路基边坡降雨试验及基于神经网络的水分场研究

为了研究降雨条件下路基边坡土体含水率的变化规律及雨水入渗过程,进行一系列不同降雨强度、不同坡度条件下的室内降雨模拟试验。以土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素作为输入单元,体积含水率作为输出单元,选取试验数据输入训练,建立含水率的遗传算法神经网络预测模型。预测检验后,利用神经网络对2.7 mm/min降雨强度下40°边坡的降雨入渗过程进行预测研究。研究结果表明:对于路基边坡,当土的性质、压实度、排水等条件相同时,土体含水率受降雨历时、土体空间位置、坡度和降雨强度这4个因素共同影响;随降雨的进行,土体含水率逐渐增加,浸润范围不断增大,受空间位置影响距入渗面越远则含水率变化滞后,增长速率及幅度减小;在相同雨强下,不同坡度边坡坡顶土体含水率变化过程相似,而随坡度的增大,坡脚土体含水率的增长速率及幅度逐渐减小;随雨强的增加同一边坡相同位置处土体含水率越早开始增大,其增长速率及幅度也随之增加;利用所建立的含水率遗传算法神经网络预测模型所得入渗结果与试验观测结果接近,表明该神经网络方法能较好地描述路基边坡土体含水率的变化情况及雨水的入渗过程。     

公路边坡降雨侵蚀特征及土的崩解试验

为研究公路边坡降雨侵蚀的特殊性以及土质边坡的可蚀性，通过观察分析，并利用自行研制的崩解仪进行了压实黄土浸水崩解试验。试验结果表明，公路边坡降雨侵蚀中的重力侵蚀所占比例较大，坡面土的崩解是主要分散方式。建立了有效空隙比与崩解速率的相关关系，说明压实度、含水量对崩解影响的本质，即压实度、含水量的变化可统一用土的有效空隙比说明崩解规律，回归公式可用于预测压实土的崩解速率。土的崩解性反映了压实土的可蚀性，通过对比得出，边坡上压实土的可蚀性可用崩解速率表征，在工程水土保持研究中可用崩解速率作为土的可蚀性评价指标。     

非饱和土路基水气迁移规律及其影响因素实验

非饱和黏土的水气迁移影响着路基服役期间的安全运行和长期使用性能的保障。研究非饱和土路基水气迁移规律对路基路床湿度的影响具有重要的工程应用价值和意义。本文通过室内试验模型,运用高低温交变恒温箱改变环境温度,模拟四季环境温度对水分迁移的影响。模拟非饱和黏性土气态水迁移过程,并进行影响因素的敏感性分析。获得非饱和黏性土的水气迁移规律并进行影响性因素评价,实验结果表明,非饱和土水气迁移过程中,含水率梯度对气态水迁移量影响较大;迁移时间对液态水迁移影响较大;低温环境下以液态水迁移为主,随环境温度升高气态水迁移量占比逐渐升高。含水率梯度,含水率水平,压实度,迁移时间,不同环境温度均对气态水迁移量均有贡献,其中压实度对其影响最小。在实际工程中应更重视水气两相迁移对路基土体性能的影响。     

行车荷载作用下粉土路基的永久变形

为探讨行车条件下沥青路面粉土路基的永久变形规律,首先依据弹性层状体系理论计算不同路面结构类型、不同车辆轴质量下,沥青路面路基的竖向附加应力分布特征;然后通过动三轴试验,分析了粉土路基土在重复荷载作用下的累积塑性应变与动应力大小、土体物理状态的关系,并建立粉土路基土的循环累积塑性应变预测模型;基于上述理论分析和试验结果,探讨行车荷载作用下粉土路基的永久变形.研究表明:路基永久变形随轴载作用次数增加而逐渐增大,但当作用次数超过1×106次,增大速率逐渐减缓;压实度对粉土路基的永久变形影响较大,当路基压实度较低时,提高压实度、增加基层厚度或增大基层模量均能显著减小路基的永久变形,但当压实度高于93%,不同行车荷载、不同路面结构的路基永久变形差别减小.     

