水泥改良黄土崩解试验研究

黄土具有多孔亚稳结构和水敏性,遇水时易发生崩解。黄土的崩解性是促进黄土高原地区水土流失、崩塌、滑坡等地质灾害发生的主要因素之一。作为一种造价低、应用方便的材料,水泥改良黄土(cement improved loess, CIL)在黄土地基、边坡工程中应用广泛,但其抗崩解性研究较少。为此,该文通过原状及不同掺量下的CIL室内崩解试验和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)试验,分析改良前后黄土的崩解行为,探究水泥对黄土崩解性的改良效果及作用机制。结果表明,掺入水泥可大幅提升黄土的抗崩解能力,低掺量下CIL仍具有完整的崩解过程,但水泥能填充粒间孔隙,阻碍水分运移,同时水泥水化物及其与黄土颗粒的作用能增强粒间胶结,从而延缓了黄土崩解进程。随着水泥掺量的增加,抗崩解效果愈明显,累积崩解百分量几乎为0。土样不发生崩解的最小水泥掺量为3%。研究结果对黄土的抗侵蚀性研究和防灾工程设计具有重要意义。

基于物理模拟试验的房柱式采空区变形特征研究

房柱式采空区具有采出率较小、留设煤柱较大的特点,其覆岩移动规律及地表变形规律与长壁式采空区差别较大,在煤柱失效情况下,地表会产生较大变形,威胁地面建构筑物的安全。为研究浅埋缓倾房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育机制,基于PIV图像处理技术和模块化组装思路,在室内建立物理模型开展物理模拟试验,反演了房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育过程,分析了房柱式开采和煤柱失稳条件下覆岩和松散层的变形机制。研究结果表明:①房柱式开采条件下,浅埋缓倾采空区覆岩变形可划分为3个区域:“条带状”变形区域、“梯形状”变形区域和“倒漏斗型”变形区域。松散层中的变形呈“梯形状”发育。②煤柱失稳条件下,覆岩变形规律保持不变,松散层变形特征由“梯形状”发育为“漏斗型”,且随着失稳煤柱的增加,松散层变形增大,“漏斗型”变形区域由中心向两端逐渐扩展。③房柱式开采结束后,采空区顶板受力可简化为承受均布荷载的简支梁,在煤柱持续失稳的情况下,覆岩和松散层的静载将导致采空区顶板达到极限平衡状态,顶板破坏模式为拉破断,在拉应力作用下产生裂缝,但顶板并未完全断裂,采空区顶板形成一种带裂缝的悬臂梁结构。浅埋缓倾房柱式采空区煤柱失稳对地表变形影响剧烈,松散层变形与覆岩变形基本处于同一量级。

基于复电阻率的非饱和黄土频谱特性

使用直流电阻率法进行黄土水分监测时,黄土介质中的容性成分会影响结果的准确性。该文以宜川地区黄土为研究对象,基于复电阻率试验和土水特征测定,获取了非饱和黄土基质吸力与复电阻率参数的关系,揭示了其频谱特性变化规律,推导了黄土饱和度与复电阻率公式。研究结果表明:激励频率与复电阻率的幅值和相位呈负相关关系,在频率小于1 000 Hz时黄土的复电阻率的幅值和相位波动较大,超过1 000 Hz时会逐渐趋于稳定;随着基质吸力的升高,黄土的幅值、实部电阻率和虚部电阻率也逐渐增大,其相关性受通电频率的大小影响;黄土电容量与介电常数随基质吸力的升高逐渐减小;利用实部电阻率和虚部电阻率建立了黄土饱和度复电阻率模型,模型可用于黄土水分变化的监测。研究结果为利用黄土的频散特性进行黄土地质灾害监测提供了新的方法和思路。

煤柱失稳条件下浅埋房柱式采空区上覆地层变形特征

在煤柱失稳引起房柱式采空区顶板变形但未塌落的情况下,地表产生较大变形,威胁地面建筑物的安全.采用物理模拟和理论分析研究该条件下房柱式采空区上覆地层变形的发育机制,结果表明,房柱式采空区煤柱失稳后地表最大变形点与初期失稳煤柱位置、采空区顶板裂缝处三者在竖直方向上相对应;在采空区顶板变形但未塌落的情况下覆岩变形可划分为“条带状”、“梯形状”和“漏斗型”变形区域.松散层变形为“漏斗型”发育;采空区顶板发生断裂前可视为均布荷载作用下的固支梁模型.在煤柱失稳条件下,岩梁跨中下表面拉应力区产生竖向裂缝,并垂直向上扩展,煤柱的持续失稳会导致岩梁沿原裂缝薄弱面发生破坏,最终导致岩梁发生拉破断.基岩变形发展至交界面时,松散层逐渐发生滑移-拉裂-剪切破坏,最终形成“漏斗型”破坏形态.

