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Vibration-induced acceleration of infiltration in loess

Science China Earth Sciences 2021年第4期64卷 611-630页

作者： Jiading WANG Yuanjun XU Dengfei ZHANG tianfeng gu State Key Laboratory of Continental Dynamics Department of GeologyNorthwest UniversityXi'an 710069China

Coupled effects of railway vibration, rainfall, and drying-wetting cycles contribute to new types of loess disasters such as the collapse and vibration-induced settlement of the railway subgrade, loess mass disintegration, and slope sliding,during the large-scale construction and operation of high-speed or heavy-haul railways in China. This has significant consequences for railways that require millimetre-level deformation control, seriously threatening railway operation and people's lives. Therefore, for the first time, "five vibration-induced effects" on loess subjected to vibration, water immersion, and drywetting cycles are discussed including the vibration-induced acceleration of cracking, infiltration, disintegration, sliding, and subsidence. In this paper, the vibration-induced acceleration of infiltration is discussed mainly. The response of loess to locomotive vibration along railways was determined using field sampling and data processing. The dominant frequency of locomotive vibration are 18-22 Hz and the maximum amplitude is 0.4 mm. Tests regarding the vibration-induced acceleration of the permeability were conducted on intact loess using a newly developed vibration permeability apparatus. The results reveal that the vibration accelerates the water permeability and increases the water saturation of loess. The permeability coefficient of saturated loess under vibration is ~1.5-20 times of that without vibration, reaching a maximum at a vibration frequency of 20 ***-induced infiltration tests were carried out on a loess column and the vibration-induced acceleration of water infiltration, wetting front evolution, and air outflow were analysed. The vibration-induced acceleration of infiltration strongly depends on the dry density, vibration frequency, and vibration amplitude. This pioneering work explores the mechnism of loess disasters triggered by locomotive vibration, rainfall, and drying-wetting cycles.

关键词： Loess disaster Locomotive vibration Five vibration-induced effects Vibration-induced acceleration of infiltration Air escape Loess landslide

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Regulation effect of the grille spacing of a funnel-type grating water–sediment separation structure on the debris flow performance

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Journal of Mountain Science 2024年第7期21卷 2283-2304页

作者： LI Shuai gu tianfeng WANG Jiading WANG Fei LI Pu State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology Northwest UniversityXi’an 710069China Chengdu Institute of Mountain Hazards and Environment Ministry of Water Resources&Chinese Academy of SciencesChengdu 610299China

The size of pores or the grille spacing of water–sediment separation structures directly affects their regulation effect on the debris flow performance.A suitable pore size or grille spacing can effectively improve the water–sediment separation ability of the *** new funnel-type grating water–sediment separation structure(FGWSS)combines vertical and horizontal structures and provides a satisfactory water–sediment separation ***,the regulation effect of the grille spacing of the structure on the debris flow performance has not been *** regulation effect of the structure grille spacing on the debris flow performance is studied through a flume test,and the optimal structure grille spacing is *** empirical equation of the relationship between the relative grille spacing of the structure and the sediment separation rate is ***,the influence of the water–sediment separation structure on the regulation effect of debris flows is examined from two aspects:external factors(properties of debris flows)and internal factors(structural factors).The experimental results show that the gradation characteristics of solid particles in debris flows constitute a key factor affecting the regulation effect of the structure on the debris flow *** optimum grille spacing of the FGWSS matches the particle size corresponding to the material distribution curves d85~d90 of the debris *** total separation rate of debris flow particles is related to the grille spacing of the structure and the content of coarse and fine particles in the debris flow.

