矿山边坡水土流失过程室内模型试验

为了研究降雨入渗对矿山边坡孔隙水压力、含水量、边坡坡面形态变化的影响,以焦作市某矿山边坡的水土流失问题为例,通过人工降雨实验研究了不同压实度、坡度和降雨强度对矿山边坡水土流失的影响。通过实验进行了研究区水土流失过程模拟,结果表明:人工降雨引起浅层土体孔隙水压力和含水量增大,致使土体有效应力减小,抗剪强度降低;随着降雨的进行,水分逐渐向坡体入渗,土体含水率增大,边坡稳定性变差;雨水冲刷引起坡面冲沟发育,坡脚最先发生破坏,含水率和孔隙水压力突变;降雨强度对边坡稳定性有重要影响,坡度变化的影响不显著。     

光纤传感技术在边坡模型试验中的应用

 关于边坡模型的坡体变形监测较为困难,将光纤传感技术应用于边坡模型试验尝试解决这一问题。构建边坡模型进行人工降雨试验,采用光纤布里渊散射光时域反射测量技术(BOTDR)监测坡体变形和光纤光栅(FBG)传感技术监测坡面变形。将BOTDR光纤分层埋入坡体不同位置,以边坡后缘模型箱为固定的参照点,监测坡体内不同位置的应变变化;将光纤光栅传感器铺设在坡面的不同位置,以坡面后缘为固定参照点,监测坡面各位置处位移变化。根据降雨前、降雨过程中及降雨后变形记录资料,得到边坡在降雨作用下的变形规律：在降雨初始一段时间内,边坡并没有明显变形,随着降雨时间的发展,坡体和坡面位移会出现突发性的大幅度增长,并且距坡面较近的土体产生较大的变形,坡体底部变形较小。总体规律是随着坡体深度的增大,坡体变形受降雨入渗的影响越来越不明显,这解释了降雨诱发的均质土坡破坏容易出现在浅层的原因。在坡面上,后缘产生较大位移,而坡体前端位移较小。降雨停止后,部分变形值会变小。试验结果表明,用光纤BOTDR和FBG传感技术监测有众多的优点,且光纤传感技术在岩土模型试验中具有良好的应用价值和前景。     

降雨入渗对含软弱夹层顺层岩质边坡性状影响的模型试验研究

 为揭示降雨入渗对于含软弱夹层顺层边坡性状的影响,结合室内叠加喷洒降雨技术和光纤光栅监测技术,开展大型地质力学模型试验,分别针对不同岩层倾角、有无支护结构的顺层边坡,探讨降雨工况下坡体内部关键位置处的物理量发展模式和变化特征。结果表明,在相同降雨条件下,对于含软弱夹层的顺层边坡,无支护时的位移发展模式具有陡变性、牵引性的特点,而有支护时的位移发展模式具有渐进性、推动性的特点;降雨导致边坡层间错动的现象受岩层倾角影响较大,当倾角达到35°时层间错动将较为明显,应充分重视深部位移和含水率的监测。无支护顺层边坡的软弱夹层泥化贯通位置主要位于坡体前部,有支护顺层边坡的泥化位置则位于坡体后部,可据此确定不同形式边坡的重点监控位置。随降雨入渗时间的持续,支护结构对于坡体的抗滑力从由锚杆受剪提供转向由框架受压带动锚杆受拉提供。试验结果可为类似边坡工程的加固设计和防灾监控提供参考。     

不同降雨强度下红黏土边坡干湿循环试验研究

干湿循环过程中红黏土边坡力学参数发生了变化,红黏土边坡破坏特征和机理与一般土质边坡不同。以贵州红黏土为研究对象,采用浴霸–人工降雨模拟干湿循环,在室内制备了较大尺寸边坡模型,同时在边坡内部不同位置埋设含水率、孔隙水压力和温度传感器,分析了干湿循环下红黏土边坡力学参数演变规律和破坏机理。研究结果表明,随着深度增加,边坡土体含水率受降雨强度影响逐渐减弱,表层含水率受降雨强度影响明显。干燥期含水率呈现先增加后减小的现象。同一降雨强度下,坡脚含水率最大,其次为坡面、坡肩,最后为坡顶。表层孔隙水压力在降雨、渗透期上升,干燥期降低。降雨强度越大,温度变化幅度越大。随深度增加,边坡温度变化幅度逐渐减小。坡脚温度变化幅度较其他部位大。边坡破坏特征由溅蚀→面蚀→片蚀→裂缝→冲沟,未见明显的滑动面。     

