不同初始状态下黄土的平面应变卸载力学特性

针对于黄土工程中的平面应变卸载问题,利用平面应变改造后的真三轴仪,开展了不同初始状态(原状、重塑和饱和)黄土在不同固结围压和含水率条件下的平面应变卸载试验,揭示了不同初始状态黄土的应力-应变演化关系、中主应力特性和强度特性。研究结果表明,不同初始状态黄土的应力-应变曲线在低含水率和低围压条件下呈现理想塑性,随着固结围压和含水率增大,从弱硬化型向强硬化型转变;黄土的不同初始状态对应力-应变关系演化特性影响较大,原状黄土曲线最高,重塑黄土次之,饱和黄土最低;固结围压越大、含水率越低,初始切线斜率越大,应力应变曲线越高,土的强度发挥越快。原状和饱和黄土的中主应力和中主应力参数均先减小后增大,衰减幅度大,增长幅度小,中主应力参数的增长幅度要大于中主应力;重塑黄土的中主应力和中主应力参数则先减小后基本保持稳定。平面应变卸载条件下不同初始状态黄土的黏聚力和内摩擦角均随含水率增大近似呈现线性减小;不同初始状态对土黏聚力的影响要明显大于内摩擦角。原状黄土在低围压和低含水率条件下沿着剪切带形成明显的侧向滑移破坏,其余条件下均发生测胀破坏。

软塑黄土层对浅埋黄土超大断面隧道围岩变形的影响

为解决在建西延高铁洛川隧道长大距离穿软塑黄土层施工中存在的问题,进行围岩变形数值模拟分析,建立三台阶预留核心土法施工模型,软塑黄土层分布在拱顶、边墙、拱底时,不同层厚(1、3、5 m)对拱顶下沉及拱腰收敛变形产生影响,结合监控量测数据提出合理的变形控制措施。研究结果表明:(1)对软塑黄土层不同分布以及不同厚度工况下围岩位移进行对比,发现软塑黄土层的存在增大了围岩位移,软塑黄土层分布较其厚度影响更明显,当软塑黄土层位于隧道拱顶上方且厚度为5 m时,影响最大。(2)浅埋软塑黄土隧道在超前管棚作用下,围岩竖向位移与水平位移相较于无管棚超前支护时位移减小,在穿软塑黄土层施工时要及时做好防护。(3)拱顶下沉及拱腰收敛随开挖均呈断崖式急剧变形、持续缓慢变形和变形趋于平稳3个阶段。因此,实际施工时应及时开展开挖初期急剧变形阶段的变形控制,并加强围岩监控量测。

黄土情深

山西这片古老的黄土地,孕育了无数充满历史韵味的古村落。漫步在古村落中,仿佛能穿越时空,回到遥远的往昔。黄土高原上的风轻轻吹过,带走了尘世的喧嚣,留下了岁月的痕迹。黄土高原上散落着众多古村落,布局独特而又和谐,依山就势,错落有致。黄土砌成的墙体,历经风雨洗礼,依旧坚固如初。漫步在村间的小道上,脚下是踩得硬实的黄土路,两旁是斑驳的老树和古朴的民居,一砖一瓦、一石一木都散发着历史的气息,无一不让人感受到这片土地的厚重与深沉。

