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。     

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

主要叙述非饱和膨胀土及其边坡稳定研究方面的新进展。首先讨论了非饱和土研究中与土坡稳定性有关的若干重要特性,指出非饱和土的气 水形态问题是非饱和土研究的一个基本问题。并提出随含水率由小变大,非饱和土存在四种气 水形态,不同气 水形态的土具有不尽相同的性状。然后,对非饱和土的吸力和土水特征曲线以及不同气 水形态下的强度作了讨论,并对非饱和土的本构关系作了简要的介绍。接着以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,以吸力问题为中心,对非饱和膨胀土边坡滑动的各种内在的和外界的因素进行了分析,尤其对新近研究的降雨入渗和裂隙影响的研究进行了定量的分析,改变了以往对这方面只进行定性研究的情况。在此基础上对边坡失稳的机理和考虑裂隙及雨水入渗的稳定分析方法进行了研究。     

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。     

膨胀土的强度及其测试方法

膨胀土的强度参数是膨胀土边坡稳定分析的基础。膨胀土的特殊性以及膨胀土边坡失稳机理的复杂性使得膨胀土强度指标的获取和取值十分困难。以往对于膨胀土的强度曾开展过大量的研究工作,但无论是研究体系,还是试验方法以及强度取值原则都存在一定的差异。人们关注到膨胀土裂隙的存在,却又难以实测到裂隙面上真实的强度指标;关注到膨胀土的非饱和特性,并试图用含水率变化引起的强度衰减来解释边坡的失稳机理;然而,无论采用何种理论,都难以将膨胀土的强度与边坡的失稳机理有机的联系在一起,造成在实际工程中数值分析与边坡实际稳定状态不符的现象。仅从强度理论上讲,膨胀土仍然是一种黏性土,仍然应符合莫尔–库仑强度准则。所不同的是,由于裂隙的存在,使得膨胀土的强度时而显示出均匀介质的特性,时而显示出非均匀介质的特性。因此,研究膨胀土的强度特性,不可避免的要研究裂隙以及裂隙对强度的影响问题。在大量现场工作和室内试验研究的基础上,重点探讨了裂隙对膨胀土强度的影响,提出对于膨胀土的强度应以土块强度和裂隙面强度两套指标进行描述,而土块强度又应区分为有胀缩裂隙和无胀缩裂隙两类,并进一步提出了不同强度的测试方法。     

裂隙对非饱和土边坡稳定性的影响

降雨往往导致含裂隙土坡的失稳。在非饱和土广义固结理论的基础上,对某一边坡进行了变形与孔隙水、孔隙气流动的耦合分析。分析中考虑了非膨胀土和膨胀土边坡中不存在裂隙以及存在裂隙的情况,并对计算结果进行了对比分析。     

裂隙边坡降雨入渗及稳定性分析

为探讨降雨条件下裂隙边坡的渗流及稳定性,选取典型斜坡体的概化模型为研究对象,基于岩土体饱和-非饱和渗流理论,模拟不同裂隙深度和降雨时效下边坡土体孔隙水压力分布及稳定性变化。研究结果表明,坡体裂隙的存在导致雨水迅速入渗,改变了坡体水流的入渗过程和路径;裂隙周围土体孔隙水压力急剧增加,土体有效应力减小,导致土体强度降低;不同深度的裂隙边坡在相同降雨强度下,裂隙越深,边坡稳定性系数下降越快,即越易失稳。     

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。     

结构性损伤膨胀土三轴加载下的裂隙形态及力学表征

基于Kachanov连续损伤变量及Fredlund非饱和土有效应力理论,提出了结构性损伤膨胀土的强度表征方法。以南水北调中线工程南阳膨胀土为研究对象,利用改进型非饱和土三轴仪对不同损伤程度的三组15个重塑试样进行控制净围压分别为50,100,150 k Pa的三轴压缩试验,定量分析荷载作用下初始孔洞损伤基元及裂隙演化形式对膨胀土力学特性的影响。实验表明:考虑结构性及损伤的非饱和土力学表征能够很好地描述土体的力学行为;孔洞损伤对膨胀土强度没有一致的强化或弱化效果,而裂隙发育形态、演化形式对土体结构及强度起主导作用;围压能够一定程度上抑制裂隙的开展,通过裂隙面咬合产生强度。根据破坏机制将该力学关系表示为裂隙发育及残余强度两个阶段,线性硬化破坏、弹塑性破坏、脆塑性破坏、线性软化破坏四种破坏模式。研究可为揭示膨胀土边坡破坏的力学机制及预测提供新的参考。     

非饱和膨胀土裂隙开展深度影响因素研究

 膨胀土的裂隙性是膨胀土区别于其他土类的重要特征之一,裂隙的存在严重影响着膨胀土体的工程特性。对非饱和膨胀土体的张拉裂隙开展深度进行研究,得出同时考虑非饱和膨胀土体有效黏聚力和内摩擦角的裂隙开展深度的线弹性理论关系式,并采用有效黏聚力折减系数来反映有效黏聚力在诸多因素影响下的折减效果,进一步推导出地表基质吸力开裂值的表达式和膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度表达式。研究结果表明,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度与土体的有效黏聚力、内摩擦角、泊松比、地表基质吸力、地下水位深度以及有效黏聚力折减系数有着密切的关系,但影响程度相对不同;地表基质吸力只有达到地表基质吸力开裂值以后,膨胀土体才会由于基质吸力的作用而产生表面开裂,地表基质吸力开裂值可以作为膨胀土体地表开裂的理论判据之一;当地下水位深度趋于无限大时,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度会达到一个极限值,此极限值可作为膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度值。     

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。     

考虑降雨入渗影响的非饱和土边坡瞬态安全系数研究

以土壤体积含水率作为控制变量,应用非饱和土水分运动基本理论建立了降雨入渗过程中土体瞬态含水率的计算模型并且编制了计算程序,在计算模型中通过改变边界条件考虑了降雨过程中土壤入渗能力的变化,采用非饱和土强度理论和极限平衡方法,得出了可以考虑基质吸力影响的边坡安全系数计算公式,编制了计算程序,最后通过具体的算例,讨论了降雨入渗对土质边坡稳定性的影响.     