基于图像处理的Q_3黄土的微观结构变化研究

黄土地质灾害的发生与黄土的微结构特征息息相关。针对黄土微结构图像定量分析中存在的问题,对原状及循环荷载作用后Q3黄土的微观结构特征进行研究。首先探讨SEM图像处理中的降噪和分割方法,将Lee图像增强算法应用于图像的降噪处理,将FCM聚类方法应用于灰度图像的分割,在此基础上计算循环荷载作用前后Q3黄土的孔隙面积、孔径、圆度、形态比等参数。结果表明:(1)通过SEM图像表观特征的分析可知,在动应力的作用下,大孔隙数目减少,颗粒排列逐渐密实,接触关系也逐渐由点接触变为面接触;(2)通过对孔隙面积、数量变化的分析可知,循环荷载产生的变形主要由于大孔隙破坏造成;(3)通过对孔隙定向分布特征的研究可知,原状黄土的孔隙具有定向特性,在循环荷载的作用下,孔隙的定向性发生改变;(4)通过对孔隙形状分布特征的研究可知,在动应力作用下,土颗粒发生转动,部分孔隙连通性受损。本研究可为揭示土体宏观受力的变形机制提供依据。

灌溉引起地下水位上升对斜坡稳定性的影响——以甘肃黑方台为例

灌溉诱发黄土滑坡是黄土高原地区一种常见的地质灾害,其实质是地下水位上升,引起黄土基质吸力下降,强度降低,最终导致黄土斜坡失稳的过程。以甘肃黑方台典型黄土斜坡为例,在非饱和土特性试验基础上,通过饱和-非饱和渗流分析,研究了地下水位上升引起的黄土斜坡内部渗流场的变化特征,探讨了地下水位变化对斜坡稳定性的影响。结果表明:地下水位上升,对斜坡内部孔压分布影响较大;地下水位上升,导致饱和区域增大,非饱和区基质吸力降低;斜坡内部基质吸力的降低与地下水位呈线性关系。以渗流分析为基础,对典型斜坡进行了极限平衡分析,结果表明,地下水位上升与稳定性系数下降基本上呈线性关系,在距离坡顶100 m位置的黄土层中地下水位约21 m时,边坡出现失稳。

循环荷载作用下黄土边坡变形研究

通过室内不排水动三轴试验,研究列车循环荷载长期作用下,Q3黄土的动强度以及动应力–动应变关系。结果表明,Q3黄土动应变随动应力及振动次数的增加而增大,动弹性模量随动应变增大逐渐减小,动强度随循环次数的增加而降低。在此基础上,建立黄土边坡的动力分析模型,分析机车振动荷载作用下边坡的变形规律。结果表明,边坡位移随时间的增大而增大,下边坡的变形量要远远大于上边坡的变形量,边坡位移表现为一个非稳定的变形过程;由于机车荷载的作用,黄土的动强度下降,从而造成边坡的稳定性降低,相对于上边坡而言,下边坡更易失稳。

黑方台黄土崩解性试验研究

为研究黄土的崩解特性,探讨黄土崩解机理,以黑方台马兰黄土为研究对象,通过自制的黄土崩解装置,对该地区原状黄土进行了一系列的室内崩解试验。选择影响黄土崩解的土样尺寸、初始含水率、水温、酸碱度、盐度5种因素,采用控制变量法逐一进行崩解测试,记录崩解的整个过程,绘制崩解曲线,求出对应的崩解速率,进行拟合,得到崩解速率与各变量间的关系。试验发现,该黄土的崩解过程可以划分为浸湿、软化和塌落3个阶段,前两个阶段持续的时间较短且崩解很弱,崩解主要集中在第3个阶段。由各组崩解曲线得出黄土的崩解速率与水温呈正相关,与土样尺寸、初始含水率呈负相关;pH值介于5.5~6.5以及9.5~10.5时,黄土的崩解速率较高;而盐度对黄土的崩解速率影响不大。此外,黄土的崩解特征与自身的结构、颗粒成分、胶结物等密切相关。