黄土高原古气候变化定量重建的新进展

中国黄土-红黏土沉积是可与深海沉积媲美的陆相沉积载体,记录了晚新生代东亚大陆气候环境变化历史。基于中国黄土的多种理化指标,重建了黄土高原地区构造-千年尺度东亚季风变化历史,为探讨区域与全球气候的联系提供了关键证据。近年来,黄土高原古气候变化研究逐步从定性描述拓展到定量重建,本文旨在回顾基于中国黄土定量重建古温度和古降雨变化取得的重要进展。首先,梳理了古气候要素定量重建的指标和方法,古温度重建指标包括植硅体、碳酸盐耦合同位素、微生物脂类代用指标等;古降水变化敏感指标包括磁化率、白云石/方解石含量、生物微钙体Sr/Ca比值、有机碳同位素以及^(10)Be等。然后,汇总了典型黄土剖面定量重建的古气候变化序列,分别从构造、轨道及千年时间尺度上探讨了古温度和古降雨的变化特征。结果表明,基于生标重建的不同时间跨度的土壤古温度变化序列,在冰期—间冰期尺度上的波动特征基本一致,但在冰盛期—冰消期时段出现了增温超前现象,说明陆地植被对土壤温度变化有重要调制作用。然而,不同指标重建的降水变化幅度差异较大,主导周期也存在差异,说明定量重建降水变化仍有较大挑战。最后,简要总结了黄土高原古气候定量重建存在的问题,明确了区分温度和降水季节性变化的重要性,指出加强地质记录与模拟结果的对比同化,将有助深化对多尺度季风变化动力学的理解。

2023年积石山6.2级地震诱发大规模黄土液化流滑的特征与启示

2023年12月18日23时59分,甘肃省积石山县发生了6.2级地震,震中位于北纬35.7°,东经102.79°,震源深度10 km。本次地震在距震中约20 km的青海省海东市民和县永川乡金田村和草滩村二级阶地黄土台塬地貌下引发了长2.5 km的大规模液化流滑灾害,引起了国内外的高度关注。笔者在震后立即对该液化流滑灾害和地震动特征进行了现场联合调查,基于现场考察、无人机现场勘测、钻孔勘探、电法探测、参考历史同类灾害的前期研究成果等手段,初步查明了液化流滑的特征与机理。结果表明,该液化流滑是由于地震触发11 m深度以下地下水饱和的黄土层大面积液化,上覆土体随液化土体沿液化层带顺着2°~3.5°的缓斜坡方向流滑进入冲沟,然后,沿坡度为1.5°~5°的冲沟向下游继续流滑。在流滑过程中,液化土体中喷涌出的大量水与上覆土体中高含水率表层土中的水不断与流滑土体搅合揉搓使得流滑混合体在到达冲沟中下部的拦洪坝之前,已经演化为泥流。在遇到拦洪坝受阻漫溢到左右两岸的同时,泥流转而也进入了左侧另一条相邻冲沟一定距离,最终拦洪坝溃坝,泥流继续下泄到了金田村和草滩村,造成两村51户房屋被埋或冲毁,20余人死亡,泥流最终停止于两村下游约317 m处。并在结论中得到了评估与减轻此类灾害风险的启示。

黄土梁峁地形大采高煤层开采地表移动规律数值模拟研究

相较于平原地区,黄土梁峁地形下的煤层开采地表移动特征存在明显不同。为分析并揭示梁峁地形下煤层开采地表沉陷异常形变机理,结合现场实测与数值模拟手段,以山西某矿1313工作面为研究对象,对黄土梁峁地形大采高综放开采引起的地表沉陷进行了现场实测,分析了地表移动特征及相关参数取值;利用Rhino软件建立考虑地形的三维模型,导入离散单元法软件3DEC进行数值模拟计算,分析了开采过程中的岩层移动以及梁峁内部塑性破坏演变。研究表明:1313工作面地表移动剧烈,地表下沉起动距小于30 m,超前影响距为73 m,超前影响角为68.7°,走向边界角与上山边界角为40.3°,走向移动角与上山移动角为37.8°,以水平拉伸变形2 mm/m为移动边界的危险移动范围明显大于以下沉值10 mm确定的地表移动盆地范围;利用数值模拟分析黄土梁峁采动滑移过程发现,当工作面自开切眼沿走向回采30 m时,采空区周围岩体应力平衡被打破,顶板在自重以及上覆岩层的载荷作用下产生剪切破坏,采空区周边岩体发生塑性屈服,当工作面回采到120 m时,煤层处于非充分开采阶段,梁峁底部岩体剪切破坏带出现贯通现象,坡体在重力作用下发生向邻空侧的剪切滑移,相较于地表坡度15°的截面,地表坡度18°和22°的截面X轴负方向最大水平移动提升了107.3%与246.5%。

