土工构造物边坡冲刷临界坡度的研究

分析土工构造物边坡 (后面均简称为边坡 )冲刷防护必要性及目前边坡冲刷临界坡度研究存在的不足 ,针对这些不足 ,对边坡径流流速、水深做了较为细致的水力学分析 ,利用泥沙运动力学研究了坡面径流对土壤颗粒冲刷机理 ,得出各主要坡面冲刷影响因素 (降雨、坡顶汇流长度、坡长、坡顶坡面的粗糙系数、土粒比重与直径 )与冲刷临界坡度的函数关系 ,并认为该坡度不是一个常数 ,而是一个受这些因素影响的可变区间     

岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究

为了研究单轴压缩PFC^2D模型宏细观参数之间的关系及对其细观参数进行标定,以平直节理接触模型作为颗粒接触本构模型,对PFC^2D模型细观参数进行正交设计,以多因素方差分析、量纲分析研究宏细观参数之间的关系,在此基础上,提出了试错法标定细观参数的具体流程,将其用于灰岩单轴压缩PFC^2D模型细观参数的标定中,数值模拟所得宏观参数、应力-应变曲线和破坏特征与室内试验结果相近,验证了本文方法的可行性。分析结果显示,如果要建立双轴压缩PFC^2D模型,还需进一步标定细观参数tanφ_b和μ_b。研究成果可为岩石力学试验的颗粒流模拟提供一定参考。     

一种考虑流体状态方程的土体CFD-DEM耦合数值方法

在离散元（DEM）商业软件PFC^2D的基础上,通过将描述流体体变-压力非线性关系的Tait状态方程（EOS）引入计算流体动力学（CFD）,建立模拟弱可压缩流体的CFD-DEM耦合计算模块。首先,推导CFD-DEM的控制方程：包括流体-颗粒相互作用力方程、流体运动方程、Tait状态方程和颗粒运动方程。接着,通过PFC^2D自定义FISH语言和C++语言将离散化的CFD-DEM控制方程嵌入商业软件PFC^2D中。最后,通过单颗粒水下自由沉降运动和一维单面排水固结试验的模拟验证该耦合模块的可行性。模拟结果表明单颗粒自由沉降速度和Stokes理论解接近,一维单面排水固结试验中孔压消散和固结度随着无因次时间因数T_v的变化均与太沙基固结理论符合较好。从而使得用离散元法全耦合分析土体不排水条件下的力学特性成为可能。     

离散元模拟中颗粒材料剪切波速的剪切振动确定方法

砂土等颗粒材料的剪切波速是反映其工程性质的重要参数,离散元模拟中实现剪切波速实时测试对研究砂土材料力学性质变化的细观机理具有重要意义。本文基于软件 PFC^3D ,在试样模型中设置激发源和接收源,通过对激发源施加产生剪切振动的速度脉冲、在接收源监测扰动信号,实现了剪切波在颗粒材料中的传播模拟和信号监测,提出了利用激发和接收信号的互相关系数确定剪切波传播时间和评价剪切波传播质量的方法。系统分析了激发频率、激发幅值、激发源和接收源尺寸、阻尼等因素对剪切波速测定的影响,给出了合理的参数取值范围。研究结果得到了均匀颗粒试样理论解的验证。     

岩质边坡断续裂隙阶梯状滑移模式及稳定性计算

阶梯状滑移破坏是一类典型岩质边坡破坏失稳模式。在总结断续裂隙阶梯状滑移的岩质边坡地质结构特征的基础上,利用离散元二维颗粒流程序（PFC^2D）模拟研究了边坡阶梯状滑移破裂模式及其演化过程。边坡岩桥可归纳为剪切贯通破坏、张拉贯通破坏及张–剪混合贯通破坏3类。通过岩石细观颗粒黏结力场、岩桥段应力及破裂贯通演化分析,揭示了重力作用下阶梯状滑移是从下而上岩桥逐个渐进性破裂贯通演化的过程,坡体后缘张裂纹发展贯通是下部坡体的牵拉作用造成;以缓倾角阶梯状平行裂隙边坡（岩桥倾角90°,裂隙倾角30°）为例,阶梯状滑移过程大致可分为坡体弹性稳定变形、下部岩桥贯通破坏、中上部岩桥贯通–后缘张裂、整体沿贯通面滑移共个阶段,其中第3个阶段坡体微断裂数急剧增加,为滑裂带扩展至贯通的临界失稳状态。基于滑移模式及其演化过程的认识,建立了岩桥剪切贯通、张拉贯通和张–剪混合贯通三类阶梯状滑移边坡稳定性计算理论模型,推导了考虑岩桥强度和贯通率的边坡安全系数极限平衡计算公式。     

