湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式及稳定性

针对北疆地区膨胀土渠道因季节性通水导致的边坡失稳破坏问题,通过建立简化地质条件的离心模型试验,得到了湿干循环下膨胀土渠道边坡的变形及破坏特征,提出了由渠道通水、停水引起的湿干循环下膨胀土渠道边坡的破坏模式;在此基础上,利用GeoStudio软件分析了不同裂隙分布形式对膨胀土渠道边坡渗流特性及稳定性的影响。结果表明:运行过程中渠基膨胀土开裂是引起渠道边坡发生浅层失稳破坏的决定性因素;渠道因季节性通水造成的湿干循环作用下膨胀土渠道边坡破坏模式主要由“子土块”剥落破坏及“后缘张拉裂隙的扩展”2种破坏相互混合叠加构成。对比数值模型中不同后缘裂隙深度下渠坡的安全系数可知,当裂隙贯穿区深度为0.5 m时(工况1),对应的安全系数下降幅度约为60%,但此时的安全系数仍较大,渠坡可视为稳定;而当裂隙贯穿区深度继续增加至1 m时,渠道的安全系数下降幅度达到约74%,此刻的安全系数接近一级安全等级阈值(1.25),渠坡虽仍为稳定,但已经具备了失稳的可能。边坡的浅层破坏主要由“子土块”剥落模式决定,而后缘张拉裂隙的扩展对渠坡的失稳起到促进作用。此外,数值模拟结果还显示裂隙的存在加剧了坡面表层土体的孔压波动,易造成表层“子土块”的剥落。研究成果为进一步揭示季节性通水诱发的膨胀土渠道灾变提供了参考依据。     

冻融作用对植被混凝土抗剪强度的影响

为探讨冻融作用对植被混凝土生态基材抗剪强度的影响,选取冷端温度、含水率和融化温度为影响因素,采用快剪试验监测原始样与冻融样的黏聚力和内摩擦角.结果表明：1）经历冻胀与融沉过程后,植被混凝土的黏聚力降低,内摩擦角在多数情况下表现为增大,二者的耦合作用显示抗剪强度有所降低;2）随着冷端温度的降低,植被混凝土冻融后的黏聚力逐渐减小,而内摩擦角却逐渐增大;3）含水率对植被混凝土黏聚力与内摩擦角的影响具有双重效应,随着含水率的增大,植被混凝土冻融后的黏聚力先快速减小而后缓慢减小至稳定值,而内摩擦角却逐渐减小;4）融化温度的改变不会造成黏聚力和内摩擦角的变化,仅影响冻结植被混凝土的融沉历时.     

冻融状态和初始含水率对土壤力学性能的影响

冻融状态影响土壤的抗剪强度从而威胁季节性冻土地区的工程安全、边坡稳定以及土壤流失。通过直剪试验测定了不同冻融状态和初始含水率对青藏地区(S1)和北京地区(S2)土体抗剪强度的影响。结果显示,2种土在未冻和已融状态下的抗剪强度相似,且均随着土含水率的增加而减小,但S1土抗剪强度比S2土大7.5%~9.7%;在冻融状态下,S1土抗剪强度随着土含水率的增加而增大,而S2土则随之减小。S1冻融土抗剪强度在低含水率(≤13.5%)时小于未冻土和已融土,而在高含水率(≥24.5%)时则反之;S2冻融土抗剪强度小于未冻土和已融土。在冻融状态下2种测试土的内摩擦角显著小于未冻土和已融土,而黏聚力整体上则大于未冻土和已融土。与未冻土或已融土相比,2种土在冻融状态下的强度相对较低,宜作为季节性冻土地区工程设计以及土壤流失防治的基本状态。     