黄土边坡降雨入渗规律试验

为研究降雨对边坡稳定性的影响,利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型,进行了不同初始含水量和不同降雨条件下黄土路堤边坡湿润锋和入渗率的试验,探索了黄土路堤降雨入渗过程,分析了黄土路堤边坡稳定性对降雨历时和降雨强度的敏感程度及入渗变化规律.结果表明:雨水入渗路堤土呈先快后慢的趋势,湿润锋从规则向不规则逐渐转化;入渗率与边坡初始含水量、路基压实度和降雨历时成反比关系,与降雨强度基本无关.     

压实黄土路基中水分迁移的数值模拟

根据达西定律和质量守恒原理得到路基土中水分运动的基本方程，并以此方程作为黄土路基中水分迁移研究的理论基础。采用离心机法测定路基土的水分特征曲线，由土中水分再分布过程的原理，通过室内渗透试验得出路基土的导水参数；结合路基实测含水量来确定边界条件；应用有限元法对路基内的水分迁移规律进行数值模拟。结果表明，数值模拟结果与实测值吻合较好，能较准确地反映压实黄土路基土内的水分运动。     

毛细水对粉砂土路基边坡稳定性影响研究

毛细水上升会引起路基含水率变化,进而影响路基边坡稳定性.因此,设计制作3个坡度变化的路基模型,填筑开封粉砂土,边坡采用未处理、硬化及绿化3种工况,进行毛细水上升实验,研究毛细水上升高度、速度,分析毛细水上升引起的土的含水率变化;建立有限元模型,分析不同工况时含水率对路基竖向位移的影响.实验表明:坡度1∶1.8路基毛细水上升高度最低,土的含水率最小;毛细水作用下,边坡硬化及绿化后土的含水率变大,而未处理边坡土的含水率最小.数值分析表明:路基竖向位移随着含水率的增大而增大;在含水率小于15%时坡度1∶1.8的路基竖向位移最小,在含水率大于18%时坡度1∶2的路基竖向位移最小.总之:毛细水对坡度1∶1.8的路基含水率影响较小,此时路基竖向变形最小.     

不同供给源下的粗粒土水盐迁移特性分析

为探究不同供给源下的粗粒土水盐迁移时空分布特性,根据新疆盐渍土地区的实际工况,选择氯盐为研究对象,掺配3种不同细粒掺量的粗粒土,开展不同压实度与不同供给源组合的粗粒土水盐迁移试验,分析在不同供给源下,细粒掺量与压实度对粗粒土水盐迁移时空分布的影响。结果表明：随着细粒掺量由10%、20%、30%依次递增,水盐迁移趋势逐渐显著;压实度对水盐迁移的影响会因供给源的不同而不同;盐溶液供给源下的水盐迁移速率较小,但迁移高度较高;盐渍土供给源下的水盐前期迁移速率较大,但后期迁移速率有所减小。盐溶液供给源宜选用细粒掺量少的粗粒土进行换填,并尽可能提高压实度;盐渍土供给源的盐渍土部分宜适当降低压实度,换填非盐渍土宜选用细粒掺量为20%左右的粗粒土并提高压实度,由此控制水盐迁移水平。研究成果可为粗粒盐渍土路基结构设计提供一定的理论依据和技术支持。     

压实方式影响路基湿度场演变规律数值试验研究

为研究路基湿度场受压实方式影响所产生的变化与分布问题,分别构建4种具备不同压实方式的路基数值试验模型,通过分析二维入渗方式的降雨试验结果,总结不同压实方式影响下路基湿度场扰动区的分布特征,以及扰动区扩距、路基湿度与梯度变化的主要规律,并阐述其根本机理。研究结果表明:降雨入渗路基产生湿度扰动区可划分为前、后2个区域,后区表现为湿度较大、梯度较小,前区表现则与后区相反;湿度扰动区扩距和湿度都随着路基压实度的增加而呈线性减小,前扰动区的湿度梯度随着路基压实度呈线性递增;雨水入渗路基速度矢量的竖向分量远大于水平向分量,受到路基压实区组合方式影响,非饱和扰动区的下层路基湿度随上层路基压实度增加呈线性显著降低。     

