黄土路基边坡降雨响应的试验研究

为了研究降雨入渗对黄土路基边坡孔隙水压力（吸力）、含水量、变形等的影响,选取甘肃平-定高速公路上某段9 m高的填方路基边坡进行了4场人工降雨模拟试验并持续现场监测一个月。监测结果表明：人工降雨模拟引起浅层土体（1m以上）吸力明显下降和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;另外雨水冲刷引起坡面冲沟发育,导致雨水入渗增大和土体强度的进一步衰减。压实度最小的坡脚处降雨引起的湿陷变形最大。在持续降雨的条件下,湿陷变形的发展会导致坡底的沉陷,最后发展为滑坍破坏。从减少雨水入渗,减小土体的强度损失以及控制湿陷变形等方面综合考虑,提高黄土路基边坡的压实度对防止降雨导致的边坡失稳具有重要意义。     

高分子稳定剂生态护坡机理及其应用

针对土质边坡坡面稳定性问题,从土体改性机理出发,采用高分子稳定剂对土质坡面进行生态护坡。对自主研制的高分子稳定剂改性土的强度、抗冲刷性和植被生长等进行了室内评价,通过室内试验和微观扫描深入分析了高分子稳定剂的生态护坡机理,并通过工程实例应用进一步验证了高分子稳定剂的生态护坡效果。结果表明:高分子稳定剂可以在较大程度上提高土体的强度和抗冲刷性,同时可以促进植被的生长;高分子稳定剂生态护坡机理是通过包裹土质边坡坡面的土颗粒形成网状膜结构,提高土体的强度和抗冲刷性等性能,给坡面植被提供良好的生长环境,从而达到生态护坡的效果;工程实例验证了高分子稳定剂应用于土质边坡生态护坡的可行性,为土质边坡坡面治理提供了一条有效的解决途径。     

不同河道形态岸坡抗冲刷能力的三维数值模拟分析

为了研究不同河道形态岸坡的抗冲刷问题,采用轴比λ定义了不同河道形态岸坡:当λ=0时,岸坡坡面形状为平面形;当λ=1/5、1/4、1/3、1/2时,岸坡坡面形状为椭圆形;当λ=1时,岸坡坡面形状为圆形。利用数值软件分析了不同形状岸坡坡角α、坡高h与岸坡抗冲刷能力F之间的关系。结果表明:1对平面形岸坡形状:当h不变时,岸坡抗冲刷能力F随岸坡坡角α的增大而呈现递减变化;当坡角α不变时,抗冲刷能力F随坡高h的增大而呈现递减变化。2对凹形岸坡形状(椭圆形、圆形):当λ、h不变时,岸坡抗冲刷能力F随坡角α的增大而呈现递减变化;当α、h不变时,岸坡抗冲刷能力F随轴比λ的增大呈现先增大后减小的变化。此分析结果可为小浪底库区岸坡形状优化提供参考。     

降雨条件下不同土壤类型的坡面径流侵蚀产沙试验研究

利用人工模拟降雨试验,研究我国最具代表的4种侵蚀性土壤,即红壤、紫色土、黑土和黄土,降雨雨强和坡度对坡面径流侵蚀产沙的影响以及坡面径流与侵蚀产沙的相关性,结果表明,4种土壤的坡面平均产沙强度均随降雨雨强和坡度的增大而增大,其抗侵蚀能力大小依次为紫色土、红壤、黑土和黄土;对人工模拟降雨试验坡面平均产沙强度进行二因素方差分析,计算所得的P值均小于0.05,说明降雨雨强和坡度对坡面侵蚀产沙强度的影响显著;分析4种土壤坡面侵蚀产沙与径流的关系,得出坡面产沙强度随径流强度的增大而增大,且两者之间存在较好的幂函数关系。     

济南城区不同下垫面雨水径流水质变化规律研究

了解径流水质变化规律是控制与治理径流污染实现雨水资源化的前提和基础.通过对济南城区不同下垫面多次降雨事件不同降雨历时的雨水径流进行采样并检测,分析了济南雨水径流的水质特性、雨水径流冲刷规律及其主要影响因素.试验结果表明:不同下垫面雨水径流水质差异大,初期径流中污染物质含量高,随降 雨历时的延长径流中污染物浓度迅速降低,径流水质受局部环境影响明显,SS与CODCr 、TP、TN等污染指标具有较好的正相关性等特性,并模拟得出济南不同下垫面径流污染物浓度变化模型,分析了初始径流中的污染物浓度、综合冲刷系数K等影响冲刷规律的主要因素,提出了雨水水质控制与利用的建议.     