花岗岩残积土边坡草本植物根固效应试验

为了推进根系固土机制的定量研究,在前期边坡调查和植物筛选的基础上,人工种植了百喜草、假俭草、狗牙根3种常见的护坡植物,根据各深度下原状根-土复合体干密度、含水率和质量含根量等物理性质指标,设计了重塑根-土复合体直剪试验方案,实施了3种植物原状和重塑根-土复合体的直剪试验。结果表明:3种原状根-土复合体的抗剪强度在各级法向压力作用下均随含根量的增加而逐渐增大;3种原状根-土复合体的黏聚力和内摩擦角均随深度的增加而减小;3种植物根系在相同的土体状态下对黏聚力的影响排序为狗牙根百喜草假俭草;对土体内摩擦角的影响排序为假俭草百喜草狗牙根。植物根系增强土体抗剪强度的作用不仅受植物种类的影响,还与土体的干密度和含水率密切相关,干密度的增加对黏聚力的提升有显著影响,对内摩擦角的影响却并不大;3种植物重塑根-土复合体的最优含水率均为25%左右。在重塑根-土复合体的直剪试验中,很难探求含根量对抗剪强度指标的影响。     

青藏高原东北部黄土区灌木柠条锦鸡儿根—土界面剪切特性

[目的]分析不同因素对根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度的影响,为深入探讨青藏高原东北部黄土区灌木根系固土护坡机制提供理论依据。[方法]以区内优势灌木植物柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)为研究对象,通过根—土界面直剪试验,分析根径级别为2.20±1.00～32.00±1.80 mm以及土体含水量、干密度和含盐量分别为6.00%～22.00%,1.20～1.60 g/cm³,0.59%～2.50%的条件下,各因素对柠条锦鸡儿根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度的影响规律。[结果]在其他影响因素恒定的情况下,根径对根—土界面抗剪强度指标和抗剪强度无显著影响(p>0.05)。随着土体含水量由6.00%增大到22.00%,根—土界面黏聚力呈先增大后减小的趋势,当土体含水量达到14.00%时黏聚力达到峰值6.74 kPa;根—土界面摩擦角由21.40°降低至15.75°,呈线性函数降低趋势;根—土界面抗剪强度呈线性函数降低趋势。随着土体干密度由1.20 g/cm³增长至1.60 g/cm³,根—土界面黏聚力由...     

干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

为揭示干湿循环效应下膨胀土胀缩裂隙的演化特征及土体结构强度的劣化规律,对合肥弱膨胀土试样开展不同循环幅度下的干湿循环试验,利用图像处理技术从试样表面裂隙图像中提取出裂隙参数,并进行低应力下的抗剪强度试验。试验结果表明:1)裂隙开展分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发展期3个阶段,裂隙指标的增长主要集中在裂隙快速传播期,且循环幅度的增大会使土体的开裂程度加剧;2)在干湿循环作用下,膨胀土的内摩擦角变化幅度小于2.2°,其受干湿循环次数的影响很小,土体的强度衰减主要源于粘聚力的大幅降低。膨胀土的粘聚力呈现出先快后缓的衰减趋势,其中前4次干湿循环期间粘聚力的衰减率达到50.97%～66.92%,且衰减率也与干湿循环幅度的大小密切相关;3)通过灰色关联度分析发现,粘聚力的衰减与裂隙面积率、裂隙总长度、裂隙平均宽度的变化趋势具有明显的关联性,其中裂隙面积率的关联度最大,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832,相应的权重达到0.461～0.472,且裂隙面积率与粘聚力衰减率间具有较好的线性关系,而裂隙平均宽度的关联度最小,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.392～0.414,对应的权重仅为0.228～0.240。研究成果可为进一步揭示剧烈温湿变化诱发的膨胀土边坡灾变机理提供重要依据。     

根系含量对土壤抗剪强度的影响

为了深入研究根系对土壤的"加筋"作用,即充分了解植物根系对边坡土体抗剪强度的影响,通过直剪试验研究了安山口、八毛地、瓷器山和高岭山头等4处边坡的原状土和无根扰动土的剪应力-剪切位移关系,探讨了不同平均含根量的土体抗剪强度。结果表明:平均含根量为0.945%的安山口、1.154%的八毛地、1.326%的瓷器山及1.173%的高岭山头等4处原状土的黏聚力明显比对应的无根扰动土大,黏聚力增幅分别为5.05%、17.10%、36.93%和33.42%,内摩擦角提高并不明显;随着含根量的增加,土体的黏聚力增大,抗剪强度增大;草灌混合植物根系与草本植物根系相比能更有效地提高土壤的抗剪强度。     

煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征

为减小膨胀土对土木工程设施及农业生态环境的危害,进行掺加煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。该文以内蒙古兴和县高庙子乡的膨胀土和煤矸石为研究对象,通过无荷膨胀试验、有荷膨胀试验和收缩试验确定煤矸石粉的最佳掺量,对最佳煤矸石粉掺量的膨胀土进行干湿循环试验,利用直剪试验测定每次干湿循环后试件的抗剪强度指标;通过压汞试验测得孔隙特征值,从微观角度揭示强度变化机理。试验结果表明:煤矸石粉掺量为6%时抑制膨胀土的胀缩性效果最佳;干湿循环作用使素膨胀土黏聚力和内摩擦角均有所衰减,掺入煤矸石粉后强度衰减得到控制;随干湿循环次数的增加孔径逐渐向大孔范围聚集,团粒结构增多,使素膨胀土的抗剪强度指标降低;经过5次干湿循环,掺加煤矸石粉土样的大孔孔隙密度比素膨胀土降低约35%,煤矸石有效阻止膨胀土的强度劣化。     

排土场土体裂缝区植被根系及抗剪强度分布特征

为揭示排土场土体裂缝区植物根系和抗剪强度分布特征,采用根钻法、WinRHIZO根系分析系统和直剪仪研究了0—60 cm土层植物根系、黏聚力和内摩擦角随土层深度的变化规律。结果表明:3个样地根系特征参数不同,随土层深度增加而减小,主要分布在0—20 cm土层,根密度和根重密度为88.81～303.03个/10³cm³,0.15～2.69 mg/cm³。根系以径级d≤0.1 mm和0.1 mm相似文献   

基于土-水特征曲线的植物边坡抗剪强度研究

土-水特征曲线通常用于估计非饱和土壤的抗剪强度,但是由于植物根系的吸水作用和加筋效应,使得植物边坡的抗剪强度不能直接利用基于基质吸力的非饱和土抗剪强度计算公式进行计算。以裸露边坡和植被边坡为研究对象,采用张力计现场测试和室内剪切试验相结合的方法,拟合水土特征曲线关系。结果表明:(1)植物根系的植入有效地提高了边坡土体的进气值,较素土进气吸力值增幅41.10%。在同等含水率条件下,植物边坡基质吸力明显大于素土边坡,提高了边坡土体的持水能力。(2)边坡红黏土基质吸力与含水率的关系符合V-G模型,利用最小二乘法得到模型参数。(3)随着体积含水率的增大,带根土与素土的抗剪强度参数值变化趋势大致相同,均呈现先增大后减小的趋势,但带根土的变化参数大,当含水率21.29%时,带根土黏聚力相较于素土增加了4.86 kPa,增幅18.55%,而内摩擦角对根系存在的敏感程度不如黏聚力。(4)随着土壤基质吸力不断增大,植被边坡与素土边坡的抗剪强度力学参数变化趋势大体相同,当土基质吸力为60～90 kPa土体的黏聚力提高最为明显,但植被边坡由于植物根系的存在,土体内基质吸力对边坡土体的抗剪强度提高幅度更大,黏聚力与内摩擦角最大增长幅度分别为37.34%和40.30%。通过建立土-水特征曲线参数与植物边坡抗剪强度的关系,可计算不同含水率或基质吸力条件下植物边坡的抗剪强度,为进一步分析工程实际中植物边坡的稳定性提供理论依据。     

木质素纤维改良膨胀土的冻融特性及微观机理

高寒区复杂环境场是渠基膨胀土劣化的主要原因，渠基膨胀土改良是保障渠系工程安全运行的重要手段。为探索冻融循环下膨胀土的纤维改良效果，以北疆某引调水工程为背景，开展木质素纤维改良膨胀土的系列室内试验，探明冻融循环下改良膨胀土的体变特性、抗压强度特性、抗拉强度特性及其作用机理。结果表明：相较于未改良试样，冻融循环下改良试样的体积变化率减小了24%～37%；在15次冻融循环后，未改良试样抗剪强度衰减率在42.2%以上，而改良试样抗剪强度衰减率则显著低于29.1%；反复冻融作用并未显著影响试样的压应力-应变关系曲线特征，而是造成试样拉应力-应变关系由“线弹性增长-强化-软化”特征发展为“线弹性增长-软化”特征；木质素纤维的掺入可以有效改善冻融循环下膨胀土的体变特性、抗剪强度特性、抗压强度特性、抗拉强度特性，且当掺量和长度分别为2%和1 mm时，木质素纤维改良膨胀土冻融特性的作用效果最为显著。同时，冻融循环下改良试样内部结构损伤程度显著低于未改良试样，原因在于木质素纤维的存在限制了冻融循环下土颗粒间的错动、重分布，在一定程度上保证了膨胀土内部结构完整性。     