高密度电法在黄土台塬地下水位探测中的应用

泾阳南塬属于黄土台塬,该地区由于农业灌溉导致地下水位逐年上升,从而诱发大范围的黄土滑坡灾害。为了查明台塬内地下水的波动情况,采用高密度电法,基于反演数据得到的电阻率随深度变化规律和钻孔得到的含水率随深度变化规律,初步推测了台塬地下水水位线的大致位置;为进一步精确推测水位线的埋深,利用DDC-6电子自动补偿仪进行室内黄土电阻率测量试验,建立了不同含水率与黄土电阻率之间的定量关系,确定了研究区黄土台塬地下水位线处黄土的电阻率为28.35Ω·m(即黄土液限处电阻率值),对应的含水率为30%。将室内试验结果和高密度电法反演数据相结合,并与钻孔实测的地下水位进行验证分析,不仅得到了研究区黄土台塬的地层结构、不同土层厚度、地下水位埋深等信息,还证实了室内黄土电阻率试验结果的可靠性,也验证了高密度电法在黄土地下水位探测中的有效性。结果可为泾阳南塬地下水位波动规律研究以及滑坡预测预警工作提供技术指导。

黄河流域-黄土高原水土保持与高质量发展:成效、问题与对策

水土保持是新时期山水林田湖草沙系统治理的核心,在保障黄土高原生态安全屏障方面具有重要作用.黄土高原地区自实施一系列生态治理工程以来,水土保持和生态建设等成绩斐然.基于长期监测及生态系统关键过程等研究基础,分析了黄土高原水土保持与生态治理的成效,剖析了水土保持高质量发展中存在的主要问题,主要表现在区域脆弱的生态环境仍未根本改变、生态系统稳定性仍面临巨大挑战、灾害风险依然较为严重、水土保持监管水平薄弱等方面.据此,从该地区水土保持与生态高质量发展角度出发,提出了未来黄土高原水土保持与高质量发展的若干对策建议,以更好地服务黄河流域生态保护和高质量发展的国家战略.

基于无人机倾斜摄影测量三维建模的区域黄土滑坡识别及特征分析

【研究目的】黄土滑坡是黄土地区人居与城镇建设安全的重大隐患。滑坡识别是滑坡灾害及其他研究工作的基础,因此基于无人机倾斜摄影测量三维建模从不同维度、不同视角直观快速地识别黄土滑坡并进行特征参数提取,能够为黄土滑坡风险识别及风险管理精细化研究提供技术支撑。【研究方法】以宁夏回族自治区固原市彭阳县红河镇西南部的黑牛沟村为研究区,采用无人机倾斜摄影测量数据获取、三维建模、现场验证结合地统计学分析,开展了区域黄土滑坡识别及其特征参数提取和分析。【研究结果】基于三维实景模型确定并分析研究区沟谷沿线地貌凹陷区是否存在陡壁及其周界形态,结合色调、纹理和微地貌等标志实现了黄土滑坡识别,共圈定了23个滑坡,结合现场验证移除2个非滑坡点,最终确定了21个滑坡;滑坡密集分布在主沟和支沟沟口,多呈对滑的形式出现在沟谷两侧且具有群发性;大型及特大型滑坡占比达到57.14%,滑坡的滑动方向主要以西南(阳坡)、东南(半阳坡)为主,相对高差集中在80~120 m,滑坡体坡形多呈凹形坡,滑坡体坡度主要集中在20°~30°;滑坡体土地利用类型主要为植被,其次为裸地,也有一部分为农田,道路和河流占比极少。【结论】基于无人机倾斜摄影测量构建的三维实景模型可从多维度、多视角精确快速地识别区域黄土滑坡,并分析其相关特征参数,能够弥补当前二维平面遥感影像存在的不足;还能够为滑坡易发性、危险性、易损性及风险评估等相关研究提供数据支撑。