降雨循环条件下高切坡稳定性演化过程及预测方法

为进一步揭示降雨循环条件下基岩型台阶状高切坡的降雨入渗及稳定性演化过程,以乐西高速马边至昭觉段某粉质黏土覆盖层基岩型台阶状高切坡为研究对象,通过室内干湿循环试验建立土体抗剪强度参数劣化数学模型;利用Geo-studio数值模拟软件研究多工况降雨循环下高切坡降雨入渗过程,揭示不同降雨循环工况下及雨后高切坡内部渗流场及稳定性变化规律,建立降雨型高切坡稳定系数逐年劣化方程;结合室内试验及数值模拟结果,建立该类高切坡稳定系数预测方法。研究结果表明：降雨入渗过程中高切坡潜在滑移面形状及位置并不发生明显变化,且表现为高切坡深处圆弧面及基岩积水面的组合型滑面;相同降雨时间内,高切坡降雨入渗深度及稳定性劣化幅度与降雨强度成正相关;单次降雨循环周期内,高切坡稳定性劣化幅度与降雨循环次数成负相关;高切坡降雨入渗深度或入渗总量越大,雨后高切坡稳定系数回升越小;高切坡稳定系数劣化系数采用土体抗剪强度参数劣化系数平均值较为安全合理,所建降雨型高切坡稳定系数预测方法具有较高的精度。     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。     

降雨对宝日希勒排土场边坡侵蚀的数值模拟

降雨对宝日希勒露天矿排土场产生侵蚀破坏作用,部分排土场边坡产生滑坡,形成侵蚀沟。根据宝日希勒排土场实际情况,利用ABAQUS软件对排土场顶层边坡进行数值模拟,研究不同降雨强度对排土场边坡土壤侵蚀的情况。结果表明:(1)在任何降雨强度下,从降雨初期雨水在排土场边坡就开始入渗,入渗能力下降时便开始形成表层流,表层流对排土场的侵蚀最先发生的位置均位于坡面中部和上部;(2)表层流对坡面侵蚀的时间长度随降雨强度增大而增加,坡面侵蚀程度随着降雨强度增大而加重;(3)暴雨天气时,不同降雨强度对边坡产生破坏的时间不同,随着降雨强度增加,边坡越早受到侵蚀破坏。研究结果可为揭示降雨对排土场土壤的侵蚀规律提供参考。     

含水量对砂性土边坡稳定性的影响试验研究

为研究含水量对砂性土边坡稳定性的影响,以降雨强度、坡体密度和初始含水量为主要影响因素,设计了一组正交试验,统计了边坡破坏时坡体的含水量,给出了砂性土边坡失稳含水量的临界值,为了便于分析,选取100min时的坡体含水量作为因变量,对影响边坡稳定性的因素进行了正交敏感性分析。研究结果表明:针对45°砂性土边坡,含水率大于45%时,易发生滑坡灾害;砂性土边坡100min时的含水量与降雨强度成正比,与坡体土密度成反比,并随着初始含水量的增大而出现先减小后增加的趋势,就含水量而言,砂性土边坡稳定性最不利的因素组合为强降雨、低密度和高初始含水量。     

不同土地利用方式坡面产流输沙过程模拟研究

针对目前多数坡面侵蚀预测模型难以模拟土地利用变化对坡面产流输沙过程影响的问题,基于运动波方程和泥沙输移公式,给出了一种能够反映不同土地利用方式下坡面产流输沙时空变化的简化模型,并利用裸地、草地、坡耕地、灌木地及幼林地的试验及自然降雨条件下坡面产流输沙实测资料对模型进行验证,符合较好.利用该模型对黄土高原不同降雨条件下不同土地利用场景坡面产流输沙特征进行了模拟,结果表明:典型降雨条件下,5 a树龄以上的林地或覆盖度在60％以上的草地坡面标准小区基本不再发生侵蚀;坡度小于15°的裸地坡面中下部发生轻度侵蚀;十年一遇降雨条件下,10 a树龄以上的林地坡面土壤侵蚀基本得到控制,而草地调控坡面水沙的能力有限,裸地更差.对低强度短历时降雨,草地调控水沙的见效较快;对高强度长历时降雨,林地调控水沙的作用较大,两者宜配合进行;对不同坡度裸地,要严格控制坡面坡长.研究结果为优化土地利用方式提供了理论支撑.     