冻融循环和土壤性质对东北黑土抗剪强度的影响

为了揭示东北黑土区季节性冻融循环作用和土壤性质对土壤可蚀性的影响,采集黑龙江省宾县典型薄层黑土区(BX)和克山县典型厚层黑土区(KS)0—20cm的耕层土壤,通过室内冻融循环模拟和土壤直剪试验,分析了冻融作用和土壤性质对土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)经历1次冻融作用后BX和KS 2种供试土壤抗剪强度分别减小3.9%和9.2%,二者黏聚力分别减小15.2%和29.4%,内摩擦角分别减小1.4%和3.6%。经历7次冻融作用后,BX和KS2种供试土壤抗剪强度分别减小9.1%和15.1%,土壤黏聚力分别减小40.7%和74.5%,土壤容重分别减小6.7%和9.2%。受土壤有机质、水稳性团聚体、黏粒含量等的影响,KS土壤抗剪强度、黏聚力、内摩擦角和土壤容重的减小幅度皆大于BX供试土壤。(2)2种供试土壤抗剪强度皆随冻融循环次数的增加呈先逐渐减小后趋于稳定的变化趋势;第1次冻融循环对土壤抗剪强度破坏最大,经历1次冻融循环后2种土壤抗剪强度和黏聚力的减小量分别占7次冻融循环土壤抗剪强度和黏聚力总减小量的43.4%和61.0%,37.3%和39.4%。(3)土壤抗剪强度与土壤容重和团聚体平均重量直径(MWD)呈极显著的正相关,而与冻融循环次数呈极显著的负相关。     

冻融循环对不同比例风化砂改良膨胀土膨胀力的影响

[目的]研究风化砂改良膨胀土的膨胀力与风化砂掺量、冻融循环次数之间的定性和定量关系,为风化砂改良膨胀土用作公路路基提供理论依据。[方法]在膨胀土中分别掺入0,10%,20%,30%,40%,50%的风化砂,在分别经过0,1,3,6,9,12次冻融循环后,在固结仪上进行膨胀力测试。[结果]风化砂的掺入可明显降低膨胀土的膨胀力;在相同的冻融循环次数下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随掺砂比例的增大而减小,膨胀力降低的幅值随掺砂比例的增加亦逐渐减小;在相同的掺砂比例下,风化砂改良膨胀土的膨胀力随冻融循环次数的增大而减小,膨胀力降低的幅值亦逐渐减小。当掺砂比例相同时,风化砂改良膨胀土的膨胀力与冻融循环次数的自然对数呈线性负相关关系。[结论]不同的冻融循环次数和不同的掺砂比例对膨胀土的膨胀力均有影响。     

W-OH砒砂岩固结体干湿循环特性及其细观机理

[目的]对W-OH砒砂岩固结体干湿循环特性及其细观机理进行研究,为实现W-OH固结改良砒砂岩及其耐久性研究提供科学依据。[方法]采用W-OH(亲水性聚氨酯材料)对砒砂岩进行固结处理,基于无侧限抗压试验、三轴抗压试验,研究其在干湿循环条件下的力学性能,并结合SEM,EDS和称重法对其干湿循环后样品微观结构、元素和质量损失进行分析,以获得其破坏机理。[结果]W-OH砒砂岩固结体的无侧限抗压强度、弹性模量和黏聚力在1～3次干湿循环后升高;在3～9次干湿循环后,固结体的力学强度降低;9次之后,剩下高黏结力的W-OH胶结体包裹于砒砂岩颗粒表面,力学强度趋于稳定。内摩擦角在1～9次干湿循环后上下波动,9次干湿循环后趋于稳定。采用碳元素分析和质量损失分析相结合的方法对土样中W-OH流失特性进行评价,发现土样在1～9次干湿循环中W-OH胶结体逐渐降低,并在9次干湿循环后达到稳定,这与上述宏观力学变化的规律相似,验证了破坏机理,为判断其长期特性提供理论依据。[结论]研究表明可将9次干湿循环后达到稳定的W-OH砒砂岩固结体的力学性质作为土体的长期力学特性。     

