颗粒粒径对泥石流形成影响的试验研究

为研究泥石流受土体颗粒粒径的影响,将细砂和中砂按不同质量比配置6组不同颗粒粒径的试验试样,进行泥石流室内模型试验.试验结果表明:颗粒粒径对泥石流的形成模式具有重要影响,随着细砂含量的增加,泥石流的形成模式从滑坡型破坏变为流滑型破坏.当细砂含量小于40%时,坡体分层块体下滑,发生滑坡型破坏;当细砂含量大于40%时,坡体整体快速下滑,发生流滑型破坏.分析中砂坡体泥石流形成过程中孔隙水压力变化规律,揭示了降雨作用下泥石流形成过程中水土作用关系.本文结果为泥石流研究提供理论参考价值.     

粗砂滑坡离心模型试验及离散元细观模拟

为了探明砂土滑坡的力学机理,采用自行研制的降雨诱发滑坡离心模型试验装置,进行粗砂滑坡离心模型试验,基于试验结果,采用改进后的离散元数值模拟程序对滑坡过程进行细观研究,从细观和非饱和角度对离心模型试验进行补充。研究结果表明：粗砂滑坡发生的细观机理为坡体中的水无法及时排出,导致土颗粒悬浮在水颗粒中,土颗粒间的接触减少甚至脱离,土颗粒间的相互作用力转化为土颗粒与水颗粒之间的作用力,土体出现流体特征,抗剪强度丧失。滑坡的发展表现为两种可能的形式：各处水颗粒施加给土颗粒的作用力与此位置土颗粒的接触力正好相等,表现为整体滑动;水颗粒施加给土颗粒的作用力等于土颗粒重力和前部土颗粒的接触力之和,表现为后部滑坡向前部发展。     

分形特征下降雨诱发砂土泥石流启动机理

利用分形理论计算不同颗粒含量砂土的粒度分维值,开展降雨条件下砂土泥石流启动模型试验,分析试验现象、位移场及含水率变化情况,总结分形特征下泥石流的启动机理。研究结果表明：粒度分维值随细粒含量的增加而增大,坡体发生明显现象的时间越早,泥石流启动的总体历时越长。分维值较大时,以坡表侵蚀破坏为主,坡表整体位移均匀,启动历时长;雨水分布不均匀,滑动带内外含水率差异显著,持水时间长;分维值较小时,以滑坡型破坏为主,启动历时短,产生位移大;雨水运动以渗流为主,土体抗剪强度降低,滑动带内外含水率差异减小,持水时间逐渐消失。分维值大小适中时,以过渡型破坏为主,泥石流启动时位移最小,历时较长,灾害程度最轻。     

船运铁精矿流态化模型试验的离散元数值模拟

采用离散元程序PFC3D对散装铁精矿在动力荷载作用下发生流态化的室内振动台模型试验进行数值模拟,从细观的角度研究铁精矿流态化的演化规律及内在机理。考虑流态化过程中的非饱和特性,利用微小颗粒模拟水团,通过设置黏结模型模拟矿粉颗粒间的基质吸力,实时观察流态化过程中铁精矿位移场、水颗粒迁移情况以及细观组构的变化和发展,并将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析。结果表明:铁精矿发生流态化的主要原因是水液面的上升;其细观机理为在动力荷载作用下,铁精矿细颗粒沿着粗颗粒孔隙向下运动和颗粒间水团汇集形成水膜后的向上迁移。     

散装铁精矿流态化宏细观机理

基于室内小型振动台对散装铁精矿进行动力试验,研究了散装铁精矿流态化发生的过程和机理.基于数字图像采集和分析系统,分析了流态化过程中铁精矿位移场、水分迁移以及颗粒运动规律,从宏细观两方面揭示了散装铁精矿的流态化演化规律.试验结果表明:铁精矿产生流态化的主要原因是在动力荷载作用下,铁精矿细颗粒沿着粗颗粒孔隙向下迁移和颗粒表面水下落汇集形成水膜后向上流动.该结论为进一步探究铁精矿的流态化预防措施提供了理论依据.     

细粒含量对泥石流启动影响的离心机模型试验

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,配置6组不同细粒含量的坡体,进行降雨诱发泥石流离心机模型试验.通过分析坡体破坏形态、孔隙水压力变化、雨水迁移规律等,研究细粒含量对泥石流启动过程的影响.研究结果表明:泥石流启动存在临界细粒含量(约为15%),在临界细粒含量范围内,坡体表现为分层滑动破坏,10%细粒含量的泥石流启动时间最短;泥石流启动过程中坡内孔压逐渐上升至峰值后波浪状下降,随着细粒含量的增加,孔压曲线趋于平缓;细粒含量影响雨水的渗透速度和路径,这是影响坡体破坏形态和决定泥石流能否启动的直接原因.     

