考虑干湿循环作用的膨胀土渠道边坡破坏机理研究

膨胀土渠道由于季节性的通水和停水,其边坡实际处于干湿循环的状态,非常容易引起边坡失稳。采用离心模型试验对干湿循环作用下的膨胀土渠道边坡稳定性进行了探讨,研究了渠道边坡的破坏机理。研究发现,由于渠道的反复通水和停水,渠道边坡土体经历了多次干湿循环,每次循环后边坡土体裂缝逐渐扩展,渠水不断入渗,饱和区逐渐扩大。渠基土的膨胀性越强,每次干湿循环后的裂隙扩展越严重,渠水入渗作用也越强,渠道越容易破坏。研究还发现,由于通水和停水造成的渠道干湿循环破坏模式主要表现为渠坡整体发生浅层失稳破坏,这一破坏模式与前人研究发现的牵引式滑坡具有较大不同之处。     

膨胀土的强度和变形特性研究

0　前　　言膨胀土是以蒙脱石或蒙脱石-伊利石为主要矿物成分的高塑性黏土,黏粒含量高,自由膨胀率大于等于4 0 % ;主要由蒙脱石、伊利石类强亲水矿物组成;土体含水量增加,其体积发生膨胀并产生膨胀力,土体失水时,其体积收缩并形成收缩裂缝;土体胀缩变形可随环境湿热变化往复发生,导致其强度衰减;属于液限高于4 0 %的高液限黏土。多年来,由于人们对膨胀土上述特性特别是干湿循环导致强度衰减[8] 的认识不足或处理不当,导致了大量以膨胀土作为基础的构筑物或由膨胀土组成的构筑物发生破坏,损失巨大[1] 。为此,国内外许多科研工作者基于Mohr Coulomb准则对膨胀土的强度特性进行研究,取得了许多重要成     

石灰改良膨胀土高铁路堤离心模型对比试验研究

为研究石灰对膨胀土高铁路堤的改良效果,以膨胀土和石灰改良膨胀土为原材料,设计两组路堤模型,对其开展3次干湿循环条件下坡体响应离心模型试验研究,重点分析二者作为高铁路堤填料的工程特性差异。结果表明:随深度增加,路堤受大气影响减弱,改良土路堤的大气影响深度为20 cm,较之未改良土路堤深度小,石灰改良膨胀土可以作为高铁路堤填料;膨胀土和未改良土路堤浅部饱和含水率均在40%左右,其深部含水率都小于40%,但未改良土路堤中含水率变化较改良土路堤更为敏感;干湿循环条件下,5%的石灰掺入量可以有效抑制膨胀土变形,较好地遏制其膨胀潜势、渗透性、导热性、透水性等特性参数。     

膨胀土边坡强度理论及稳定性分析方法研究

膨胀土是一种主要由强亲水性矿物蒙脱石和伊利石组成的具有特殊结构的高液限粘土。根据膨胀土自身的结构特点,对各种边坡强度理论进行了分析。并在此基础上,研究了目前常用的膨胀土边坡稳定性分析方法。     

非饱和膨胀土强度特性试验研究

以非饱和土的土水特征曲线为控制标准,采用预先脱湿的吸力控制备样方法,加快了非饱和试验中的吸力平衡过程。利用非饱和直剪试验,探讨了干湿循环对膨胀土强度参数的影响规律。讨论了三轴试样尺寸效应对试验强度参数的影响以及吸力控制方法在非饱和三轴试验中的适用性,认为用双变量抗剪强度公式描述高吸力条件下多重裂隙膨胀土的强度特性还存在一定的困难。     

膨胀土边坡稳定性分析讨论

分析了膨胀土边坡失稳机理及其形式特点，重点讨论了现阶段常用的边坡稳定性分析方法，并指出了各方法的适用性及应注意的问题，对实际边坡工程的稳定性分析具有一定的指导意义。     

膨胀土干湿循环强度特性的试验研究

通过室内试验，模拟了土体季节性的干缩湿胀，利用常规剪切试验，测定南阳膨胀土击实土样经过干湿循环后饱和样的抗剪强度，从而探讨干湿循环效应对于膨胀土强度的影响，具有重要的理论意义和工程意义。     

击实膨胀土的循环膨胀特性研究

主要研究了干湿循环对击实膨胀土胀缩特性的影响。研究结果表明,击实膨胀土的胀缩变形并不是完全可逆的,随干湿循环的发展,膨胀土的膨胀速率加快,绝对膨胀率总是增大而相对膨胀率则降低。这种变化在第Ⅱ、Ⅲ级循环时最明显,第Ⅲ级循环后便趋于稳定。这些变化特性主要是粘粒集聚、微结构改变的结果。     

膨胀土及其改性土路堑边坡稳定性研究

以荆襄高速公路膨胀土地区路堑边坡稳定性为研究对象,首先确定了边坡稳定所需膨胀土、5％石灰改性土和50％粉煤灰改性土的强度参数。随后设计了相同坡形,不同坡率、坡高、台宽等24种计算工况。研究发现：坡率和台阶宽度带来的稳定影响均呈现线性增加。坡率和台宽安全系数谱数据稳定,可供设计参考。     

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。     

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。     

降雨/蒸发对膨胀土边坡稳定性影响研究

为深入研究降雨/蒸发作用对膨胀土边坡稳定性的影响,本文将改进的二维渗流模型与极限平衡分析法相结合,计算分析降雨、蒸发两种不同类型的气候作用下试验场地膨胀土边坡体内的渗流场变化及边坡的稳定性;结合试验边坡的现场监测资料,论述了膨胀土边坡的失稳机理。本文的研究表明:持续降雨引发土体吸力降低、强度衰减、有效应力降低并在坡脚处首先达到极限平衡状态;蒸发作用使浅层土体含水量降低,吸力增加,但同时也出现的收缩作用将产生裂隙而折减土体强度且增强渗透性,但土体内吸力的大幅提高则起主导作用。本文的研究成果将有助于分析评价膨胀土边坡在遭受干湿循环作用下的长期稳定性。     

