不同颗粒组分下泥石流离心机模型试验研究

采用自主研发的离心机可视化试验装置,在坡度和降雨强度不变的条件下,进行降雨诱发泥石流离心机模型试验,研究不同颗粒组分对泥石流形成形态的影响。通过配置五组不同细颗粒含量的土样进行20g加速度下的离心机试验,分析宏观位移场、水分迁移、孔隙水压力等,研究不同颗粒组分下泥石流的形成机理。研究结果表明:随着细颗粒含量由10%增大至70%,泥石流破坏形态由分层滑动型破坏向整体流滑型破坏转变;不同颗粒组分下渗透系数的不同,是泥石流不同破坏形态的主要原因。     

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。     

灌溉诱发型黄土滑坡离心模型试验研究

滑坡是一种常见的地质灾害,灌溉诱发黄土滑坡失稳是常见地质灾害之一。灌溉作用不仅改变了地下水平衡,而且降低了土体的抗滑强度,从而导致黄土滑坡的发生。针对黑方台焦家崖头13号黄土滑坡,开展了灌溉作用下滑坡失稳机理的离心模型试验研究,揭示了黄土滑坡的变形特性、应力水平及破坏模式。离心模型的制作考虑了"粒径效应"、"尺寸效应"。离心试验结果表明:随着加载时间和离心加速度的增大,模型坡体沉降量、坡体土压力、坡体孔隙水压力均逐渐增大;坡体沉降量由坡顶至坡脚逐渐减小,最大垂直位移为33.38 mm,坡体土压力由坡顶至坡脚逐渐增大,最大土压力为320 k Pa,坡体孔隙水压力表现为坡顶坡脚坡体中部,最大孔隙水压力为157.08 k Pa;坡体呈现出两级破坏模式,即第一阶段的坡脚蠕动变形,坡顶压制拉裂,第二阶段的坡体剪切滑移。     

降雨条件下折线型滑面的大型滑坡稳定性离心模型试验

以大型土工离心机为技术依托,采用离心模型试验,研究开挖和降雨对滑面为折线型的大型滑坡变形破坏和稳定性的影响。试验中采用变形标志点、颗粒图像测速技术(PIV)和可承受高离心力的传感器,在获取坡体土压力、孔隙水压力和位移矢量场的基础上,综合分析开挖和降雨诱发大型滑坡变形破坏的特征及失稳模式。试验结果表明,在滑面形态变化大的部位开挖卸荷容易引起折线型滑面大型滑坡的局部复活;受开挖卸荷和降雨影响,滑坡后缘的开挖斜坡位移最大且最先失稳;受降雨的影响,滑坡前部位移较大,坡体表面变形破坏严重,开挖斜坡下部发育一条次级滑裂面,滑坡后缘和开挖平台前沿滑面坡度突变处各形成一条潜在主滑裂面。离心模型试验显示折线型滑面的滑坡受开挖和降雨的影响可表现出分级分块滑动的变形破坏特征。稳定性分析表明,降雨使折线型滑面的大型滑坡不同滑段稳定性系数不同程度降低,滑坡后缘、开挖斜坡和滑坡前缘处于不稳定状态。     

坡面型泥石流治理过程中土体变形机制宏细观研究

 试验利用“锚杆–护坡”模拟“锚杆固定大面积护坡”进行坡面型泥石流治理试验,研究坡面型泥石流“锚杆–护坡”治理过程中土体变形的宏细观机制。试验观测表明在“锚杆–护坡”治理下坡体未发生分层滑动,坡体位移场分析中出现了潜在的圆弧状薄弱面,坡体形成类似于黏土的小位移圆弧滑移趋势。采用可视化细观测试系统从细观尺度研究坡面型泥石流“锚杆–护坡”治理下土体的变形机制。细观分析可知,试验过程中,颗粒下沉并在坡体底部积聚,坡体下层细颗粒含量增加,上层以粗颗粒为主,导致坡体上部面积孔隙率大于底部,坡体结构由不同粒径颗粒均匀分布变为“底部细颗粒沉积密实,上层粗颗粒骨架稳定”的相对稳定结构。试验研究表明：“锚杆–护坡”的滤水固土作用,改变坡体的变形机制和结构,减小坡面型泥石流的发生几率,为坡面型泥石流的工程治理提供参考。     

