膨胀土路堑边坡降雨入渗稳定性分析

膨胀土遇水发生软化,导致土体强度降低,降雨入渗对膨胀土路堑边坡影响较大。依据岩土饱和/非饱和渗流理论,利用有限元数值模拟分析软件,通过降雨入渗模型分析,建立膨胀土路堑边坡饱和/非饱和降雨入渗模型,模拟了降雨过程中边坡地下水含水率、压力水头变化规律,分析研究降雨入渗对路堑边坡渗流场及稳定性的影响规律。结果表明:降雨入渗对膨胀土边坡渗透影响仅发生在浅部区域,坡面低渗透性影响雨水入渗效果,裂隙性坡面则入渗稍快;对于低透水性、高基质吸力,短期降雨不至于导致边坡大面积滑塌破坏,边坡滑面只出现在表层,表现为浅层滑动,对深部土体影响不大。为以后膨胀土路堑边坡施工与防护提供一定的理论依据和数据参考。     

非饱和裂隙膨胀土边坡降雨入渗和变形的数值模拟

裂隙是膨胀土的基本特性之一,它的存在直接影响着降雨作用下膨胀土边坡内的含水量、孔压和变形的发展。文章在已有研究的基础上,给出了膨胀土裂隙模拟的方法及裂隙膨胀土边坡的非饱和渗流过程的模拟方法;建立了一个工程实用的膨胀土的胀缩变形计算模型;发展了适用于裂隙膨胀土边坡的雨水入渗过程分析的数值计算方法,编制了相应程序。结合工程实例,模拟了降雨入渗条件下裂隙膨胀土边坡的含水量、孔压和变形演化过程。数值计算结果较好地再现了现场试验结果,初步说明了模拟方法及程序的可靠性。模拟结果表明,在降雨初期,裂隙发育的浅层土体含水量迅速增加,部分区域饱和;延长降雨后,坡面和坡脚形成略深于裂隙发育区的浅层饱和区;裂隙的闭合导致含水量增加减缓,雨水入渗集中在浅层;在延长降雨后饱和区的扩散仍集中在坡面坡脚的浅层土体。裂隙膨胀土边坡的膨胀和软化也集中发生在浅层土体中,这决定了裂隙膨胀土边坡的破坏形式主要为浅表型滑坡。     

增湿条件下黄土陡坡变形特性及稳定性分析

降雨入渗诱发的黄土边坡病害屡见报道,黄土遇水软化以及近坡表非饱和区基质吸力降低是边坡失稳的主要原因。本文采用有限差分数值计算软件,通过软件内置语言编制相关计算程序,考虑降雨过程中非饱和区基质吸力、非饱和渗透系数以及土体强度参数的变化情况,并采用自定义非饱和土强度折减法对降雨过程中黄土陡坡稳定性进行评价。研究结果表明:降雨入渗对非饱和黄土陡坡的稳定性影响很大,随降雨历时增加,湿润锋线不断向坡体内部推进,非饱和区基质吸力减小,边坡安全系数降低;边坡最大水平位移出现在坡脚处,潜在滑动面呈现出浅层滑动趋势。     

雨水入渗与膨胀性土边坡稳定性试验研究

采用离心模型试验方法,完成了2组不同坡度的膨胀性土开挖边坡土工离心模型试验,比较了边坡坡度大小对其稳定性的影响,并尝试通过控制注水浸泡时间来模拟短期和长期的雨水入渗,从而再现了降雨条件下膨胀性土开挖边坡的破坏特征和破坏机制。结果分析表明膨胀性开挖边坡表层土体因雨水入渗膨胀软化,强度降低,严重削弱了边坡稳定性;鉴于膨胀性土路堑在雨水入渗后发生浅层滑动破坏,因此,单纯放缓边坡坡度并不是防治这种破坏的最有效措施,重要的是做好隔水防水等处治工作。     