关键词： Debris flow Water–sediment separation structure Grille spacing Performance regulation effect

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基于复电阻率的非饱和黄土频谱特性

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西北大学学报（自然科学版） 2024年第1期54卷 42-52页

作者：李鑫谷天峰崔博西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

使用直流电阻率法进行黄土水分监测时,黄土介质中的容性成分会影响结果的准确性。该文以宜川地区黄土为研究对象,基于复电阻率试验和土水特征测定,获取了非饱和黄土基质吸力与复电阻率参数的关系,揭示了其频谱特性变化规律,推导了黄土... 详细信息

使用直流电阻率法进行黄土水分监测时,黄土介质中的容性成分会影响结果的准确性。该文以宜川地区黄土为研究对象,基于复电阻率试验和土水特征测定,获取了非饱和黄土基质吸力与复电阻率参数的关系,揭示了其频谱特性变化规律,推导了黄土饱和度与复电阻率公式。研究结果表明:激励频率与复电阻率的幅值和相位呈负相关关系,在频率小于1 000 Hz时黄土的复电阻率的幅值和相位波动较大,超过1 000 Hz时会逐渐趋于稳定;随着基质吸力的升高,黄土的幅值、实部电阻率和虚部电阻率也逐渐增大,其相关性受通电频率的大小影响;黄土电容量与介电常数随基质吸力的升高逐渐减小;利用实部电阻率和虚部电阻率建立了黄土饱和度复电阻率模型,模型可用于黄土水分变化的监测。研究结果为利用黄土的频散特性进行黄土地质灾害监测提供了新的方法和思路。

关键词：黄土复电阻率法频谱特性基质吸力饱和度复电阻率模型

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基于物理模拟试验的房柱式采空区变形特征研究

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煤炭科学技术 2024年第S01期52卷 30-36页

作者：刘亚明谷天峰王闫超杨烜宇山西省交通科技研发有限公司山西太原030032 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室山西太原030032 西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

房柱式采空区具有采出率较小、留设煤柱较大的特点,其覆岩移动规律及地表变形规律与长壁式采空区差别较大,在煤柱失效情况下,地表会产生较大变形,威胁地面建构筑物的安全。为研究浅埋缓倾房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育机制,基于PI... 详细信息

房柱式采空区具有采出率较小、留设煤柱较大的特点,其覆岩移动规律及地表变形规律与长壁式采空区差别较大,在煤柱失效情况下,地表会产生较大变形,威胁地面建构筑物的安全。为研究浅埋缓倾房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育机制,基于PIV图像处理技术和模块化组装思路,在室内建立物理模型开展物理模拟试验,反演了房柱式采空区覆岩和松散层的变形发育过程,分析了房柱式开采和煤柱失稳条件下覆岩和松散层的变形机制。研究结果表明:①房柱式开采条件下,浅埋缓倾采空区覆岩变形可划分为3个区域:“条带状”变形区域、“梯形状”变形区域和“倒漏斗型”变形区域。松散层中的变形呈“梯形状”发育。②煤柱失稳条件下,覆岩变形规律保持不变,松散层变形特征由“梯形状”发育为“漏斗型”,且随着失稳煤柱的增加,松散层变形增大,“漏斗型”变形区域由中心向两端逐渐扩展。③房柱式开采结束后,采空区顶板受力可简化为承受均布荷载的简支梁,在煤柱持续失稳的情况下,覆岩和松散层的静载将导致采空区顶板达到极限平衡状态,顶板破坏模式为拉破断,在拉应力作用下产生裂缝,但顶板并未完全断裂,采空区顶板形成一种带裂缝的悬臂梁结构。浅埋缓倾房柱式采空区煤柱失稳对地表变形影响剧烈,松散层变形与覆岩变形基本处于同一量级。

关键词：房柱式采空区覆岩移动松散层地表变形

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循环荷载作用下黄土边坡变形研究

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岩石力学与工程学报 2009年第A01期28卷 3156-3162页

作者：谷天峰王家鼎任权杨喆郭乐西北大学地质学系陕西西安710069 西北大学大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

通过室内不排水动三轴试验,研究列车循环荷载长期作用下,Q3黄土的动强度以及动应力–动应变关系。结果表明,Q3黄土动应变随动应力及振动次数的增加而增大,动弹性模量随动应变增大逐渐减小,动强度随循环次数的增加而降低。在此基础上,建... 详细信息