冻融作用对原状棕壤抗剪强度的影响

为揭示冻融循环作用对棕壤抗剪强度的影响,采集沈阳地区5 cm和25 cm 2个深度原状棕壤(分别为H 5和H 25)为研究对象,通过室内冻融循环模拟和土壤直剪试验,研究冻融循环次数和土壤含水率对土壤抗剪强度的影响。结果表明:(1)土样含水率越高,初次冻融作用的破坏效果越强,1次冻融循环后,含水率为25%的H 5和H 25土样黏聚力分别下降50.00%和25.87%;含水率35%的H 5和H 25土样黏聚力分别下降75.61%和50.77%。15次冻融循环后,含水率10%的H 5和H 25土样黏聚力分别增加74.36%和60.08%;含水率35%的H 5和H 25土样黏聚力分别增加14.63%和26.15%。但在2个不同含水率条件下,黏聚力的增大机制不同。(2)含水率为15%,20%,25%条件下,H 5和H 25土样内摩擦角在多次冻融循环中始终在一定范围内波动,说明这3个含水率下冻融作用对土壤内摩擦角影响具有不确定性。35%含水率的H 5和H 25土样内摩擦角受冻融作用的影响较小,分别在(18.57°±0.88°)和(12.86°±1.14°)变化。(3)平均抗剪强度主要受土壤含水率影响,随着含水率的增加呈指数函数减小。受黏粒含量影响,含水率低于25%时,H 25土样平均抗剪强度高于H 5土样;含水率高于25%时,H 25土样平均抗剪强度偏低。     

干湿循环条件下重庆地区三种土壤抗剪强度的动态变化

选择广泛分布于重庆丘陵山区的黄壤、钙质紫色土和中性紫色土3种土壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响,在含水率和干密度对土壤抗剪强度影响分析的基础上,3土壤按各自最优含水率和干密度制作干湿循环试验土样,进行干湿循环条件下土壤抗剪强度的动态变化分析。试验结果显示：(1)在相同干密度情况下,3种土壤粘聚力c值随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,土壤粘聚力c值随干密度增大而增大,3种土壤内摩擦角φ值在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势。(2)含水率和干密度的交互作用对土壤粘聚力c值有显著影响,粘聚力c值在1.3-1.7g/cm₃干密度范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c值达到最大,含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ值影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大。(3)3种土壤的粘聚力c值均随干湿循环次数的增加均呈减小趋势,且前两次循环c值衰减幅度都很大,从第三次干湿循环到第五次干湿循环粘聚力c值衰减幅度很小,趋于稳定。(4)3种土壤在干湿循环后内摩擦角φ值总体呈减小趋势,但不同土壤类型间存在差异,第五次循环结束后,黄壤为24.6?,中性紫色土为22.6?,钙质紫色土为19.3?。     

基于弹性薄层接触模型研究衬砌渠道双膜防冻胀布设

渠道衬砌下双膜防渗层可解除渠基土冻结力,释放衬砌结构位移以适应不均匀冻胀,但会影响衬砌结构的刚度与稳定性。为研究最佳双膜防渗层布设形式及其适应性,考虑双膜防渗层接触本构及衬砌结构与渠基土的相互作用,依据基土水热力三场耦合理论建立了寒区衬砌渠道的冻胀模型,通过数值模拟仿真分析了不同断面及不同双膜防渗层布设形式的弧底梯形渠道衬砌的冻胀受力与变位。结果表明:宽浅断面渠道采用双膜衬砌结构时,膜间摩擦力过小造成刚度和稳定性严重降低以及衬砌拉应力增加。适当的膜间摩擦力可以解除部分冻结约束,调整局部不均匀冻胀,而且发挥弧底反拱作用不产生拉应力。采用PE膜与无纺布作为层间接触的双膜衬砌结构,冻胀位移方差减小25%,同时整体位移增加不超过0.2 cm,削减冻胀应力50%以上。在不显著降低结构整体稳定性前提下,其整体刚度和结构强度提高程度最大,故同时适用于窄深渠道和宽浅渠道。研究为寒区衬砌渠道中双膜防渗层的合理布设提供科学依据。