陕西某黄土高边坡稳定性的数值模拟研究

结合陕西某煤矿黄土高边坡工程实例,在地质调查和试验分析基础上,采用强度折减法和非线性动力分析法,对天然工况和地震工况下的黄土高边坡稳定性进行数值模拟分析研究,得出以下主要结论：采用有限差分法(FLAC^3D)和有限元法(GTS)分析计算的边坡稳定系数基本吻合,潜在滑移面基本一致;数值模拟分析显示,地震作用下,黄土高边坡坡体应力和应变值均有提高,特别是坡脚处应力、应变变化显著,研究表明边坡应力、应变值随着地震动峰值加速度的增大、边坡坡度的增大,变化明显;非线性动力法能够更加直观地通过观测点的加速度、速度、位移曲线来判断黄土高边坡的稳定性。通过采用不同数值模拟方法对黄土高边坡稳定性进行分析,可为黄土高边坡优化设计提供参考依据。     

落砂成型过程及模型孔隙率影响因素研究

以颗粒流程序PFC^3D为研究工具,结合室内试验,对于落砂成型过程及成型孔隙率的变化规律进行了研究。首先,对落砂过程及结拱现象进行了分析,提出了一种带底孔筒仓流动模型,设计了优化的方形出砂头方案并将其应用于落砂成型试验;然后,利用PFC^3D对落高、出砂头孔径、移动速度等因素对成型孔隙率的影响规律进行了模拟和验证。研究表明：当孔径增大时,一次出漏的颗粒数增多,成型时颗粒与颗粒之间的位置尚来不及调整,粒间孔隙较大。随着出砂头移动速度的增大,堆积层次与冲击次数增加,颗粒间的孔隙将会减小。落高增大导致冲击时的动能增大,密实度因而也随之增大。对于所考察的3种试验因素,物理试验与数值模拟均呈现出相同的影响规律。此外,提出的落砂成型孔隙率多因素相关模型具有很好的适应性。     

降雨条件下黏土边坡冲刷水毁试验研究

对黏土土样进行含水率、液限、塑限、直接剪切试验,获得黏土的物理性质和力学特性。通过室内黏土边坡坡面冲刷试验,分析了在模拟自然降雨条件下黏土路基边坡冲刷的一般成因,总结黏土路基边坡冲刷从形成到导致路基破坏,可分为坡面整体冲刷、冲沟形成发展以及冲沟扩展破坏三个典型阶段,探讨了黏土路基边坡的水毁机理。     

草本植物护坡机理及工程应用分析

对一般土质路基边坡冲刷过程和草本植物的护坡机理进行分析,得出草本植物能有效地防止降雨对坡面表层土体侵蚀的结论,为草本植物护坡的大面积工程应用提供了理论支持.提出在边坡防护中应重视草本植物的应用,与灌木和工程防护相结合,达到最佳的防护效果.     

基于WEPPWIN软件的边坡优化

利用WEPPWIN软件模拟了不同坡度、坡形对水土流失的影响,介绍了WEPPWIN在坡度、坡形与水土流失关系研究中的实际应用,并得出相关结论,在此基础上提出了非对称边坡的设想,并指出其不足,以期提高我国公路路基边坡设计水平。     

高原斜坡软土路基施工试验研究

高原斜坡软土是一种罕见的地质现象 ,是在特定的地质条件和气候条件下形成的具有特殊性质的软土 ,在高原斜坡软土地基上修筑公路、铁路都将面临路基稳定这一课题。通过内昆铁路老锅厂-李子沟区间斜坡路基施工试验研究 ,提出了“强基固本”、“治软抗滑”确保斜坡路基稳定性的技术措施 ,所得出的研究结论对类似工程具有一定的参考价值。     

