基于高陡交填界面软弱带影响下黄土填方边坡失稳模式研究

近年来,我国黄土高原地区为了扩大土地可利用资源,开展了大范围的填沟造地、平山造城等工程建设。针对高陡原始坡-填方坡交填界面可能存在的灾变隐患开展了室内物理模型试验,发现黄土填方边坡在连续强降雨下会沿高陡交填界面发生整体滑移失稳。进一步通过有限元数值模拟对交填界面处无软弱带、不同软弱带厚度与弱化系数等工况进行了对比分析,证明了交填界面通过该处滋生的相对软弱带对填方边坡的稳定性产生影响,软弱带的不断发展在降低填方边坡稳定性系数的同时也改变了潜在最危险滑面的位置。设定的弱化系数对稳定性系数的影响可划分为3个阶段:无影响阶段、等速陡降控制阶段、等速缓降控制阶段;其中定义的“关键弱化系数”是对边坡稳定性开始产生影响的临界弱化系数,在实际工程中应采取相应措施来避免软弱带弱化系数降到其“关键弱化系数”之下。降雨诱发基于高陡交填界面软弱带影响下黄土填方边坡的失稳模式可归纳为:坡表侵蚀并形成冲沟→坡脚多级局部滑塌、交填界面软弱带逐步发展→土体沿交填界面滑移下错及坡脚剪出→剪切裂缝贯通、填方体整体滑移失稳。研究成果可为修筑在陡坡上的黄土填方边坡防灾减灾工作提供理论支撑。

不同压实度下黄土填方边坡失稳的模型试验研究

黄土填方边坡在降雨入渗下容易发生滑坡。为了探讨降雨入渗下压实度对黄土填方边坡变形破坏机制、失稳模式以及滑动机理的影响,基于室内降雨系统,结合传感器监测和三维激光扫描技术,开展了边坡压实度为80%(低压实度)、90%(中压实度)、95%(高压实度)的降雨模型试验研究,分析了压实度对填方边坡体积含水率、基质吸力以及变形破坏过程的影响规律。结果表明:压实度的不同,边坡首先破坏的位置不一。中、高压实度下的边坡最先破坏发生在坡脚处,表现出滑塌破坏;而低压实度则是在坡顶,为湿陷沉降破坏。边坡压实度越大,其变形破坏过程持续时间越长,所需累积雨量就越大,但滑动距离和滑面深度越小。随压实度的增加,边坡破坏模式由深层整体破坏向浅层多级破坏转变。低压实度边坡为湿陷沉降-深层蠕滑拉裂式,中压实度边坡为深层蠕滑拉裂式破坏,而高压实度边坡则为浅层多级后退式失稳。

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。

压实度对黄土填方边坡变形破坏特征的影响及细微观试验研究

压实度是影响黄土填方边坡稳定性的重要因素。目前很少有学者将宏观(模型试验)、细观(三轴试验)以及微观(扫描电镜试验)等手段联合起来研究压实黄土。为此开展了不同压实度下模型试验、等压固结不排水(isobaric consolidation undrained, ICU)试验和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)试验。分析了不同压实度下压实黄土的饱和强度、临界状态、孔隙水压力和峰值强度(u-q_(max))关系,同时也分析了不同压实度下微观孔隙结构特征,统计了不同孔隙类型个数、面积以及孔隙的平均面积、孔隙率和概率熵等。研究结果表明:饱和强度、临界状态线的斜率M值、u-q_(max)关系均随压实度的增大而增大。随着压实度增大,试样的孔隙个数增大,但孔隙面积减小,且微小孔隙决定了压实黄土的孔隙结构;平均孔隙面积、孔隙率随压实度增大而减小,而概率熵则随压实度增大而增加。黄土填方边坡中,增大填料的压实度可以提高土体的强度,减缓水分的入渗速率。在降雨情况下,增加土体压实度能在一定程度上提高黄土填方边坡的稳定性。