末次冰期东海嵊山岛黄土粒度端元分析及其环境意义

【目的】东海岛屿晚更新世风尘黄土堆积是我国黄土在东部长三角及外延海域重要的拓展,深化这一区域风尘黄土沉积的物源特征和后期演化问题研究,对于认识晚更新世区域古环境变化尤为重要。【方法】在OSL测年和磁化率测试基础上,基于东海岛屿典型风尘黄土剖面(嵊山岛黄土)的粒度分析,开展了粒度组成的端元分析,探讨了其蕴含的古环境信息。【结果与结论】嵊山岛黄土沉积可提取出3个粒度端元(EM1~EM3),进一步分析发现EM1可能代表通过高空西风气流传输的远源黏粒组分,EM2可能代表以浮尘形式远距离悬浮搬运并随风力减弱而沉降堆积的细粉砂组分,EM3可能代表冬季风驱动下的近地表短距离搬运堆积的粗粉砂组分。粒度端元分析结果表明,高空西风输送的黏粒端元组分和远距离悬浮运移的浮尘端元组分可能是沉积剖面主要粉尘来源;综合年代学结果、百分频率磁化率和颗粒中值粒径等参数分析,认为东海嵊山岛黄土沉积过程在MIS3阶段先后经历暖湿—冷干—暖湿的旋回波动;并且,所记录的MIS3阶段气候波动以及MIS2阶段末次冰盛期和冰消期的古环境变化同深海氧同位素和古海平面变化趋势相对应,说明东海陆架区域该时期环境演变与全球性气候波动相协同。

土工格栅加筋粉煤灰改良黄土力学特性研究

随着西部黄土地区城镇化进程的加快,填挖结合的新增用地方式要求地基处理技术需要重点解决填方区的强度与变形问题。论文将粉煤灰作为改性填料对黄土进行改良,通过直剪试验、三轴试验、湿陷试验与扫描电镜试验,分析不同粉煤灰掺入比条件下加筋与未加筋黄土试样的强度变化规律、宏观破坏特征和微结构特征。结果表明:采用粉煤灰改良和土工格栅加筋后,黄土的最优含水率增大,最大干密度降低。当粉煤灰掺入比λ=20%时,加筋改良效果最好,黄土的峰值强度、残余强度和等效内摩擦角均有大幅提高,侧向变形显著减小,且能有效降低其湿陷性。微结构分析表明:粉煤灰对黄土的改良主要体现在颗粒直接填充和化学结晶体交织成的网状填充两种类型的强化作用,改良后黄土的孔隙率与孔隙尺寸均有所下降。研究结果可为黄土地区填方边坡与填方路基的改良加固提供参考。

考虑侧向刚柔边界约束的黄土填方路基沉降计算方法

提出一种新的考虑刚柔边界约束和侧向变形的黄土填方路基沉降计算方法。基于自主研发的三向加载设备和室内压缩试验,分析不同竖向加载方式和不同侧向约束对土体竖向及侧向变形的影响,提出考虑土体压实度和围压的边界影响系数,建立压实黄土侧向应变模型,给出考虑刚柔边界条件和侧向变形的黄土路基沉降计算方法。研究结果表明:边界影响系数与路基压实度和围压都呈正相关,且刚柔约束边界对黄土压缩性指标的影响程度最高能达到40%。提出的竖向和三向边界影响系数综合考虑了路基压实度、侧向围压以及边界条件的影响。利用工程实例验证了新模型计算方法的准确性和实用性,提高了传统分层总和法的精度。

黄土地基中能量桩群桩承载变形性状模型试验

基于室内缩尺试验研究了含能量桩群桩在4次冷热循环过程中的桩身热力学特性及桩基承载变形特性变化规律,分析冷热循环对桩土温度、承台沉降、桩顶荷载及桩身摩阻力的影响。试验结果表明:冷热循环过程中能量桩较浅位置处桩身及桩侧土温度始终高于较深处,热循环过程中能量桩的传热效率高于冷循环过程。冷热循环会使承台顶面的工作荷载及群桩中各基桩的桩顶荷载发生往复变化,相应地引起承台发生往复倾斜,热循环引起的承台倾斜稍大于冷循环。热循环引起的能量桩桩身上部摩阻力为负,下部为正,冷循环时则相反。