膨胀土边坡的稳定性分析

根据膨胀土边坡失稳破坏现象，将其破坏类型归结为表层溜塌、浅层破坏和深层破坏，同时对其破坏发生机理进行探讨。然后在考虑膨胀土工程特性和环境因素影响的情况下，对南阳一中等膨胀土边坡进行稳定性分析。进而在此基础上，对上述3种破坏类型的滑面进行研究，提出该实例边坡的合理坡率和浅层破坏滑面位置。     

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。     

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。     

考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析

对膨胀土边坡进行了考虑裂隙和降雨入渗影响的稳定性分析 ,通过工程实例比较了考虑裂隙和不考虑裂隙的差别。研究结果表明 ,考虑裂隙影响的边坡降雨入渗和稳定性分析较为合理和实用。     

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。     

Research on the improvement of rainfall infiltration behavior of expansive soil slope by the protection of polymer waterproof coating

The repetitive expansion and contraction cracks, as well as the strength attenuation induced by the precipitation-evaporation cycles, are important factors influencing the instability of expansive soil slopes. In this study, a polymer waterproof coating was proposed to protect the expansive soil slope against slope instability caused by precipitation penetration. The bonding performance of expansive soil blocks (with different soil densities) and polymer waterproof coatings (with different coating thicknesses) were analyzed by performing a laboratory pull-out test. The impacts of different protection methods and protection layer coverage on rainwater infiltration behavior were studied using three groups of slope model tests and numerical simulation approaches. The results showed that the bond strength between the expansive soil test block and the coating increased with the increase in soil compaction density, and the test block strength was an important factor affecting the bond performance. The influence of density of test block on bond strength was greater than that of coating thickness. The calculation formula of bond strength was obtained by fitting the test results. Compared to the unprotected slope, the fluctuation of soil moisture content and rainwater infiltration rate in the slope protected by polymer coating was found to be the least. Protective layer of polymer coating proved to have the most significant role in blocking rainwater infiltration, followed by polymer coating + three-dimensional vegetation net protective layer. When the coverage rate of the protective layer exceeds more than 90%, the effect of blocking rainwater infiltration was remarkable. Simultaneously, the variation range of slope water content, rainwater infiltration depth, and infiltration rate decreased significantly. This research result provides a new solution for expansive soil slope protection and rainwater infiltration control.     

膨胀土路基边坡等厚式封面层稳定性计算方法研究

 对膨胀土路基边坡进行封面处理, 是保证边坡稳定工作的常用工程措施之一。由于封面土与膨胀土路堤间的界面成为整个路堤的薄弱环节, 由此会导致封面土本身产生稳定性丧失问题, 需要对封面土层进行稳定性计算分析。对于等厚式封面土层, 目前常用的分析方法均是根据无限长平行坡的假设来进行的, 但实际路基边坡是有限长的, 这种方法所假定的滑动面与实际不符。按笔者通过实验所得的滑动面位置, 对膨胀土路基边坡等厚式封面土层的稳定性计算公式进行了推导, 确定了稳定性系数的分析计算公式。     

基于裂隙描述的膨胀土堑坡稳定性分析

以广西白色强膨胀土为研究对象,利用MATLAB软件编制程序对土体裂隙图片进行二值化处理,获得裂隙率与含水率的线性回归关系。现场试验观测表明,雨季前裂隙长期平均宽度0.005 m,利用等效模型,获得表层土体含水率与裂隙间距的相关关系。按照雨水在裂隙中渗流的过程建立裂隙影响下的雨水入渗计算模型,利用不同裂隙间距,来描述裂隙分布。基于裂隙描述的雨水入渗膨胀土堑坡稳定性计算结果表明,是否考虑裂隙对膨胀土边坡稳定性的计算结果影响较大。当裂隙率较高时边坡持续降雨后安全系数会大幅度降低,同时边坡大气剧烈影响深度的加深也会引起安全系数的迅速降低。根据研究结果,对膨胀土边坡治理提出了具体建议。     

膨胀土路基边坡等存式封面层稳定性计算方法研究

对膨胀土路基边坡进行封面处理,是保证边坡稳定工作的常用工程措施之一,由于封面与膨胀土路堤间的界面成为整个路堤的薄弱环节,由此会导致封面土本岙产生稳定性丧失问题,需要对封面土层进行稳定计算分析,对于等厚封面土层,目前常用的分析方法均是根据无限长平行坡的假设来进行的,但实际路基边坡是有限长的,这种方法所假定的没 面与实际不符,按笔者通过实验所得的滑动位置,对膨胀土路基边坡等式封面土层的稳定性计算公式进行了推导,确定了稳定性系数的分析计算公式。