不同降雨条件下顺层边坡力学响应模型试验研究

 为研究降雨条件对顺层边坡坡体内部力学响应特征的影响,结合叠加喷洒降雨技术和光纤光栅监测技术,开展不同降雨类型及支护条件下顺层边坡的地质力学模型试验,分析雨水入渗对于坡体位移、孔压力以及支护结构受力的影响等。试验结果表明,对于无支护边坡,在短时间暴雨条件下,位移和孔压力变化主要发生在降雨期间的坡体表层附近,坡体表层前端处雨后位移的增幅较大且孔压力的消散较快,坡体稳定性的主要影响因素是超孔压的累聚和消散;在长时间小雨条件下,位移和孔压力的影响范围逐渐向深部扩展,雨后位移仍保持较大的增长速率但孔压力消散较慢,坡体稳定性的主要影响因素是雨水入渗软化软弱夹层。相对于无支护边坡,有支护边坡的坡体位移和孔压力均显著减小,这主要是由于支护结构的施加限制坡体表面裂缝的扩展,从而减弱雨水的入渗,在总降雨量相同的情况下,短时间暴雨条件时支护结构的受力较快达到稳定,长时间小雨条件下支护结构的受力调整的速率较慢,在降雨试验结束6 h后,坡体前端推力最大值出现的位置不同,前者最大值出现在顶层,后者最大值出现在中层,且后者相应位置处的数值是前者的1.5～1.7倍。试验成果对于类似边坡工程的施工设计及加固维护具有参考意义。     

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。     

降雨条件下边坡形态对稳定性的影响

采用有限元法对降雨过程中不同坡比和不同平台宽度边坡降雨入渗的差异进行模拟,分析不同形态边坡的降雨入渗特点。结果表明:降雨条件下坡比越大坡中的入渗速率越小、入渗深度越浅。边坡开挖平台可减弱坡脚处的破坏变形,有效释放坡中局部应力,提高边坡稳定性。降雨作用下,平台宽度越宽安全系数提升幅度越小。     

持续降雨条件下土质边坡雨水入渗深度模拟试验

为了研究持续降雨入渗对土质边坡的影响,采用电阻法测定了降雨入渗土质边坡的入渗深度和入渗时间,分析雨水入渗深度、时间对边坡破坏的影响规律。结果表明,在坡面浅层范围内,雨水入渗深度与入渗时间可按线性关系拟合,离坡面深5cm范围内,不同位置处的雨水入渗时间和入渗规律基本相同,即离坡顶越近,雨水入渗深度越浅。模拟试验研究对持续降雨条件下土质边坡失稳防治有一定的指导作用。     

探究降雨条件下路基边坡渗流情况

结合岩土饱和—非饱和渗流理论,并采用有限元软件,模拟分析了不同降雨条件下路基边坡的孔隙水压力变化、渗流场和含水率的分布情况,结果表明:当降雨强于饱和渗透系数时,随时间的增加入渗深度逐渐向下推移,而推移深度也会不断加大;当降雨强度小于土壤入渗能力时,入渗速度慢;裂缝的存在对降雨入渗过程中孔隙水压力和含水率分布有很大的影响。     

降雨对滑坡形态影响的宏细观分析

进行人工降雨诱发边坡滑坡的模型试验,着重研究不同降雨强度对滑坡形态的影响。基于不同降雨强度下边坡发生滑坡的破坏过程,利用高速动态数据采集仪和孔隙水压力传感器进行孔压量测;利用土体水分传感器监测降雨过程中坡体内部含水率的变化情况,研究含水率和饱和度对滑坡形态的影响;并结合细观组构变化进行水土作用机理分析。研究结果表明:不同降雨强度下坡体发生滑坡的宏观破坏形态、孔压变化规律不同;随着降雨强度的增加,坡体滑坡形态从牵引式向推移式转化;牵引式滑坡形成机理为坡脚发生渗透破坏,坡体失去坡脚支撑作用而分层下滑;推移式滑坡形成机理为坡体上部雨水聚集导致孔压上升、土体强度降低,当下滑力大于抗剪强度时,上部土体挤压下部土体,突然整体滑动。本文研究有助于工程中对降雨诱发滑坡的预防和治理。     