堤基侵蚀型管涌的砂槽试验研究

堤基侵蚀型管涌是汛期堤防工程中常见的一种渗透变形现象,其发生完全位于堤基或坝体内部,通常不易被发现,难以及时采取相应措施予以控制。同时,随着侵蚀型管涌的发展,堤基进一步会产生不均匀沉降,最终威胁大坝的安全,因而其发展机理和破坏特性的研究一直是国内外研究的热点和难点。为探究堤基侵蚀型管涌的发生发展过程及破坏规律,通过引入多色填充砂示踪方法实现了对土样中填充细料颗粒运移的顺序和方向进行判别,从而更直观地揭示管涌发展过程。根据不同管涌土判别方法选取了三种间断级配的土样进行侵蚀型管涌双层堤基砂槽模型试验,并对现有管涌土判别方法的有效性进行了比较。同时考虑变水头条件和土料级配两种因素对管涌侵蚀结果的影响,分析“扰动”作用与管涌发展的关系。通过研究表明：侵蚀型管涌破坏始于管涌口周围的细料流失,随着渗透侵蚀的发展,细料起动和流失位置均逐渐向上游发展;侵蚀过程中细料的流失具有明显的渐进性,而细料起动可以发生在侵蚀范围之外;外部因素或渗流稳定因素造成的“扰动”作用对侵蚀型管涌过程具有促进作用。     

含泥量对填砂路基动态模量的影响

为掌握含泥量对填砂路基动态模量的影响规律,先通过现场便携式落锤式弯沉仪（PFWD ）试验与压实度试验,分析了含泥量与填砂路基动弹性弹模量的关系;再结合现场检测数据,建立了动态模量随压实度、稠度和含泥量变化的回归模型;最后,结合现场检测与室内PFWD试验结果,提出了填砂路基含泥量的控制标准。研究表明：现场检测路段填砂路基含泥量绝大部分在3．0％～5．5％之间,现场动态模量随含泥量增大而减少,二者具有良好的幂函数回归关系;现场的动态模量与压实度、稠度和含泥量也具有良好的回归关系;当含泥量为0～10％时,随着含泥量的增加,路基动态模量呈先增大后减小的趋势。当含泥量较小（含泥量小于3％）和较大（含泥量大于8％）时,其动态模量要明显小于其他含泥量下的动态模量。当含泥量在3％～8％范围时,动态模量变化幅度较小,故建议含泥量的控制标准为3％～8％。     

桩承式路堤土拱效应颗粒流分析

土拱效应是桩承式路堤中荷载传递机制中的关键因素。参照前人室内模型试验,采用颗粒流软件PFC2D建立离散元（DEM ）数值模型,对桩承式路堤中的接触力分布、主应力偏转、竖向位移和侧向位移等进行深入分析。模拟中,路堤填料和桩间土采用Disk单元模拟,桩和模型箱采用Wall单元模拟,路堤DEM 模型采用分层压实法生成;路堤填料细观参数通过建立数值双轴试验进行标定,桩间土细观参数通过建立数值压缩试验进行标定。模拟结果表明：桩承式路堤中土拱由多个不同圆心的半球形拱共同组成,拱的高度约为5（ s－ a）／6;在该高度内路堤中的主应力发生明显偏转,竖向位移量和侧向位移量较大。     

土工离心模型试验中路堤分层填筑装置的研制

为了完善土工离心模型试验中的路堤填筑模拟技术,研制了一套在离心机运转条件下可编程控制的路堤分层填筑装置,其由箱式储砂结构、泄砂推拉机构、步进电机控制系统和摄像系统组成. 采用步进电机-行星减速器-滚珠丝杠的组合方案实现大扭矩、高精度动力输出,使低摩阻、小变形的泄砂层与上部储砂结构前后错动,分隔于储砂结构内的高密度锆砂经承力底板上不等径、不等距泄砂孔定量下泄;通过在泄砂孔边缘加装折线形导流板,显著减弱离心场中Coriolis效应对下泄砂粒运动轨迹的影响,降落至地基面预设区的砂粒分层堆积为形状规整的路堤. 试验表明,研制的填筑装置在60g离心加速度下,能模拟最小分层厚度20 mm的路堤填筑过程,模型横断面与设计面积相对误差为0.50%~9.50%,实现了模型与原型路堤在几何、密度和强度等方面的相似,具有系统可靠、结构紧凑、功能完整等技术特点.     