水泥-黄土注浆充填材料的试验研究

采空区危害巨大,目前主要采用注浆充填方式进行处置。水泥-粉煤灰浆液在采空区治理中得到了广泛的应用,但在一些采空区治理工程中,由于缺乏粉煤灰,需要寻找其他低成本的注浆材料。水泥-黄土浆液具有就地取材、工艺简单等优势,是替代水泥-粉煤灰浆液的首选。本文以陕西泾阳、甘肃兰州、山西吕梁黄土为研究对象,通过大量水泥-黄土浆液黏度、结石率、凝结时间、结石体强度等性质的试验,研究了水泥掺量、水固比、黄土类型、水玻璃掺量等因素对水泥-黄土浆液性质及其结石体强度的影响。试验结果表明:随黄土掺量的增加,结石体强度、浆体流动性降低,而凝结时间延长;水泥-黄土浆液结石体早期强度较低,而后期强度增长较大;黄土的地域性分布,造成水泥-黄土浆液性质差异较大,黄土的粒径越粗,结石体的强度越高;与离石黄土浆液相比,马兰黄土浆液性能稳定,强度较高,更适宜于采空区充填注浆;水玻璃的掺入,使浆液黏度增大,结石率提高,凝结时间缩短,强度减小。本研究成果为采空区注浆设计和施工提供了新的思路。

吕梁机场黄土滑坡特征及其三维稳定性分析

吕梁机场滑坡是机场建设前期发现的一处大型黄土滑坡,由于滑坡的东北侧为机场主跑道,因此,该滑坡对机场建设以及建成后的运营存在较大的影响。在详细的工程地质勘察和测试分析工作基础上,首先,分析了滑坡的特征和形成机制,进而评价了滑坡的稳定性;其次,通过勘察认为该滑坡为黄土层内发育的多层滑坡,在地貌上呈3级台阶,主滑坡滑动面位于离石黄土的古土壤层内;最后,利用GIS建立了滑坡的三维地质模型,并采用极限平衡法和强度折减法分析,分别评价了吕梁机场滑坡不同滑体的稳定性。三维极限平衡结果表明:该滑坡大多数分级、分块滑体在天然状态下处于稳定、基本稳定状态,强度折减分析得到的整个滑坡的安全系数为1.26,最危险区域出现在II级滑坡后缘以及I-3滑坡,在上部加载或降雨情况下有可能再次发生滑动。总之,三维稳定性分析可以更真实地反映滑坡的真实状态,尤其是对于条件复杂的滑坡。

基于斜坡单元的区域斜坡稳定性评价方法

为对大范围区域斜坡的稳定性进行有效、定量的评价,提出一个耦合二维力学分析模型的区域斜坡稳定性评价方法。选择宝鸡市金台区的一段黄土沟谷作为研究区,对文章提出的方法进行验证。首先,利用GIS实现斜坡单元的划分;然后,利用钻探及调查得到的地层数据形成区域的多层Grid模型;在此基础上,开发程序,完成计算剖面生成、滑面搜索、稳定性评价等工作;最后,根据各单元的稳定性系数,生成区域斜坡稳定性分区图。这种方法以二维极限平衡方法为基础,即可得到研究区域的二维安全系数分布图,又可求得最危险滑动面的位置和规模。

均质土体滑坡运动规律分析

目的研究均质土体滑坡(已知后缘裂缝位置,未知前缘剪出口位置)运动规律。方法基于能量守恒定律并运用变分原理。结果推导出了不考虑孔隙水压力和考虑孔隙水压力情况下均质土体滑动的轨迹方程、滑速方程和滑距方程;以甘肃盐锅峡八盘峡库区的黑方台焦家崖头黄土滑坡为例验证推导,结果与实际情况基本一致。结论推导出的均质土体滑坡滑动轨迹、滑速、滑距方程精度高,适应滑坡剪出口未知情况,有推广价值。

基于支持向量机的Q_3黄土孔隙微观结构研究

为了解决利用黄土SEM图像提取孔隙参数的问题,将孔隙区域的提取问题转化为孔隙像素点的分类问题,通过把整个图像的像素点分为孔隙点和骨架点,从而实现孔隙的提取。利用这种方法,对潼关Q3黄土震陷试验前后的微结构图像进行处理,得到了动力作用前后的孔隙分布图,并计算了孔隙面积、面孔隙度、孔隙分形维数等参数,结果表明:震陷试验后大孔隙数量减小,中、小孔隙数量有所增加,震陷主要是由大孔隙破坏所致。

郑西客运专线黄土路基震陷研究

以郑(州)—西(安)高速铁路为例,选择潼关段为研究区,采集大量原状黄土样品,将合成的人工地震动输入到动三轴,进行了固结不排水的动三轴实验,估算了黄土路基的震陷量。建立了高速铁路黄土路基动力学数值模型,研究了50年10%和2%的超越概率水平的地震作用下黄土路基的永久变形,以及地基处理后黄土地基的永久变形。结果显示,沉降主要发生在Q3黄土中,强夯、DDC桩等地基处理措施可以有效的减少地基黄土的沉降变形,但是当处理深度不够时,在强地震作用下仍然可以产生较大沉降。研究成果为地基抗震处理提供了依据。