大气作用下膨胀土边坡的现场响应试验研究

在广西南宁地区建立了缓坡、陡坡与坡面种草3种类型膨胀土边坡的原位监测系统。采用小型气象站、土壤含水率TDR系统、烘干法、温度传感器、测斜管和沉降板跟踪测试了边坡含水率、温度、变形等随气候变化的演化规律。认为降雨是膨胀土边坡发生灾变的最直接的外在因素,蒸发效应是边坡灾变的重要前提条件,而风速、净辐射量、气温和相对湿度是间接影响因素;土温变化可间接反映边坡不同位置的含水率变化性状;边坡变形主要集中在表层土体,坡中变形最大,其次是坡顶,坡脚处变形最小,陡坡在大气作用下发生了渐进性破坏;草皮覆盖有利于保持边坡表层土体水分、降低坡面冲刷和径流量、抑制边坡变形,且对土温有很好的削峰填谷作用。     

Soil-water interaction in unsaturated expansive soil slopes

The intensive soil-water interaction in unsaturated expansive soil is one of the major reasons for slope failures. In this paper, the soil-water interaction is investigated with the full-scale field inspection of rainwater infiltration and comprehensive experiments, including wetting-induced softening tests, swelling, and shrinkage tests. It is demonstrated that the soil-water interaction induced by seasonal wetting-drying cycles is very complex, and it involves coupled effects among the changes in water content, suction, stress, deformation and shear strength. In addition, the abundant cracks in the expansive soil play an important role in the soil-water interaction. The cracks disintegrate the soil mass, and more importantly, provide easy pathways for rainfall infiltration. Infiltration of rainwater not only results in wetting-induced softening of the shallow unsaturated soil layers, but also leads to the increase of horizontal stress. The increase of horizontal stress may lead to a local passive failure. The seasonal wetting-drying cycles tend to result in a down-slope creeping of the shallow soil layer, which leads to progressive slope failure. Translated from Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2006, 40(3): 494–500 [译自: 浙江大学学报 (工学版)]     

膨胀土滑坡和工程边坡新型防治技术研究

国家重点研发计划项目“膨胀土滑坡和工程边坡新型防治技术研究（2019YFC1509800）”基于蒙脱石表面的分形模型,根据等温吸附理论,揭示膨胀土的水力作用机理,建立了膨胀变形理论和广义有效应力理论,提出了裂隙性膨胀土的剪切强度理论;根据膨胀土边坡失稳特征,将膨胀土边坡失稳滑动分为浅层裂隙控制滑坡和深层结构面控制滑坡,针对两种膨胀土滑坡类型,提出了膨胀土边坡安全性评价方法;将膨胀土边坡防治技术分为三类：分“隔”技术、支“挡”技术和加“固”技术（简称“隔”、“挡”、“固”）。分“隔”技术包括非膨胀性黏土盖层、土工编织袋、加筋反包和防排水结构层,支“挡”技术主要为各类挡土墙,如桩板墙、土工编织袋挡墙等,加“固”技术主要包括抗滑桩、锚杆等;提出了土工编织袋、加筋反包和桩板墙防治技术的标准化设计方法,完成了土工编织袋、加筋反包、防排水结构层和桩板墙的应用示范工程,采用现场全自动实时监测技术,验证了膨胀土边坡防护效果。     

反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析

膨胀土是多裂隙土,其边坡的稳定性在很大程度上受裂隙影响。裂隙开展后抗剪强度显著降低,裂隙开展深度将本来均一的土层划分为强度差异显著的不同土层,雨水进入裂隙中形成渗流增加了滑动力矩,裂隙还随时间而发展。这些都显著影响膨胀土边坡的稳定性。本文提出了一种以条分法为基础的近似反映裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析方法。将膨胀土坡划分成3个亚层,即裂隙充分发展层、裂隙发育不充分层和无裂隙层,分别取用不同的强度指标;给出了裂隙深度、各亚层界面、各层强度指标以及裂隙渗流浸润线的近似确定方法。所提出的方法反映了膨胀土边坡失稳机理,可体现其平缓性、浅层性、牵引性、长期性、季节性、方向性等特点。算例分析表明了它的合理性和实用性。     

脱湿状态对膨胀土膨胀变形和强度特性的影响

非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。     

论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响

人们早就知道膨胀土具有多裂隙的特点,也知道它影响边坡的稳定;但怎样影响,严重程度如何,并未清楚认识,在膨胀土边坡设计施工的各环节中并没有充分考虑裂隙影响,以致膨胀土边坡失稳事故仍时有发生。对此作深入研究实有必要。笔者曾发表裂隙开展对强度指标影响的试验成果,提出考虑裂隙影响的边坡稳定分析方法和用土工膜限制裂隙发展的加固方法。在此基础上,本文进一步论述了膨胀土裂隙的产生机理与发展过程,结合膨胀土边坡失稳实例探讨了裂隙所起作用,解释了裂隙开展与膨胀土边坡失稳特征的联系,论述了换土加固方法之所以有效主要在于它限制裂隙开展等。上述各点,从不同的角度论证了多裂隙性是膨胀土边坡易于失稳的关键,是其不同于其它黏性土坡的根本;提出要在膨胀土边坡的分析、计算、施工和处理等各环节都考虑裂隙影响,形成系统理论。