包裹式加筋砂土边坡离心机试验研究与对比分析

利用自主设计的宏细观可视化全程拍摄系统,对包裹式加筋砂土边坡进行了离心机模型试验。研究了20g离心场下包裹式加筋砂土边坡宏观变形模式和力学性状以及筋土界面处细观作用机理和土颗粒运动规律。将离心机试验结果与1g静力模型试验结果进行了对比,分析了不同应力场下加筋边坡变形破坏的宏细观机理。研究结果表明：不同应力场下包裹式加筋砂土边坡破坏模式不同,高应力状态下界面处摩擦咬合力峰值大于筋材拉伸断裂强度,而低应力状态下界面处筋材拉伸断裂强度大于摩擦咬合力峰值。筋土界面处不同的应力状态是影响筋土界面作用方式的重要因素。该研究对进一步认识包裹式加筋砂土边坡破坏机理有积极意义。     

蒋家沟流域暴雨滑坡泥石流共生关系试验研究

分析了蒋家沟流域内特殊环境下崩中有滑、滑中带崩的特殊形式的滑坡。通过大型人工降雨滑坡泥石流试验和小型模型试验，对试验现象进行观测和含水量监测，研究暴雨条件下发生的坡面侵蚀、崩滑现象和由此引发滑坡，滑坡土体转化成泥石流的全过程，揭示了蒋家沟流域特殊环境下的暴雨、滑坡、泥石流共生关系。试验证实，蒋家沟流域暴雨、滑坡、泥石流共生关系中含水量分布有一定范围。     

边坡与隧道相互作用研究进展

综述了边坡与隧道相互作用的研究进展,主要内容包括边坡中隧道病害调查并以小曼萨河隧道为例分析了滑坡隧道病害状况、坡体病害与隧道变形的分类、坡体病害与隧道变形的地质结构模式、边坡与隧道相互作用的模型试验、边坡与隧道相互作用的数值研究方法及其研究发展动态。通过对滑坡隧道病害现场的调查情况以及滑坡与隧道相互作用的变形机理、模型研究以及分析方法的总结及展望,为以后的相关研究提供一些参考和思路。     

有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验

利用自行设计的离心机细观图像观测系统,在离心机上对有地下结构的饱和砂土层进行了地震液化宏细观模型试验。离心机细观图像观测系统主要由高速摄像机、地铁车站模型和工控机组成。摄像机安装在地铁车站模型内部,通过深埋和浅埋车站模型可以实时动态记录地震发生过程中砂土地基不同深度砂颗粒运动细观图像,同时测量了加速度和超孔隙水压力等宏观地震响应特性。利用图像处理技术对拍摄的细观照片进行分析,从颗粒运动特性、颗粒长轴定向、接触法向、接触数和孔隙率等细观组构参量的动态变化揭示不同深度的饱和砂土地基液化的细观机制。试验表明：深层砂土在地震作用下的运动表现为类似管涌特征,颗粒长轴经过地震后偏向竖直方向,而浅层砂土的运动表现为砂沸,颗粒长轴排列地震后较均匀。饱和砂土地震响应宏观特征与细观组构变化具有良好的一致性。试验结果有助于从细观层面揭示砂土液化的机理。     

牵引式滑坡演化模式研究

该研究以甘肃黑方台为区域背景,通过离心模型试验与应力路径试验相结合的手段,研究地下水位抬升引发牵引式黄土滑坡的演化模式和力学机理。离心模型试验中,模型边坡的尺寸为0.8 m×0.4 m×0.45 m(长×宽×高),离心加速度为100g。在试验中,通过水位控制系统实现地下水位的不断抬升,利用数码摄像、孔隙水压力及激光位移传感器、侧面示踪点等仪器设备详细记录地下水位抬升过程中边坡内的孔隙水压力、边坡变形、滑动面形态及坡面裂缝的形成和发展过程。应力路径试验中,通过恒载增孔压试验和偏压固结不排水试验,模拟了滑坡酝酿启动过程和局部破坏向整体滑移的发展过程。基于以上成果,提出饱水黄土在上覆荷载下因孔隙水压力增大而失稳,在卸荷条件下使应力重分布,导致局部剪切带发展并逐渐形成贯通的破坏面,边坡表现为牵引式的破坏模式。该研究结果有助于深入认识水位抬升引发牵引式滑坡的演化模式和力学机理,为治理此类滑坡提供科学依据。     