咸阳城市地质环境综合评价研究

地质环境质量的综合评价对城市环境管理规划有着重要意义。在系统分析影响咸阳城市地质环境质量因素的基础上,将信息扩散与模糊综合评价有机结合,提出了一种区域地质环境综合评价模型,并对咸阳城市规划区的地质环境进行了综合评价。这种评价模型充分考虑周围土地单元的致灾因子对地质环境质量的影响,并利用专家—层次分析法确定影响因子权重,采用模糊综合评价考虑了多因素对环境质量的影响。

循环荷载下压实黄土动强度特性研究

移山填沟进行新区建设或修建机场,是黄土地区应对建设用地不足而采取的一项新措施。进行压实黄土的动强度特性研究,对高烈度黄土地区大规模移山填沟具有重要的理论和现实意义。本文利用GDS振动三轴仪对吕梁压实黄土的动强度特性进行了研究,分析了含水率、干密度和加载频率对其动强度的影响规律。结果表明:压实黄土的动强度随含水率的增大而减小,随干密度和加载频率的增加而增大;含水率对压实黄土的动强度影响显著;压实黄土的动强度随着振次的增加而减小,用半对数坐标系下的直线方程拟合效果较好。

藏东南妥坝3^#堆积体滑坡特征及稳定性分析

近年来西部公路建设突飞猛进,而公路沿线滑坡灾害也频繁发生,因此有必要对其深入研究并进行相应的工程治理。基于藏东南妥坝3#滑坡的现场勘察、测试及室内试验,通过工程地质分析、有限元强度折减、敏感性分析、模拟开挖等多种方法,对该滑坡各种特征、成因及其稳定性因素进行了综合研究。结果表明:该滑坡体物质为多层堆积碎石土,滑带位于相对软弱的角砾土或粘性土含量较大的碎石土中;其运动特征为间隙性的牵引式低速滑动;滑带土抗剪强度参数、地下水位、坡脚开挖等是影响滑坡稳定安全的敏感因素;区域构造、地形及地层特征是滑坡发生的环境因素。滑坡成因为:坡脚开挖、河流侧蚀使临空面增大,改变了滑坡体的边界及荷载状态,坡体前缘应力集中,使边坡在重力的作用下失稳滑移,牵动坡体后部移动。高强度降水、季节性冻土融化造成坡体内地下水富集,含水范围扩大,地下水位抬升,增加了滑体的重量,软化滑带土层,降低了滑动面(带)的抗滑力,加剧了滑坡的形成和解体。

GIS在咸阳城市土地工程能力评价中的应用

目的 对城市土地工程能力进行评价,从而使城市规划、建设等决策行为更趋合理。方法 在咸阳城市工程地质条件分析的基础上,利用大量调查统计资料,进行了土地工程能力的经济评价,利用GIS强大的空间分析和处理功能,构建出土地工程评价的多元信息叠加模型,编制了咸阳城市土地工程能力系列图,建立了土地工程能力信息系统。结果 利用该系统所编制的咸阳城市工程能力系列图符合咸阳市的实际情况,并与前人所编制的图件结果一致,但精度更高。结论 所有图形数据的采集、分析、处理过程均在同一系统中完成,充分利用了现有资料,避免了因数据交换产生的误差,节约了系统开发周期和成本,适用于中小城市土地工程能力评价。

藏东南公路边坡开挖模拟及稳定性分析

以川藏公路某边坡为例,对路堑开挖进行模拟并分析了开挖前后边坡的稳定性。参照现场工程地质勘察及区域相关资料,恢复了公路修建前的原始地貌,据此建立计算模型。公路修筑的快速拉格朗日法模拟揭示了公路开挖后边坡内部应力分布规律、位移变化及边坡失稳过程。而强度折减法对开挖前后边坡的稳定性评价结果也表明路堑开挖是该边坡失稳的主要原因。

黄土路基震陷系数预测的模糊神经网络方法

以郑(州)-西(安)高速铁路为例,采集黄土样品,进行室内土工试验及动三轴震陷实验,以影响震陷系数主要因素为基础,建立了高速铁路黄土路基震陷系数的模糊神经网络模型,通过对样本的训练和预测,表明该模型预测的结果与动三轴试验震陷结果比较接近,是一种比较理想的预测方法。