高边坡的稳定性做出分析。研究结果可为降雨入渗条件下多级黄土高边坡的稳定性的研究提供一定的指导作用。