降雨蒸发条件下膨胀土边坡的变形特征研究

在典型膨胀土广泛分布的广西南宁地区建立缓坡、陡坡与坡面种草3种类型膨胀土边坡的原位监测系统,采用6参数小型气象站、测斜管和沉降板,跟踪测试边坡变形随气候变化的演化规律,揭示在降雨蒸发下膨胀土边坡的变形特征。认为降雨是导致膨胀土边坡变形最直接的气候因素,而蒸发效应是边坡变形破坏的重要前提之一;蒸发效应所产生的土体裂隙,使得吸湿条件下原位双环渗透试验获得的膨胀土水力特性具有与传统的非饱和土力学中的定义有相反的趋势,这也是膨胀土边坡在降雨入渗时发生变形乃至破坏的内在机制之一;通过对现场试验数据的拟合,建立了符合膨胀土边坡变形的经验性预测模型,其中边坡变形与土表净入渗量呈二次函数关系。     

膨胀土的研究现状与展望

通过阅读大量的文献资料,从变形、强度和稳定性三个方面对膨胀土研究所取得的进展进行了论述,指出非饱和膨胀土剪切力与位移关系为"软化"型,认为考虑雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析必须考虑裂隙的影响,并解释了降雨诱发膨胀土滑坡的滑动面一般较浅的原因。     

考虑降雨影响的非饱和土基坑边坡突变失稳分析

降雨入渗往往是非饱和土基坑边坡失稳的主要诱发因素之一,同时边坡失稳又具有突发性。基于突变理论提出了考虑降雨入渗影响的非饱和土基坑边坡稳定性分析方法。根据分析边坡稳定性的塑性极限方法的上限理论建立了边坡失稳尖点突变模型,并得出边坡突发式滑坡的特征关系式,用突变理论对非饱和土边坡稳定进行了初步研究。研究表明,基坑边坡失稳是一种突发性的破坏,外界环境的变化(如降雨入渗导致土体抗剪强度的降低)是基坑边坡发生突发性破坏的决定性因素。     

膨胀土边坡入渗稳定性分析与锚杆支护参数研究

裂隙的存在是膨胀土边坡在降雨条件下极易失稳的重要因素。为探索膨胀土边坡在降雨条件下渗流场变化特点与稳定性,进行了0,2m与4m裂隙深度下的边坡饱和-非饱和渗流有限元数值模拟,在渗流分析基础上进行基于极限平衡法的膨胀土边坡稳定性分析与锚杆支护参数研究。分析结果表明,裂隙的存在及发展对膨胀土边坡降雨入渗与孔隙水压力分布有显著影响;裂隙开裂越深,表层边坡体越易形成暂态饱和区,同时边坡越趋于不稳定;裂隙发育膨胀土边坡滑坡滑面具有浅层性等特点,锚杆长度、锚固角度、锚固位置等参数变化对降雨下膨胀土边坡安全系数的影响与一般土质边坡有所区别;在分析基础上,提出了合理的锚杆布置方式,以期对膨胀土边坡锚杆布置设计提供建议和参考。     

膨胀土边坡物理模型试验研究

进行了一系列压实膨胀土的大型静力模型试验,对边坡土体吸湿后的含水率、膨胀变形等进行了实时监测。试验成果显示,膨胀土边坡浅层土体吸湿后其含水率场分布不均匀,干湿分界面处土体易由于不均匀膨胀变形而导致局部剪切错动,并随水分在坡体内的迁移,局部滑动面逐渐向边坡纵深扩展,在不同深度、不同部位形成多重剪切滑动面,最终导致边坡整体塌滑。针对静力模型试验进行了考虑膨胀性的非线性有限元计算,比较了边坡自重条件下和吸湿后应力场的变化,可知吸湿引起顺坡向正应力在干湿分界面处变化剧烈,剪应力明显增大,强度折减法得到的模型试验边坡安全系数仅0.92。研究成果表明：影响膨胀土边坡浅层稳定性的最根本原因并非膨胀土的超固结性或裂隙性,而是土的胀缩特性。     