通过室内不排水动三轴试验,研究列车循环荷载长期作用下,Q3黄土的动强度以及动应力–动应变关系。结果表明,Q3黄土动应变随动应力及振动次数的增加而增大,动弹性模量随动应变增大逐渐减小,动强度随循环次数的增加而降低。在此基础上,建立黄土边坡的动力分析模型,分析机车振动荷载作用下边坡的变形规律。结果表明,边坡位移随时间的增大而增大,下边坡的变形量要远远大于上边坡的变形量,边坡位移表现为一个非稳定的变形过程;由于机车荷载的作用,黄土的动强度下降,从而造成边坡的稳定性降低,相对于上边坡而言,下边坡更易失稳。

关键词：边坡工程循环荷载黄土边坡数值分析

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水泥改良黄土崩解试验研究

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西北大学学报（自然科学版） 2024年第1期54卷 18-25页

作者：赵雪谷天峰范楠楠西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

黄土具有多孔亚稳结构和水敏性,遇水时易发生崩解。黄土的崩解性是促进黄土高原地区水土流失、崩塌、滑坡等地质灾害发生的主要因素之一。作为一种造价低、应用方便的材料,水泥改良黄土(cement improved loess, CIL)在黄土地基、边坡工... 详细信息

黄土具有多孔亚稳结构和水敏性,遇水时易发生崩解。黄土的崩解性是促进黄土高原地区水土流失、崩塌、滑坡等地质灾害发生的主要因素之一。作为一种造价低、应用方便的材料,水泥改良黄土(cement improved loess, CIL)在黄土地基、边坡工程中应用广泛,但其抗崩解性研究较少。为此,该文通过原状及不同掺量下的CIL室内崩解试验和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)试验,分析改良前后黄土的崩解行为,探究水泥对黄土崩解性的改良效果及作用机制。结果表明,掺入水泥可大幅提升黄土的抗崩解能力,低掺量下CIL仍具有完整的崩解过程,但水泥能填充粒间孔隙,阻碍水分运移,同时水泥水化物及其与黄土颗粒的作用能增强粒间胶结,从而延缓了黄土崩解进程。随着水泥掺量的增加,抗崩解效果愈明显,累积崩解百分量几乎为0。土样不发生崩解的最小水泥掺量为3%。研究结果对黄土的抗侵蚀性研究和防灾工程设计具有重要意义。

关键词：黄土水泥崩解性改良土 SEM

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永靖非饱和黄土抗剪强度试验研究

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水文地质工程地质 2015年第6期42卷 103-107,113页

作者：郭倩怡谷天峰吴熠哲西北大学地质学系/大陆动力学重点实验室陕西西安710069

以甘肃省永靖非饱和马兰黄土为研究对象,利用非饱和直剪仪对研究区不扰动黄土进行控制基质吸力和净竖向压力为常数的固结慢剪试验,得到了不同基质吸力和净竖向压力下的非饱和黄土抗剪强度,分析探讨了非饱和黄土抗剪强度与基质吸力的关... 详细信息

以甘肃省永靖非饱和马兰黄土为研究对象,利用非饱和直剪仪对研究区不扰动黄土进行控制基质吸力和净竖向压力为常数的固结慢剪试验,得到了不同基质吸力和净竖向压力下的非饱和黄土抗剪强度,分析探讨了非饱和黄土抗剪强度与基质吸力的关系。结果表明:随着基质吸力的增加,土体的抗剪强度增大,其中黏聚力c随基质吸力呈线性增长,而内摩擦角随基质吸力变化很小,且在本次试验控制的吸力范围内研究区非饱和黄土φb可近似为一常数并小于内摩擦角,说明在该范围内研究区非饱和原状黄土的抗剪强度随着基质吸力以一恒定的斜率持续增长。