黄土基坑斜直桩支护结构受力及变形特性模型试验研究

为深入探究斜直桩支护的工作机理及变形特性,通过模型试验对比斜直桩和传统支护在开挖和降雨阶段桩顶位移、桩身弯矩及坑外沉降变化规律。研究结果表明:斜直桩受力及变形均小于悬臂和双排直桩,其极限挖深更大,对周边环境影响更小,其中内斜直支护性能最优。部分直桩改为斜桩可使受力更合理,除了受到弯剪还有拉压,有效提高支护刚度。降雨阶段下支护结构受力及变形增幅较开挖更大,还会引发土体塌陷、坑内外土体表面开裂等破坏。研究结果可为斜直桩黄土基坑施工风险防控提供参考。

黄土高原极端降水变化及其对植被覆盖度影响

全球变暖背景下,黄土高原极端降水事件频发,对社会经济及植被生态产生了重要影响,研究黄土高原极端降水变化特征及其对植被覆盖度(fractional vegetation cover,FVC)影响,可为生态环境保护和区域可持续发展提供科学支撑。基于2000—2020年黄土高原64个气象站点逐日降水数据和MODIS NDVI数据,采用趋势分析、相关分析等方法,分析了黄土高原地区极端降水和FVC时空变化特征及极端降水对FVC的影响。结果表明:2000—2020年黄土高原地区总降水量P_(RCPTOT)、中雨日数R_(10mm)、大雨日数R_(20mm)、强降水日数R_(25mm)和降水强度S_(DII)均呈显著上升趋势(P<0.05),区域西部和北部强降水总体增加,但区域南部呈干旱化。2000—2020年黄土高原FVC总体呈显著上升趋势(P<0.05),集中分布在区域中东部,占区域总面积的32.00%;显著下降趋势主要分布在南部少部分地区,仅占区域总面积的4.91%。2000—2020年黄土高原地区FVC与中雨日数R_(10mm)、大雨日数R_(20mm)、强降水日数R_(25mm)和降水强度S_(DII)以正相关关系为主,其中呈显著正相关的区域占比分别为22.33%、48.19%、14.36%和24.37%,主要分布在中部地区。研究认为近20年黄土高原极端降水和FVC同步增加,表现为极端降水促进植被生态改善的作用,但应注意极端降水研究中的时间尺度效应问题,即年尺度数据可能掩盖了短时间尺度上极端降水对FVC的破坏作用。

我国黄土高原地区地震动衰减关系研究的若干进展

地震动的衰减关系是指地震动随震级、距离和场地条件等变化的经验关系,近年来在我国亦被称为地震动预测方程,是估计地震动及其影响场的主要方法之一,在地震区划和重大工程场地地震安全性评价中被广泛应用。黄土是一种特殊土,在我国广泛分布。我国黄土高原地区地质构造复杂,新构造活动强烈,中强地震频发,地震动的衰减关系有其特殊性,总结我国黄土高原地区地震动衰减关系的研究成果对促进黄土高原地区抗震研究有重要意义。在简要介绍国内外地震动衰减关系研究的基础上,全面系统地总结我国学者在黄土高原地区的地震烈度衰减关系,基岩和土层场地地震动峰值加速度、峰值速度、峰值位移以及反应谱衰减关系方面的研究成果;评述和讨论在黄土覆盖地区地震动衰减研究领域存在的问题和今后的研究方向。文章的研究工作对从事黄土高原地区地震工程研究的科技人员有重要参考价值。