膨胀土路堑边坡滑动特点分析

从膨胀土路堑边坡土体含水量和吸力变化角度,详细阐述了膨胀土边坡滑动的浅层性和季节性,分析了引起膨胀土路堑滑动的主要因素,指出气候影响下的土体吸力随时间呈周期性和季节性变化。     

强降雨作用下的浅层滑坡稳定性分析

根据实测和室内物理力学试验结果以及工程实践，研究强降雨作用下浅层滑坡稳定性系数与滑面带抗剪强度指标及滑体饱水面积比三者的关系，建立其数理统计相关式。依据建立的数理统计相关式，对采用不分离接触弹塑性有限元强度折减算法分析强降雨作用下浅层滑坡稳定性的难处进行初步探讨。结果表明：首先，可以利用建立的数理统计相关式，选择不同滑体饱水面积比求出强降雨时滑面带的等效抗剪强度指标，作为不分离接触弹塑性有限元强度折减算法中滑面带上接触单元的抗剪强度指标；然后，采用该算法分析强降雨作用下的浅层滑坡稳定性，通过建立的数理统计相关式计算滑坡的稳定性系数，为该类型浅层滑坡稳定性分析和较准确地预报提供更加可靠和充分的依据。研究结果揭示了强降雨对浅层滑坡变形解体和破坏的作用机理，表明强降雨是诱发浅层滑坡的最关键因素。     

Theoretical analysis and model test for rainfall-induced shallow landslides in the red-bed area of Sichuan

Heavy rainfall is a key cause of shallow landslides in red-bed terrains with steep topography and residual soils of degradable strength. In this study, laboratory model tests were carried out to examine the characteristics of rainfall infiltration, deformation, and failures of slopes in the red-bed area of Sichuan. The hydrological response and deformation of the slope soil during rainfall are addressed. Based on a modified Green–Ampt infiltration model, ponding along the bedrock surface is incorporated. A physically based model for shallow landslides caused by rainfall is developed. The theoretical analysis and the model test results indicate that the slope failures are related to erosion in the shallow soil layer and rainwater infiltration, particularly along preferential seepage channels. The process of rainfall-induced shallow landslides can be separated into three stages: erosion at the slope toe, tension crack formation at the slope crest, and shallow sliding. When initial underground water level is located at the bedrock surface or the preferential seepage flow quickly reaches the bedrock surface, it is easier for the soil slopes to slide along the bedrock surface than along the wetting front.     

降雨入渗条件下的膨胀土边坡稳定性分析

考虑膨胀土的开裂性,研究了雨水入渗条件下的膨胀土边坡的渗流规律,进行了相对应的稳定性分析。通过考虑和不考虑裂隙时的膨胀土边坡稳定性的比较,表明二者具有很大的差异性。通过与现场实际情况相比较说明,在研究降雨入渗条件下的膨胀土边坡稳定性时,考虑土体的开裂性是十分必要的。     

非饱和导排结构控制降雨入渗的边坡物理模型试验

膨胀土渠坡失稳是影响南水北调中线供水工程安全性的重要因素之一,而对其边坡进行防渗处理是解决膨胀土边坡失稳的有效途径。针对传统边坡防渗处理方法(面板与土工布覆盖等)存在生态功能弱以及使用寿命短等不足,开展了非饱和导排结构的边坡防渗效果的物理模型试验研究。利用土壤剖面负压动态监测数据,采用非饱和渗流理论,在不同降雨强度与不同初始含水量条件下,对比分析了两种非饱和导排结构即细/粗粒二元结构和粗粒单一结构,控制降雨入渗边坡的效果。研究结果表明:在降雨强度为4.18×10-4 cm/s的情况下,二元结构能有效阻止降雨入渗;且细粒层初始含水量越低,其储水能力越强,二元结构控制降雨入渗的效果相对越好。在降雨强度为1.72×10-4,4.18×10-4,4.97×10-4 cm/s的情况下,粗粒层单一结构对降雨入渗边坡均具有一定的控制作用,但有5.6%~10.7%的降雨从模型底部排出,存在入渗风险。总体上,从排水–渗流控制效果与生态功能角度考虑,二元结构明显优于单一结构。研究成果可为解决南水北调膨胀土边坡以及其它工程边坡的渗流控制问题提供技术支撑。     