雨强与地形(上缓下陡)对坡面入渗影响的初步研究

坡面泥石流及浅层滑坡的发生与雨水的渗透密切相关,而雨水的渗透由斜坡坡度、雨强、土体性质等因素控制。在室内模拟人工降雨条件下,进行雨强与地形对雨水入渗的试验研究。通过控制单一变量进行试验,利用坡面产流所需时间和孔压两项指标揭示出:产流历时与斜坡坡度、雨强呈反比;并且与雨强呈指数函数关系。竖直方向上孔压从上到下随着湿润锋的下移依次增大。水分在土体中运移的过程中部分细颗粒随之发生移动,使得土体局部结构和孔隙贯通性发生改变,引起孔压发生波动性变化。     

花岗岩残积层滑坡形成机理降雨模拟研究

花岗岩残积土是一种特殊土,在强降雨条件下极易诱发地质灾害。以广东省龙川县贝岭地区群发性滑坡为背景,采用物理模拟手段探究了典型滑坡的形成机理,获得如下结论：①滑坡发生的影响因素为降雨强度、岩土体物理力学性质、斜坡结构;②降雨并未引起坡体内部土压力及孔隙水压力数值出现异常增减,说明坡体破坏仅限与坡表及坡脚局部的破坏,未有整体变形破坏趋势;③斜坡变形破坏在坡表表现为降雨造成的坡面侵蚀,坡脚表现为临空面的垮塌及潜蚀现象,总体上表现出“逐级后退、依次破坏”破坏特征;④滑坡的演化过程可划分为以下4个阶段：原始斜坡演化阶段、土壤颗粒运移阶段、坡表局部破坏阶段、整体失稳阶段。     

砂土管涌的细观机理研究

利用数码可视化跟踪技术和数字信息计算机实时处理技术进行管涌细观模型试验,从细观角度研究砂土管涌机理.研究得到管涌发展过程中颗粒的移动规律,渗漏通道的形成特点,流速、颗粒位移场等随水力梯度的变化特点,并从级配角度分析土样的稳定性,得到土体的稳定性与级配曲线形状及不均匀系数等因素有关的结论.结果表明,管涌形成过程中流速、颗粒运动和渗透通道形成规律很大程度上取决于骨架颗粒、可动颗粒以及水之间的相互作用,表明水土相互作用贯穿管涌发展的全过程.     

碎石粉质粘土滑坡致滑机理分析

为探究碎石粉质粘土滑坡的发育机理,以灰山港某碎石粉质粘土滑坡为研究对象,通过土工试验、现场监控和数值模拟相结合的方法,对不同降雨强度下滑坡的变形趋势进行了分析.研究结果表明:该滑坡土体颗粒缺失,降水入渗后容易导致细颗粒流失,土体在饱和情况下的抗剪强度远低于原位土体抗剪强度;当降雨达到暴雨强度时,坡脚孔隙水压力的迅速上升将会促使滑坡发生.     

基于颗粒流的土质边坡失稳机理

为研究降雨工况下诱发土质边坡失稳过程及破坏机理,以泸州市古蔺县竹林沟滑坡为依托,通过PFC2D双轴压缩试验对滑坡体饱和状态下的强度参数进行标定,确定滑坡细观参数与宏观参数的内在联系,并引入接触黏结模型,对其破坏过程特征进行模拟研究,并对滑坡关键位置处的速度、孔隙率以及位移进行实时监测.计算结果表明:滑坡破坏的过程为:初期整体蠕滑变形,随着变形的发展,滑坡体向坡前临空方向发生剪切蠕变,后缘产生由坡面向深部发展的张拉裂缝,随着潜在滑面贯通,滑坡失稳破坏;通过监测不同位置的速度发现,0～10 s为加速阶段,坡体最大速度达到约14 m/s,最大颗粒速度达到约20 m/s,15～25 s坡体速度开始下降,滑坡最大位移约600 m,整体位移约450 m,并于25 s左右坡体停止滑动.通过对竹林沟滑坡的数值模拟,采用离散元颗粒流的方法去研究滑坡的运动过程有较好的应用性,也能为同类型滑坡的防灾减灾提供较好的参考意义.     