不同钙源EICP溶液改良路基黄土动力特性研究

由于黄土地区路基基床强度低,在长期动态压力下黄土会发生不均匀沉降、滑坡或坍塌等工程问题。为了使动荷载作用下的黄土强度更符合实际工程需要,有必要进一步研究不同钙源EICP溶液对黄土动强度的改良效果。本工作以陕西某基坑黄土为研究对象,在胶凝液中引入环保型木钙代替传统钙源进行技术改进,结合室内动三轴试验在不同围压下比较三种钙源EICP溶液对黄土的固化效果。结果表明:EICP溶液能显著提高黄土的动强度;同一围压下,黄土试样动应力和阻尼比随应变的增大逐渐升高,而动剪切模量随应变的增大逐渐降低;围压较小时,乙酸钙源EICP溶液对黄土动强度的改良效果较好,而当围压较大时,木钙源EICP溶液对黄土动强度的改良效果较好;同一试样所受围压越大,动强度和动剪切模量越大,阻尼比越小。

聚丙烯纤维加筋黄土边坡防护原位测试及改进策略

为了给加筋黄土边坡防护技术的大面积推广提供理论依据和参考,对聚丙烯纤维加筋黄土防护边坡的土壤含水率及边坡形态进行了持续6个月的原位测试,结果表明:聚丙烯纤维加筋黄土具有良好的边坡防护效果,加筋黄土防护边坡土壤含水率总体趋于稳定,不同土层土壤含水率平均变异系数比原状边坡降低10.89%,这得益于加筋黄土防护层形态总体维持完整,能够长期抵抗降雨、干湿循环、冻融循环等不利外部环境的持续影响;然而,聚丙烯纤维加筋黄土防护边坡上植被生长缓慢,且防护层与原状土体易分异脱离。提出了对加筋黄土进行保水改良、采用快速植生的多功能层设计和可操作性强的材料物理防脱技术等加筋黄土防护边坡的改进策略。

黄土区不同地貌类型耕地土壤养分空间格局及驱动因素

[目的]了解黄土区不同地貌条件耕地土壤养分空间格局,揭示养分空间变化的驱动因素,可为区域农业精准管理及农田工程建设提供参考。[方法]基于陕西黄土区2020年耕地土壤养分数据,采用克里金插值揭示4种不同地貌耕地土壤养分空间格局,采用地理探测器模型探讨养分空间变化的驱动因素作用。[结果](1)长城沿线风沙滩区、陕北黄土丘陵沟壑区、渭北黄土台塬区和关中平原区有机质(SOM)含量均值分别为10.20,10.08,15.28,18.78 g/kg,全氮(TN)均值分别为0.63,0.66,0.98,1.19 g/kg,有效磷(AP)均值分别为12.99,13.10,16.97,27.24 mg/kg,速效钾(AK)均值分别为117.72,149.94,217.27,252.83 mg/kg,各养分空间格局总体呈现出“风沙滩—丘陵沟壑—台塬—平原”逐渐递增的趋势;(2)日照时长对陕西黄土区整体养分含量解释力最大,其次为年气温与化肥用量,风沙滩区养分分布受土壤容重影响最大,丘陵沟壑区、台塬区及平原区均受化肥用量影响最大,排名前列的因子交互作用对养分的解释力均强于其单因子作用。[结论]风沙滩区及丘陵沟壑区宜适当增加养分输入及提升土壤保肥能力,台塬区及平原区宜注重提高养分利用效率;在农田建设过程中,应根据不同地貌区环境特征因地制宜地进行人为活动。

湿陷性黄土区输水隧洞盾构施工风险评估

为了提高针对湿陷性黄土区输水隧洞盾构法施工安全评估的可靠性,从人员管理、机械材料、施工技术、施工环境4个方面构建较为完善的施工安全风险评估指标体系;利用灰色-DEMATEL方法对中心度进行处理得到风险指标权重;以风险发生概率和风险损失程度两个维度为基础构建二维云评估模型,其中发生概率由主、客观方法相结合来确定,损失程度通过改进雷达图法从人员伤亡、经济损失、工期延误、功能缺陷和环境影响5个方面来综合确定。将该评估模型运用到引汉济渭工程X输水隧洞盾构法施工项目的安全评估中。结果表明:该项目施工风险评估等级为Ⅱ级,施工安全风险程度较小,评价结果符合工程实际,验证了该评估模型的可行性和有效性。研究成果可为湿陷性黄土区类似输水隧洞盾构法施工安全风险评估提供借鉴和参考。