基于能量守恒理论的波浪侵蚀土质岸坡范围预测方法

波浪对三峡库区土质岸坡的侵蚀极大影响了库区生态与地质环境安全,预测波浪对岸坡的侵蚀范围将是库区防灾减灾工作的重要措施,然而现有的侵蚀预测主要是以经验方法为主,难以获得准确的结果。为此,采用能量守恒理论,考虑波浪上爬过程中的层厚及流速变化,分别构建波浪上爬势能方程与摩擦耗能方程,最终联立建立波浪作用土质岸坡侵蚀范围预测方程。为获取预测方程的关键参数,开展波浪上爬岸坡模型试验,研究波浪上爬岸坡时的流速、层厚及爬高变化规律;为验证侵蚀范围预测方程的可靠性,开展波浪侵蚀岸坡模型试验,获取土质岸坡侵蚀演化进程。波浪上爬模型试验结果表明：岸坡坡度越大,则波浪爬高越大,爬坡水流厚度也随之增大,但爬坡水流流速随之减小;根据试验结果获取了水流厚度参数与流速参数的分布区间,构建了水流厚度参数、流速参数与岸坡坡度间的关系方程。波浪侵蚀岸坡模型试验结果表明：土体干密度越大,岸坡的抗侵蚀能力越强,且岸坡达到最终稳态所需的时间越长;碎石含量越多,岸坡的抗侵蚀能力越强,由于碎石护面作用使得岸坡侵蚀稳定的时间缩短;将岸坡侵蚀稳定终态结果与预测方程结果进行了对比,验证了本文提出的侵蚀范围预测方程是可靠的。本文提出的波浪侵蚀范围预测方程可广泛应用于国内外水库土质岸坡的侵蚀灾害防治工作中。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48 cm,浅层强透水层上覆砂层被“击穿”发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段（0.05 < d ≤ 0.075粒级砂土流失）、较细颗粒流失阶段（0.075 < d ≤ 0.1粒级砂土流失）、管涌破坏扩大阶段（0.1 < d ≤ 0.25粒级砂土流失）。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

含裂缝砾石土防渗料的反滤试验

当砾石土防渗体出现裂缝时,土石坝防渗体的抗渗能力主要依赖于反滤料对防渗料的保护。利用自行研制的环状径向渗透仪,采用不同级配反滤料与含有不同裂缝长度的砾石土防渗料组合进行反滤试验研究。根据断面平均渗透系数的变化规律探讨砾石土防渗料裂缝自愈的条件和机理,提出了裂缝砾石土在反滤料保护下进行渗流量计算的初步方法。研究表明,含裂缝砾石土的渗透性随裂缝长度的增大而增大,但裂缝长度及裂缝的存在与否对砾石土的自愈和次生反滤层的形成无影响。含裂缝砾石土防渗料比含裂缝普通粘土防渗料的抗渗强度高。次生反滤层形成时的水力坡降随反滤料特征粒径D20的减小而增大。计算含裂缝砾石土的渗流量时应考虑裂缝面周围松动带范围及其渗透性。     

表层沙强度特性的试验研究

本项研究利用土壤动态三轴仪对表层沙的强度特性进行了试验分析,测出其应力应变关系和强度参数φ、c,并分析了颗粒级配、含水量、密度和动态载荷对强度特性的影响,建立了浅层沙的Duncan-Chang应力应变模型,为车辆行走机构与沙相互作用的力学计算分析提供了重要的资料。     

桩承式路堤中土拱效应演变规律宏细观研究

基于桩承式路堤平面土拱效应研究的室内模型试验,采用PFC2D软件建立桩承式路堤颗粒流数值分析模型,通过与试验结果对比验证了该数值分析模型的正确性。首先,基于路堤自重应力荷载作用下的颗粒流数值模拟结果,验证了平面土拱效应内拱与外拱高度理论计算公式的正确性。然后从路堤中竖向应力的分布规律、应力缩减比的变化规律以及路堤中接触力的分布规律三个角度分析了路堤表面外加荷载作用下桩承式路堤中土拱效应的演变规律。研究发现：当路堤表面外加荷载由10 kPa增大至40 kPa时,桩承式路堤中的土拱效应发挥稳定;当路堤表面外加荷载由40 kPa增大至100 kPa时,桩承式路堤中的土拱结构发生了退化并有新的土拱结构形成,在宏观上表现为软土承担竖向荷载的分担比呈现增大的趋势。     

Effect of geogrid reinforcement on soft and medium dense soils

The field tests were carried out to examine the reinforcement effect of a geogrid on various conditions of embankment height, the number of passages of vibratory roller, the number of reinforced layer of geogrid, and soil properties. The test results of the dynamic earth pressure indicate that the soil reinforced by geogrid is very effective to increase the stiffness of soil, especially in soft soil. The dynamic earth pressure ratio, which is defined as the ratio of dynamic earth pressure to self weight of soils, exponentially decreases as the embankment height increases. The dynamic earth pressure ratio increases up to 80% for soft soils reinforced by both one layer of geogrid in place of no reinforced soils and two layers in place of a single layer of geogrid.