关键词：非饱和黄土抗剪强度基质吸力

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西北地区高填方地基沉降的预测模型研究及分析

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西北地质 2022年第1期55卷 225-235页

作者：李承霖王家鼎谷天峰西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

沉降变形一直都是困扰填方工程的关键问题,原始地基中存在的湿陷性黄土与粉质黏土会导致沉降增大以及不均匀沉降等现象的发生。因此,做好工程的沉降监测和工后预测,对于保障高填方地基的稳定性至关重要。笔者以西北某机场迁建工程中高... 详细信息

沉降变形一直都是困扰填方工程的关键问题,原始地基中存在的湿陷性黄土与粉质黏土会导致沉降增大以及不均匀沉降等现象的发生。因此,做好工程的沉降监测和工后预测,对于保障高填方地基的稳定性至关重要。笔者以西北某机场迁建工程中高填方沉降监测数据作为依据,分别应用双曲线、对数和指数拟合曲线对填方地基的沉降进行预测、分析与对比,总结出各模型的拟合特点。同时采用灰色系统理论GM(1,1)对高填方地基建立另一种沉降预测模型,而针对GM(1,1)灰色模型预测值在沉降后期开始偏离实测曲线的问题,提出GM(1,1)BP神经网络联合预测模型。最后通过采用不等权系数将灰色GM(1,1)模型和曲线模型结合,构建组合模型,以求最大程度提高GM(1,1)灰色模型预测精度,为西北地区未来类似工程的地基沉降预测提供借鉴。

关键词：沉降预测模型研究高填方地基灰色模型 BP神经网络组合预测模型

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郑西客运专线黄土路基震陷研究

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工程地质学报 2009年第4期17卷 557-562页

作者：谷天峰王家鼎王峻西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室西安710069 中国地震局兰州地震研究所兰州730000

以郑(州)—西(安)高速铁路为例,选择潼关段为研究区,采集大量原状黄土样品,将合成的人工地震动输入到动三轴,进行了固结不排水的动三轴实验,估算了黄土路基的震陷量。建立了高速铁路黄土路基动力学数值模型,研究了50年10%和2%的超越概... 详细信息

以郑(州)—西(安)高速铁路为例,选择潼关段为研究区,采集大量原状黄土样品,将合成的人工地震动输入到动三轴,进行了固结不排水的动三轴实验,估算了黄土路基的震陷量。建立了高速铁路黄土路基动力学数值模型,研究了50年10%和2%的超越概率水平的地震作用下黄土路基的永久变形,以及地基处理后黄土地基的永久变形。结果显示,沉降主要发生在Q3黄土中,强夯、DDC桩等地基处理措施可以有效的减少地基黄土的沉降变形,但是当处理深度不够时,在强地震作用下仍然可以产生较大沉降。研究成果为地基抗震处理提供了依据。

关键词：黄土震陷路基沉降数值分析

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循环荷载下压实黄土动力特性的试验研究

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水文地质工程地质 2015年第3期42卷 108-112,118页

作者：刘亚明王家鼎谷天峰西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室陕西西安710069

以吕梁压实黄土为研究对象,通过大量动三轴试验,研究了含水率、干密度、围压和固结应力比等因素对压实黄土动剪切模量和阻尼比的影响。结果表明:压实黄土的动剪切模量随动剪应变的增大而减小,可用半对数坐标系下的直线方程进行拟合;动... 详细信息

以吕梁压实黄土为研究对象,通过大量动三轴试验,研究了含水率、干密度、围压和固结应力比等因素对压实黄土动剪切模量和阻尼比的影响。结果表明:压实黄土的动剪切模量随动剪应变的增大而减小,可用半对数坐标系下的直线方程进行拟合;动剪切模量和初始动剪切模量均随含水率的增大而减小,随干密度、围压和固结应力比的增大而增大;固结应力比对动剪切模量的影响随着动剪应变的增大而减弱;阻尼比大致上随着含水率的增大呈缓慢增大趋势,随着干密度、围压和固结应力比的增大呈缓慢减小趋势。进行压实黄土的动力研究,对高烈度黄土地区的大规模基础建设具有重要的理论和现实意义。

关键词：循环荷载压实黄土动剪切模量阻尼比

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