长期降雨对路堤填土变形和压实度影响分析

针对潮湿多雨地区典型路基填土,在京台高速公路高液限路堤填土试验研究的基础上,选取典型断面利用Geo Studio有限元软件开展数值模拟研究,考虑非饱和路堤填土的应力和渗流耦合进行固结分析,研究在长期降雨工况下路基沉降变形规律,进而分析长期降雨对变形和压实度的影响规律以及压实度与路基沉降之间的关系。研究表明:对于不同含水率填土路堤,无论是连续施工和间歇施工,竣工期的沉降量占了总沉降量的绝大部分,竣工时和沉降稳定后路堤的最大沉降量都随含水率的增大而增大。当遇长期降雨时,竣工和沉降稳定时路堤的沉降量都比无降雨时大;长期降雨情况下路堤沉降稳定时压实度增量比无降雨时大。     

膨胀土基坑边坡降雨入渗的一维数值模拟

应用非饱和膨胀土一维降雨入渗模型,模拟膨胀土边坡在降雨入渗条件下的水分运移规律,通过数值计算, 求得边坡在任意时刻任意位置的体积含水率;并分析了降雨强度、水分扩散率以及导水率变化对边坡水分运移的 影响.计算结果可以用矩阵的形式和三维空间曲面的形式表示出来,方便应用.     

降雨和坡度对路基边坡产流产沙的影响

【目的】分析降雨和坡度对铁路路基边坡产流产沙的影响,为胶东半岛区域铁路建设过程中路基区水土流失监测及防治提供技术支撑。【方法】采用人工模拟降雨试验,在3种雨强(20、40、60 mm/h)、2个坡度(30°、35°)模拟条件下,研究降雨、坡度对胶东铁路路基边坡产流产沙的影响。【结果】模拟降雨条件下,当降雨强度由20 mm/h增加到60 mm/h,相同坡度下的路基边坡产流起始时间缩短56～73 s; 当坡度由30°增大到35°,相同雨强下的路基边坡产流起始时间提前2～23s。径流量、产沙率在降雨初期剧增到峰值,之后径流量逐渐趋于稳定,而产沙率波动减小后逐渐趋于稳定。相同坡度条件下,雨强由20 mm/h增加到40 mm/h,径流量和产沙率分别增加37.8%～115.2%和67.0%～86.9%; 雨强由40 mm/h 增加到60 mm/h,径流量和产沙率分别增加54.7%～125.0%和144.5%～177.9%。相同雨强条件下,坡度30°～35°处于对径流侵蚀影响的临界坡度范围内,坡度对径流量、产沙率的影响较复杂,小雨强(20、40 mm/h)时,坡度是主要影响因素,35°边坡径流量、产沙率小于30°边坡; 大雨强(60 mm/h)时,降雨成为主要影响因素,35°边坡径流量大于30°边坡,而产沙率小于30°边坡。【结论】降雨、坡度对胶东铁路路基边坡产流起始时间、径流量、产沙率等有一定的影响,模拟降雨条件下,雨强和坡度的增加将缩短产流开始时间,尤以雨强的影响更加明显。     

坡度及坡长对膨胀土边坡径渗流影响规律研究

在降雨条件的诱发下,膨胀土边坡常发生浅层滑坡,传统方法大多将其处理成缓坡,且认为边坡越缓越稳,但膨胀土坡却具有缓坡滑动的特性。膨胀土边坡表层含水量的变化可影响边坡浅层稳定性,而坡度和坡长等又是影响受雨后边坡表层含水量的重要因素。采用现场试验及数值模拟的方法,研究坡度及坡长对膨胀土边坡表层含水量影响规律。现场试验结果显示:膨胀土边坡坡度越陡,坡长越短,承雨面积越小时,降雨以地表径流为主,渗流为辅。通过数值模拟研究发现坡度越陡,坡长越短,越有利于边坡排水,膨胀土陡坡表层含水量可保持相对稳定的状态,由于膨胀土具低渗透性,可防止雨水进入膨胀土坡体内部而产生不利影响。研究成果表明坡度及坡长对膨胀土边坡表层含水量的影响至关重要,为解释稳定的膨胀土植绿陡坡提供佐证。     