降雨作用下路堤边坡的冲刷–渗透耦合分析

 为揭示降雨作用下雨水冲刷–渗透过程对非饱和碎石土路堤边坡的作用机制,通过现场资料调查分析,基于坡面冲刷剪切理论推导坡面冲刷深度概化公式,并通过物理模型试验验证该理论推导结果的合理性和适用性,反映坡面上各点的冲刷深度与冲刷时间及所处位置密切相关。模型试验现象真实再现了路堤边坡冲刷–渗透破坏的物理本质,结合试验结果,分析明确了降雨作用下碎石土路堤边坡侵蚀破坏的力学机制。研究结果表明,一定持续时间的强降雨是碎石土路堤边坡失稳的主要诱发因素;雨水冲刷和渗透过程是相互影响且相互促进的,采用物理模型试验方法更好地揭示路堤边坡在冲刷–渗透耦合作用下侵蚀破坏发展过程,可以为类似路堤边坡的稳定性评价及采取工程防治措施提供参考。     

降雨入渗对泥岩–土混填路堤稳定性的影响

 降雨入渗是诱发泥岩–土混填路堤边坡失稳的主要因素之一,为了揭示降雨对泥岩–土混填路堤边坡稳定影响的变化规律,选取济邵高速公路一典型路段的泥岩–土混填路堤边坡进行人工降雨模拟试验,对边坡土体中的孔隙水压力、边坡土压力和变形进行监测;探讨雨水入渗对路堤边坡稳定性的影响,推断滑坡的形成机制和预测边坡的稳定发展趋势。原位综合监测和数值分析结果表明：降雨入渗影响下泥岩–土混填路堤边坡的滑动变形区的变形量以坡面最大。裂缝的出现使得雨水更容易进入深层土体,土体吸水崩解、软化,强度急剧下降,使得边坡的稳定性安全系数在降雨后显著降低。     

降雨入渗及蒸发对土坡稳定性的影响分析

通过选取典型土性参数,对黏土、粉砂土、均质砂土、有黏土覆盖的均质砂土边坡进行了饱和-非饱和渗流分析,得到降雨入渗及蒸发过程的孔隙水压力场和含水率瞬态分布,再利用简化Bishop条分法搜索并计算最危险滑动面的安全系数,对土坡的瞬态稳定安全系数进行评价。     

粉煤灰路堤加筋有限元分析与试验研究

利用有限元分析软件进行数值模拟计算和室内小比例尺模型试验,在静力分步加载条件下研究了边坡坡比1∶1.5、双向土工格栅以及四种加筋层数:零层、一层、三层、四层,模拟路堤在加筋与不加筋情况下的性能;通过改变加筋层数N和加筋层顶面距基础底面距离h二个参数,研究了加筋路堤性能变化的效果,提出了对于路堤最佳加筋方案。依据计算和试验所得结果,讨论了加筋体结构对路堤稳定性的影响。     

高速公路填砂路基设计若干关键问题

填砂路基日益受到重视,但因其填料及顶封层、路堤边坡防护等细部构造的特殊性,在设计时需要谨慎考虑。结合国内既有高速公路填砂路基工程实例,阐述填砂路基填料的特殊性,对比填砂路基与粉煤灰路堤、沙漠风积沙路基、砂料堆积而成的堤坝、堆场等的差异,重点就砂料选择、路堤边坡稳定性设计、路堤边坡防护设计、顶封层设计与防排水设计等若干关键问题提出自己的看法。填砂路基是南方水网地区解决高速公路优质路堤填料匮乏的有效技术途径之一,需扬长避短,科学合理地开展填砂路基设计。     

An experimental investigation on slope stability under drawdown conditions using transparent soils

This paper presents an experimental investigation into slope failure during water-level drawdown using transparent soil. The internal characteristics of slope failure are not well-known due to the limitations of the techniques used in the experiments conducted to date. In this study, transparent soil is used to visualize the process of slope failure. We developed a water-level control system to implement simulation of the drawdown of the water level at various speeds and used a charge-coupled device camera to capture images during the entire slope failure process. Particle image velocimetry was used to measure the displacement of the sand particles and identify the sliding zones. The flow paths of the fluid inside the slope were illuminated using an organic dye. The results show that the slope failure process can be divided into two stages: surface and overall sliding. The overall sliding of the slope is caused by the gradual development of partial instability, and the failure mode is a cyclic failure. The slope angle is different above and below the water level during the process of sliding. In our experiments, the slope angle is about 20° above the water level, which is the same as the final stable slope angle, and about 35° below the water level, which is the same as the initial slope angle. This means that the drawdown influences the angle above the water level but has little influence on the angle below the water level. The results of this paper provide a better understanding of the physical behavior and failure mode of soil slopes caused by drawdowns near the coast.     