降雨触发不同级配堆积体滑坡模型试验研究

深入研究降雨条件下堆积体坡失稳规律对滑坡预测预报和防灾减灾具有重要的理论意义和工程实用价值。开发研制了降雨滑坡室内模型试验系统,对3种配制的堆积体土样进行了模型试验。研究了降雨条件下堆积体土坡的渗流、变形、破坏和颗粒运移的规律,探讨颗粒级配对堆积体土坡稳定性的影响。结果表明:坡内土体体积含水率、孔隙水压力和吸力随降雨历程响应明确;湿润锋到达后体积含水率和孔隙水压力持续增加而吸力持续减小,达到峰值后稳定;降雨停止后体积含水率和孔隙水压力立即降低而吸力逐渐增大。坡体破坏瞬时土体位移有一个加速过程。颗粒级配(含石量)对土坡破坏模式具有显著的影响;堆积体含石量为13%,19%,41%的土坡破坏模式分别为多级后退式破坏、冲蚀引起的局部浅层滑动破坏和块状滑动破坏;含石量越小,滑裂面越明显;含石量对细颗粒流失也有影响,含石量越大细颗粒流失越显著,坡脚细颗粒含量越大。     

Rainfall-induced failures of volcanic slopes subjected to freezing and thawing

Rainfall- and earthquake-induced failures of slopes formed by volcanic soils occur frequently in Hokkaido, Japan. The aim of this study is to clarify the failure mechanisms of volcanic slopes caused by both rainfall and freeze–thaw action in cold regions such as Hokkaido. Using model slopes of different shapes formed by volcanic soils, a series of rainfall tests are conducted under field conditions in which a spray nozzle is used to simulate rainfall intensity. Test results show that the surface failure of volcanic slopes differs depending strongly on the angle and the initial moisture content of the slopes. Based on the results of the model testing, the effects of freezing and thawing on the failure mechanism are drawn upon to propose an evaluation method for slope stability. In consideration of the model test results, it is found that the formation of a frozen layer and the softening of the slope surface, due to the freeze–thaw action, are significant for the stability of volcanic slopes in cold regions, and that slope failure can be uniquely assessed by the changes in water content in zones subjected to rainfall and freeze–thaw action.     

Performance of Horizontal Drains in Residual Soil Slopes

In tropical and subtropical regions, shallow landslides often occur in residual soil slopes. Short-duration, high-intensity rainfall will increase the pore-water pressure. As a result, the shear strength of the soil in the slopes decreases and the stability of the slopes is affected. In this study, horizontal drains were installed in a residual soil slope in Singapore in order to improve the stability of the slope. The slope was instrumented with tensiometers and piezometers to investigate the effectiveness of the horizontal drains as a slope stabilization method against rainfall-induced slope failures. The variations in water table elevation and matric suction in the slope due to rainfall events were monitored. In addition, numerical analyses of the seepage into the slope brought about by the rainfall were carried out, and the results showed a reasonably good agreement with the data obtained from field measurements. The field measurement results indicated that horizontal drains were indeed effective for lowering the water table and for increasing the stability of the investigated slope. Therefore, horizontal drains are considered to be a useful and economical method for improving the stability of residual soil slopes against rainfall.     

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗试验与数值模拟研究

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,并对应地进行了正交入渗条件下的数值模拟。测量了入渗率、出渗速率及砂土储水增量随时间变化的关系曲线,分析了雨强、坡角和孔隙比对试验结果的影响。试验结果显示各试验中均无坡面径流现象,与正交入渗边界理论差异显著。通过分析非饱和砂土在传统坡面降雨正交入渗边界条件下的入渗率、出渗速率及砂土储水增量等数值模拟结果与对应的降雨入渗试验结果的差异,证明按正交入渗边界理论计算得到的砂土坡面土体含水率、入渗能力及坡面边界条件转化的判别机制均与实际情况不符。     

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。