膨胀土边坡失稳机理分析及基于完全软化强度的边坡极限平衡计算方法

通过有荷膨胀率试验、干湿循环试验和强度试验,研究裂隙发育对土体强度及坡体渗流条件的影响;基于温度场、湿度场等效理论模拟吸湿膨胀;分别采用干湿循环强度和完全软化强度计算膨胀土边坡安全系数;综合考虑边坡土层分区、土体强度参数取值、浸润线等因素,提出基于完全软化强度的膨胀土边坡滑动稳定性极限平衡分析方法,模拟膨胀土边坡浅层渐...     

裂隙膨胀土室内降雨入渗试验研究

在大气降雨和蒸发的作用下,膨胀土体收缩产生大量无序破裂裂隙,水分易向土体深部渗透,裂隙性膨胀土比同类非开裂土体具有更大的渗透性,容易使膨胀土地区的边坡滑坡。常规试验中采用完整的土样进行渗透试验,量测出的渗透系数与实际裂隙存在的膨胀土渗透性有数量级上的差异,为反映裂隙膨胀土的真实渗透性,对不同初始含水率相同压实度、相同初始含水率不同压实度的两组裂隙膨胀土样进行室内模拟降雨实验,研究其在降雨入渗条件下的渗透规律,得出以下结论：(1)不同压实度膨胀土样脱湿后都形成以宽、细裂隙构成的裂隙网络,表面裂隙形态各不相同,总体上随压实度降低土样主裂隙有由开放向连通闭合的趋势,高、低压实度土样表面裂隙率比中等压实度(75%)土样低;(2)不同初始含水率土样裂隙脱湿后表面裂隙形态差异大,初始含水率从高到低土样宽裂隙趋向于均匀、且细裂隙明显增多,主裂隙曲线形状随初始含水率降低由圆弧状向直线转变,高初始含水率土样表面裂隙率大,初始含水率降到一定程度时土样表面裂隙率基本相当;(3)不同压实度下裂隙膨胀土初始入渗率随压实度增大而增大,近于线性关系,其后短时间内急骤衰减,压实度大的土样衰减速率较慢,稳定后入渗率都处于10-4数量级;(4)不同初始含水率土样初始入渗率数量级相同,不同土样入渗率变化区别极大,入渗率衰减阶段的衰减速率与持续时间明显不同,初始含水率高的土样衰减速率较低、持续时间长,土样稳定后平均入渗率除极高初始含水率土样外其它基本相同,约为4 E-04cm/s。     

不同压实度和初始含水率裂隙膨胀土室内降雨入渗试验研究

在大气降雨和蒸发的作用下,膨胀土体收缩产生大量无序破裂裂隙,水分易向土体深部渗透,裂隙性膨胀土比同类非开裂土体具有更大的渗透性,容易使膨胀土地区的边坡滑坡。常规试验中采用完整的土样进行渗透试验,量测出的渗透系数与实际裂隙存在的膨胀土渗透性有数量级上的差异,为反映裂隙膨胀土的真实渗透性,对不同初始含水率相同压实度、相同初始含水率不同压实度的两组裂隙膨胀土样进行室内模拟降雨实验,研究其在降雨入渗条件下的渗透规律,得出以下结论:(1)不同压实度膨胀土样脱湿后都形成以宽、细裂隙构成的裂隙网络,表面裂隙形态各不相同,总体上随压实度降低土样主裂隙有由开放向连通闭合的趋势,高、低压实度土样表面裂隙率比中等压实度(75%)土样低;(2)不同初始含水率土样裂隙脱湿后表面裂隙形态差异大,初始含水率从高到低土样宽裂隙趋向于均匀,且细裂隙明显增多,主裂隙曲线形状随初始含水率降低由圆弧状向直线转变,高初始含水率土样表面裂隙率大,初始含水率降到一定程度时土样表面裂隙率基本相当;(3)不同压实度下裂隙膨胀土初始入渗率随压实度增大而增大,近于线性关系,其后短时间内急骤衰减,压实度大的土样衰减速率较慢,稳定后入渗率都处于10-4数量级;(4)不同初始含水率土样初始入渗率数量级相同,不同土样入渗率变化区别极大,入渗率衰减阶段的衰减速率与持续时间明显不同,初始含水率高的土样衰减速率较低、持续时间长,土样稳定后平均入渗率除极高初始含水率土样外其他基本相同,约为4×10-4cm/s。     