三维离散元法解析砂型泥石流细观运动特征研究

基于散体介质理论的三维离散元数值分析方法,引入粘滞阻尼模型考虑系统耗能效应,求解固体作用力和流体连续性方程,充分考虑流固耦合作用,对中、细标准砂泥石流过程进行仿真分析,得到不同砂型泥石流破坏过程及渗流场、颗粒速度场、孔隙率、颗粒接触数等参数变化规律。分析表明,中砂、细砂分别表现出分层渐进式和流滑型的破坏模式,这与已有物理试验现象吻合,验证该模型的适用性,并从渗流场分布规律深刻解释该现象发生机理。泥石流过程中土颗粒速度矢量变化规律从细观上揭示了隐藏在颗粒内部的相互碰撞、摩擦、滑动等复杂运动特点,从宏观上揭示了中砂土坡脚薄弱位置率先突破,主滑动体形成直至完全失稳的分级渐进式破坏过程。进一步分析了土体孔隙率和平均接触数分布云图变化规律,中砂泥石流过程中随颗粒运动,滑动体孔隙率逐渐增大,颗粒接触数逐渐减小,并且这种发展趋势逐渐往坡后方土体蔓延;进一步揭示了中砂泥石流分级渐进破坏过程与颗粒速度场分析规律一致。分析结果表明了该模型方法在模拟泥石流这种大变形、流固耦合问题上的适用性,这对泥石流复杂机理的更深入探索是有益的。     

拓宽黄土路基湿化破坏机制模型试验研究

 为研究拓宽黄土路基浸水湿化破坏机制与模式,在土工离心机上设计并安装位移量测系统,以西安—潼关高速公路拓宽工程为研究载体,建立与实际应力相符的离心试验模型;针对浸水湿化后黄土拓宽路基的沉降变形规律和破坏形式进行研究,基于试验结果开展高填方黄土路堤破坏机制的讨论。研究结果表明,拓宽路基坡脚处高含水量对拓宽黄土路基稳定性影响极为显著,在地下水位较浅处的地带,强降雨天气或地下水位骤升所引起的拓宽路基荷载下黄土地基的局部失稳会极大威胁上部拓宽路基的安全,浸水破坏滑裂面的形成是一个渐进破坏过程。由于地基局部湿软,抗剪强度降低,地基的起始剪切破坏发生于老路坡脚处,一旦产生过大的变形量将会引起整个路基自上而下的滑移。地基破坏时的滑动面近似为圆弧状,建议采用裂隙圆弧法对拓宽荷载下地基进行稳定性评价。试验结果还表明,新老路基拼接带土体中的加筋材料起到裹附作用,可增强路基的板结效果,形成有效的土拱效应,这样就充分利用路堤填料本身的刚度,调整地基的沉降变形。     

土工合成材料加筋边坡宏细观机理模型试验研究

通过包裹式加筋边坡模型试验对加筋边坡宏观变形模式、宏观力学性状、筋土界面细观作用和剪切破坏带处土颗粒运动进行研究,分析土工合成材料加筋边坡宏细观机理。砂土加筋边坡由于加筋体的存在,宏观变形上呈现为类似黏性土边坡的整体滑移破坏模式,出现圆弧状剪切破坏带;坡顶上部基础 p – s 曲线类似基础整体剪切破坏弹性、弹塑性和塑性破坏三阶段,曲线各阶段变化与主剪切破坏带整体发展有密切关系;细观上筋土界面处筋材与土颗粒摩擦和咬合作用提供“似黏聚力”;“主剪切破坏带”内颗粒的滚动摩擦、“过渡区”内颗粒的滚动摩擦和滑动摩擦和“稳定区”内颗粒的咬合作用构成整个剪切破坏带抗滑阻力。筋土界面处筋材与土颗粒相互作用所提供的“似黏聚力”和主剪切破坏带的发展和贯通所提供的滚动摩擦和滑动摩擦是形成加筋砂土边坡整体滑移、改变整个边坡破坏模式的内在原因。