非钙基土壤固化剂加固机理及其应用性能研究进展

土地退化是危及人类生存与发展的重大问题,对土壤进行加固处理一直是国内外学者的研究热点。通过强夯、纤维加筋、土工格构等物理加固措施可以实现土体加固。然而,与物理加固相比,利用土壤固化剂对土壤进行化学加固具有强度高、成本低、污染小等优点,受到了众多研究者的关注。土壤固化剂可分为钙基固化剂和非钙基固化剂:传统的钙基固化剂(水泥、粉煤灰、石灰等)存在污染大、凝结时间长、破坏土壤功能等缺点,多用于道路、建筑等领域;而应用于荒漠化治理、边坡修复、水土保持等领域的土壤固化剂,除了要具有良好的固化性能以外,还需具备较好的生态性能,因此非钙基固化剂是这些应用领域的首要选择。按照化学成分,非钙基固化剂可分为聚合物类固化剂、生物酶类固化剂和离子类固化剂。各类固化剂的固化机理不同:聚合物类固化剂主要通过凝胶吸附、包裹、填充作用对土壤进行加固;生物酶类固化剂主要通过酶催化土壤颗粒表面阳离子与土壤有机质的离子交换反应进行加固;而离子类固化剂则是通过加速离子交换反应速率,降低土壤颗粒亲水性,以实现土壤加固。非钙基固化剂的应用性能分为工程性能和生态性能两个方面:工程性能主要体现为改善土壤的力学性质、提高土壤的抗侵蚀能力和抗变形能力;而生态性能主要体现在提高土壤的保水能力和间接促进植物生长的能力。本文总结了非钙基固化剂的研究进展,分类介绍了非钙基固化剂的固化机理,总结了非钙基固化剂的工程性能与生态性能的应用研究,并对非钙基固化剂未来的发展方向进行了展望。

改性纤维素和生石灰改良黄土的抗剪强度特性及微观结构试验研究

为了探讨改良黄土的抗剪强度特性及微观结构,开展了改性纤维素和生石灰改良黄土在不同含水率、压实度下的直剪试验,并对不同压实度下的改良黄土进行微观结构试验研究。试验结果表明:改良黄土的粘聚力和内摩擦角较重塑黄土均有提升,并受到压实度和含水量的影响,当压实度为90%时,纤维素改良黄土和石灰改良黄土粘聚力分别提高了87.86%和234.90%,内摩擦角分别提高了5.37%和14.02%。随压实度的增加,3种黄土大中孔隙数目占比逐渐减小,微小孔隙面积占比不断增多,且微小孔隙数目占比远大于大中孔隙,面孔隙率也随压实度的增大而减小,且与大中孔隙面积有关。在同一压实度下,改性纤维素改良黄土和石灰改良黄土较重塑黄土颗粒紧密接触,结构更加稳定;微小孔隙数目增加,而大中孔隙减小;面孔隙率也减小,以压实度90%为例,改性纤维素和石灰改良黄土分别减少了32.37%和43.10%,使得改良黄土抗剪强度提高、石灰改良最明显。研究成果可为黄土地区填方边坡土体改良提供技术支持。

旱獭(Marmota himalayana)掘洞对若尔盖盆地草地沙化的影响

若尔盖草原是中国高寒湿地发生大范围沙化的典型地区,喜马拉雅旱獭(Marmota himalayana)造成若尔盖草地主要鼠害,研究旱獭活动与若尔盖草地沙化之间的联系具有重要意义。通过划定研究区域,应用高分辨率无人机影像、数字高程数据、野外调查数据进行综合分析,探究了旱獭掘洞对若尔盖盆地草地沙化的影响。结果表明:沙斑的分布在海拔和坡度上具有明显的规律性,旱獭洞的分布与沙斑在海拔、坡度及坡向上具有高度的相似性。旱獭洞在沙斑内部及其周围和陡坎处呈现聚集现象,旱獭掘洞加剧了陡坎和凹坑边缘向未沙化草地一侧扩展。未沙化草地上的旱獭洞密度最小,随着草地沙化程度加深,并在极重度沙化之前,旱獭洞密度随之增加,当草地退化为流动沙地后,旱獭洞密度迅速减小。