压实度对黄土填方边坡变形破坏特征的影响及细微观试验研究

压实度是影响黄土填方边坡稳定性的重要因素。目前很少有学者将宏观(模型试验)、细观(三轴试验)以及微观(扫描电镜试验)等手段联合起来研究压实黄土。为此开展了不同压实度下模型试验、等压固结不排水(isobaric consolidation undrained, ICU)试验和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)试验。分析了不同压实度下压实黄土的饱和强度、临界状态、孔隙水压力和峰值强度(u-q_max)关系,同时也分析了不同压实度下微观孔隙结构特征,统计了不同孔隙类型个数、面积以及孔隙的平均面积、孔隙率和概率熵等。研究结果表明：饱和强度、临界状态线的斜率M值、u-q_max关系均随压实度的增大而增大。随着压实度增大,试样的孔隙个数增大,但孔隙面积减小,且微小孔隙决定了压实黄土的孔隙结构;平均孔隙面积、孔隙率随压实度增大而减小,而概率熵则随压实度增大而增加。黄土填方边坡中,增大填料的压实度可以提高土体的强度,减缓水分的入渗速率。在降雨情况下,增加土体压实度能在一定程度上提高黄土填方边坡的稳定性。     

基于神经网络的公路边坡冲刷量模拟计算

神经网络模拟采用三层前馈网络模型，输入层有3个结点，分别代表30min降雨强度、降雨历时和降雨量，表示冲刷外因。输出层只有一个结点，代表坡面冲刷量；隐层结点数采用7个，即土压实度、坡度坡长、径流流速、径流流量、土颗粒粘聚力、植被指数和人为干扰等，为影响冲刷量的主要因素。为了验证模型，在连徐高速公路路堤边坡用SR型人工降雨设施进行冲刷试验，得到冲刷量实测资料，将通过模型计算的冲刷量值与之比较，显示了模型具有较好的模拟预测效果。     

公路路基粉土工程特性试验研究

为研究公路路基粉土的工程力学特性,评价粉土路基的稳定性,通过室内击实试验、渗透试验、三轴试验和微观结构分析,分析粉土作为公路路基填料的工程力学性质,对比分析不同击实功作用下粉土的干密度特性,探讨压实度和孔隙比之间的变化规律以及不间级配粉土的压实性能,研究不同压实度粉土的渗透特性及其力学效应,阐述不同击实度的粉_十微观结构排列形式.研究结果表明:在公路路基填土压实过程中,对于粉土,可采用现行重型击实标准,但压实标准偏低;路基填土的渗透系数随着压实度的增大而呈非线性减小;随着压实度增加,粉土填充孔隙的效果较差.     

不同气候条件下膨胀土路堤特征参数的室内模拟实验

为了探索不同气候条件下膨胀土路基的含水量、土压力、温度、竖向胀缩变形等特征参数的基本变化规律,分别选取湖南省高速公路建设中经常遇到的弱膨胀土和中等膨胀土作为实验土样,按90%的压实度填筑,在不同排水边界条件模拟路堤在4种不同气侯条件下2组膨胀土路堤模拟实验,结果表明,膨胀土路堤中含水量、土压力、温度和胀缩变形等均受大气影响,且与路堤土的类型、密实度、排水边界条件关系密切:①埋藏较浅,含水量的变化受大气影响越大,路基中含水量越高,受气候条件影响越明显;②膨胀土路堤中的土压力变化是膨胀土路堤中含水率和气候条件综合作用的结果:③对路基温度变化影响最大的是日照,其次是降雨,阴天影响最小;④竖向胀缩变形主要发生在路堤基顶积水阶段.因此,在具体工程建设中,防渗保湿和合理设计排水系统是防治膨胀土路基遭受破坏的关键.