谈高速公路膨胀土路堑边坡处理

针对膨胀土边坡的防护问题,结合湖北荆宜高速公路膨胀土路堑段实例,因地制宜地提出防止膨胀土边坡溜坍和滑坡等病害的边坡处理技术,为类似膨胀土边坡处理提供指导。     

Model test study on the protection of expansive soil slope with polymer waterproof coating

Polymer Waterproof Coating (PWC) is proposed to protect expansive soil slopes. Three groups of slope test models are developed to compare the efficiency of PWC, and the laws of water content, pore water pressure, soil deformation, and slope surface morphology change under repeated cycles of precipitation-evaporation environment are monitored and analyzed. The mechanism and effect of PWC protection on the expansive soil slope are discussed. The test results show that cyclic precipitation-evaporation has a significant impact on the water content, deformation, and slope surface shape of shallow layer of expansive soil slope. The change of water content and pore water pressure of slope caused by rainfall infiltration has hysteresis. The PWC-protected slope has significantly less soil deformation and water change than bare slope. The PWC protective layer blocks the water exchange between inside and outside the slope, keeping the slope water in a "dynamic and stable" state and inhibiting the slope surface cracking. The PWC protective layer significantly reduces the erosion of slope surface due to rainwater and has a significant effect on improving the integrity and strength of the slope soil. The PWC protection slope continues to have great stability even after numerous simulations of extremely harsh climates.     

Research on the protection of expansive soil slopes under heavy rainfall by anchor-reinforced vegetation systems

An anchor-reinforced vegetation system (ARVS) is a new type of flexible slope protection system. ARVSs are composed of vegetation, anchors and high-performance turf reinforcement mats (HPTRMs) and can maintain the stability of expansive soil slopes while producing superior ecological effects. Through in situ comprehensive monitoring and comparative analyses, we systematically discuss the impact of heavy rainfall on ARVS-protected expansive soil slopes during the local wet season in Nanning. The results show that during the local wet season, the soil temperature and water content in vegetation-covered areas are lower than those in bare areas. The soil temperatures in different areas on the expansive soil slopes decrease with increasing depth. The ARVSs significantly affected the regulation of water transport and soil temperature, which limited soil deformation in different directions. The subsequent heavy rainfall would cause greater deformation of the expansive soil slope when less antecedent rainfall fell. Low-intensity and long-duration heavy rainfall events have greater negative impacts on expansive soil slopes than high-intensity and short-duration rainfall events. Under the action of severe rainfall-evaporation, expansive soil slopes protected by ARVSs can maintain stability.     

降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏研究

膨胀变形是膨胀土边坡失稳破坏的重要因素之一,研究分析降雨诱发膨胀土边坡渐进破坏过程具有重要的实践意义。基于膨胀应变与基质吸力增量的线性关系,将膨胀性引入非饱和流固耦合模型当中,建立一种适用于膨胀土工程的非饱和渗流场–应力场–膨胀应变场多场耦合数值计算方法。结合应变软化模型,分析单次降雨诱发下膨胀土边坡入渗过程以及边坡渐进破坏全过程。结果表明,非饱和膨胀土边坡在单次降雨诱发后,坡体发生以坡脚为起始逐渐向坡顶扩展的破坏,具有明显的时间延后性、多层逐级后退式的特点。膨胀土的膨胀性、强度参数对坡体破坏形式具有显著的影响,膨胀土边坡破坏既保留了一般黏性土的共性也呈现出干缩湿胀的特殊性。