岩质边坡新型生态修复基材的抗崩解性试验研究

矿山、公路工程等工程开挖后的裸露边坡，在降雨和径流作用下，易发生崩解软化，引发滑坡、泥石流等地质灾害，而目前的客土基材难以同时满足其边坡防护和生态建设的要求.因此，引入一种新型PDS型固化剂和凹凸棒土作为生态护坡基材.通过一系列室内试验，对不同含量下的PDS型固化剂和凹凸棒土改良基材的崩解性能进行研究，并讨论其微观特性和加固机理.结果表明：(1)PDS型固化剂显著提高试样的抗崩解性；(2)随凹凸棒土置换量的增加，崩解速率在试验前期逐渐增加，后期逐渐减小；(3)随固化剂和凹凸棒土复合材料含量的增加，试样的整体崩解速率逐渐减小；(4)PDS固化剂形成网状弹性膜，协同凹凸棒土颗粒共同填充颗粒间的孔隙，提升团聚体之间的胶结力和土体的整体抗崩解.     

基于三维离散元法的强夯动力响应研究

为了从宏细观结合入手研究粗粒土在强夯作用下的动力响应机理,以干砂强夯室内模型试验为基础,通过引进和二次开发颗粒流程序(PFC3D),首次采用三维离散元法建立土体和重锤数值模型,模拟了强夯的动力冲击过程,研究了夯锤及土体的动力响应,并初步分析了土体颗粒运动规律.结果表明:强夯振动属于单峰值冲击振动,土体动应力峰值沿深度具有一定的滞后性,动应力的衰减在水平方向较竖直方向快,锤底土体颗粒以竖向运动为主,锤底斜下方颗粒主要做斜向下运动,锤侧颗粒以水平或斜向上运动为主,出现松动和飞起现象,数值模拟结果与室内模型试验基本吻合.研究工作为揭示强夯加固粗粒土细观机理及模拟实际工程问题提供了一种新的思路.     

前缘反倾式锁固型滑坡变形破坏模式及失稳机理

了解滑坡的失稳机理和破坏模式是对其进行预防预报的前提。采用物理模型试验方法,以降雨为触发条件,进行多次模型试验,记录前缘反倾式锁固型边坡在不同坡面形态时的变形破坏现象,研究该类边坡的失稳机理及破坏模式。研究结果表明:前缘反倾式锁固型边坡为后缘推移式滑动破坏,该类边坡失稳始于边坡后缘,其破坏模式为开始降雨→雨水从坡面入渗,边坡土体强度降低→后缘土体发生沉降→前缘土体发生垮塌→坡体后缘持续下沉,推动边坡底部土体向前滑动-坡体前缘出现推挤隆升现象-边坡整体失稳破坏;前缘反倾式锁固型边坡发生整体失稳的根本原因是边坡前缘土体强度降低及垮塌,致其无法提供足够的抗滑力,边坡发生整体失稳。研究成果对此类滑坡的预防预报具有一定的指导意义。     

基于大型物理模型试验的强降雨诱发全风化花岗岩滑坡失稳分析

随着极端天气的增多,极端强降雨诱发滑坡对人民生命财产安全造成重大威胁。以典型强烈风化花岗岩地区青岛崂山的7.23返岭前滑坡为实例,基于相似准则,采用大型滑坡模型试验箱,开展了3组不同极端降雨条件下的室内模型试验,分析了不同降雨强度条件下边坡对降雨入渗的响应规律、边坡变形过程与破坏模式,总结了强烈风化地区极端降雨诱发花岗岩类滑坡的诱发机理与降雨成灾过程。结果表明：(1)降雨诱发全风化花岗岩滑坡经历了浸润侵蚀、表层变形、破坏加深和整体失稳4个阶段,坡体呈现“片状溜滑”特征;(2)降雨强度越大,降雨入渗速率越高,土压力、孔隙水压力和含水率变化越快,滞后效应越弱;(3)坡体变形破坏与降雨入渗具有一定的空间分布规律,研究成果可为强烈风化花岗岩地区的滑坡预警与治理提供参考。     

渗流管涌作用下松散堆积层结构演化规律

为揭示渗流管涌作用下松散堆积层结构演化规律,基于颗粒-孔隙尺度流固耦合方法,分别对密实、中密和疏松结构的松散堆积层开展渗流管涌仿真试验,从细观层面分析渗流管涌作用下松散堆积层颗粒迁移特征、颗粒流失量、颗粒间接触力链演化和骨架变形的结构演化特征。结果表明：渗流管涌主要以细颗粒迁移为主,存在局部“堵塞”现象,块石颗粒仅会在细颗粒迁移脱空后自由堆积。细颗粒迁移具有明显的“颗粒堆积”现象,主要集中在出口处,呈“上多下少”的特点。同时,渗流管涌发展过程中相同部位的孔隙率变化具有高度相似性,且结构越疏松愈加显著。管涌发展过程中,块石颗粒间接触承担主要的应力传递,力链演化的本质是堆积填料内部应力传递结构的改变。此外,下沉量和体应变均随时步增加,呈先急剧增加,后趋于平稳的态势,且随初始渗流速度越大,平稳时刻逐步提前。该研究成果可为从细观角度认识松散堆积层渗流管涌结构演化规律提供一定借鉴。     