土体降雨滑坡中细颗粒运移及效应

针对土体中细颗粒迁移对滑坡泥石流启动的影响开展了实验,比较了不同纵横剖面的颗粒级配在不同位置及实验前后的结果。研究发现,沿土体深度方向均是细颗粒下移,中部聚集程度最高;沿坡面方向,在离土面相同距离的位置,后部细颗粒多,前部细颗粒少。可以初步认为,随着降雨入渗,细颗粒逐渐汇集到土体下部和土坡坡角,从而使相应位置的渗透性降低,孔压上升,孔隙水聚集于该处,形成滑动面,最后导致滑坡泥石流。     

库岸古滑坡离心模型试验研究

针对一库岸古滑坡进行了水位骤降条件下 失稳机制 的离心模型试验。 离心模型的制作考虑了原型边坡的大尺寸和非均质特征,离心试验过程中进行了上下游水位的实时控制,试验后进行了边坡土体物理特性和强度特性的对比试验。离心试验结果表明：水库蓄水导致坡脚抗滑阻力降低,坡体前缘出现裂缝并随着水位上升出现坡脚坍滑;水位骤降坡体内产生向外的动水压力,加剧坡脚滑动并形成牵引式滑坡趋势;坡脚被加固后边坡变形情况得到明显改善,滑动被阻止,边坡整体稳定性提高。离心试验前后边坡土体的物理力学试验结果揭示：坡脚滑动会造成坡体土密度和含水率重新分布,并导致近滑动区土体强度特性改变、强度指标下降。 另外,水下土体随浸没时间增长黏聚力会降低直至消失。     

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。     

水位变化诱发粉土边坡失稳离心模型试验

粉土具有明显的非饱和土力学特性,坡内外水位变化诱发粉土边坡失稳是常见工程灾害之一。分别针对坡内和坡外水位变化诱发的粉土边坡失稳情况,开展了相应的离心模型试验研究,结合非饱和土力学相关理论分析和数值模拟,揭示了粉土边坡在两种情况下的变形及失稳模式和发生机制。结果表明：当坡内水位超过1/3坡高后,在坡内渗流作用下,粉土边坡呈现逐级侵蚀剥落、从坡脚向坡顶、由浅层向深层的多级滑坡失稳;坡外水位上升将导致松散粉土边坡发生显著湿陷变形,而坡外水位骤降将造成粉土边坡的多重浅层牵引式滑坡。粉土边坡的失稳模式和发展与粉土的非饱和土力学特性密切相关。最后根据模型试验结果提出了相应的粉土边坡渗流失稳工程控制措施。     

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。     

碎石土渗透特性对滑坡稳定性的影响

结合工程实践，通过现场工程地质调查与勘探和室内外物理力学试验，采用数理统计分析方法和不平衡推力法，对碎石土的一般物理力学特性、渗透特性以及碎石土滑坡中地下水管网状排泄系统对滑坡稳定性和失稳破坏的作用机制进行分析和研究。结果表明，碎块石粒组的含量和以粉粒、黏粒为主的细粒土粒组的含量对碎石土渗透系数影响最大且最为显著，碎石土的渗透系数分别随土中碎块砾石粒组含量和小于0．1mm粒径的细粒土粒组含量的增加而呈自然指数增大和降低；碎石土滑坡中地下水管网状排泄系统对天然边坡的稳定起关键作用；当碎石土滑坡中地下水管网状排泄系统遭受破坏和堵塞时，地下水位将明显上升，从而使潜在滑面的孔隙水压力及下滑力明显增大，导致边坡稳定性系数极大地下降，甚至使边坡失稳解体破坏。     

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。