金泉寺滑坡破坏机理及冲击强度定量分析

为了对滑坡冲击强度进行定量预测,以勉县金泉寺滑坡为研究对象,基于颗粒流离散元方法,结合对滑坡岩土体细观参数的双轴试验标定,构建了滑坡数值模型,对滑坡的变形破坏机理及其动力学过程进行了分析,选用冲击距离、冲击速度、冲击力3个指标对滑坡的冲击强度大小进行了定量预测。研究结果表明:金泉寺滑坡坡脚和滑坡后缘首先发生变形,然后滑坡坡体中部的锁固段发生贯通,并最终表现为前拉后推的复合式破坏特征;滑坡最大冲击距离为23. 52 m,最大冲击速度为4. 10 m/s,单位宽度最大冲击力为205 kN。相关结论与利用已有研究方法分析所得结论较为一致,认为滑坡运动过程中滑体内部颗粒碰撞及摩擦耗能对滑坡冲击强度的影响不可忽略。研究方法及成果对堆积层滑坡动力学过程分析及其风险定量评估研究具有重要的参考意义。     

降雨条件下考虑非饱和渗流的黄土滑坡灾变分析

采用滤纸法测试,并根据SWCC理论模型Van Genuchten方程拟合,得到非饱和土-水特征曲线,同时根据Van Genuchten统计传导模型估计渗透系数曲线.针对降雨诱发型黄土滑坡,建立边坡二维分析模型,以Mohr-Coulomb准则作为滑坡破坏依据,以非饱和土渗流理论为依托,进行渗流分析和稳定性分析.通过分析降雨不同持时坡体内部孔隙水压力的变化规律,揭示降雨入渗机理.结果表明,随降雨时长增加,滑坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡,坡体孔隙水压力不断增加,水位线不断向上抬升.稳定性分析结果表明,降雨持续时间越长,滑坡稳定系数越低,降雨开始前滑坡稳定系数为1.005,滑坡处于蠕动变形阶段,与现状滑坡体上裂缝发生发展相符合;雨强120 mm/d持续降雨48 h时稳定系数为0.978,滑坡为不稳定状态;降雨持续2.5 h时,滑坡由欠稳定状态转为不稳定状态,由蠕动变形阶段进入滑动阶段,反映了滑坡稳定状态对降雨极为敏感.     

基于降雨入渗试验的黄土边坡稳定性研究

降雨入渗是黄土地区边坡失稳破坏的最主要诱发因素,选取陕西关中地区典型黄土边坡为研究对象进行人工降雨试验,分析了黄土边坡降雨入渗规律及边坡破坏机理,并采用有限元软件对降雨入渗作用下孔隙水压力、最大剪应力以及稳定性进行了数值模拟.试验结果表明,边坡土体的渗透系数与孔隙水压力呈指数函数关系,边坡土体的含水率与孔隙水压力呈移动平均函数关系,坡体垂直入渗深度比水平入渗深度要高,且入渗速率也存在差异.同时,边坡稳定性数值分析表明,随着降雨历时增长,坡体安全系数逐渐降低直至发生失稳.     

降雨作用下的土质边坡变形破坏颗粒流仿真模拟

为研究持续降雨作用下土质边坡的变形破坏模式及机理,以四川省古蔺县竹林沟滑坡为例,结合离散元PFC~(2D)虚拟双轴压缩试验对坡体微观力学参数进行标定,随后建立1∶1数值计算模型进行稳定性计算,并记录坡体运动过程中应力及位移变化的情况。研究结果表明:该滑坡在持续降雨作用下至坡内土体饱和的过程中,坡脚应力不断积累,导致坡脚发生破坏,之后向上逐级牵引,致使坡前基岩较陡区域土体优先发生滑动。中-后缘土体因前部失稳产生临空条件,随即出现二级滑动,整体表现为典型的蠕滑-拉裂破坏模式。坡体前缘破坏后应力得到部分释放,但位移不断增长;坡内应力和位移整体上从前缘到后缘均呈递减趋势。应用颗粒流PFC~(2D)以竹林沟滑坡为例对土质滑坡在持续降雨作用下的变形发展过程进行模拟研究,揭示了滑坡的发展及破坏模式,为该类滑坡的防治提供参考。