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砒砂岩地区EN-1固化剂固化边坡抗冲稳定性的机理

作　者: 苏涛
导　师: 张兴昌
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 环境科学
关键词: 砒砂岩地区边坡冲刷稳定性 EN-1固化剂土力学特性固土护坡技术
分类号: S157.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于具有独特的地质地貌和气候特征,砒砂岩地区被喻为“世界水土流失之最”。基于探讨该地区边坡侵蚀规律和EN-1加固边坡效果以提高其边坡冲刷稳定性为目的,采用自然边坡冲刷试验、室内土工试验和人工模拟边坡冲刷试验相结合的研究方法,以该地区边坡冲刷稳定性影响因素的研究为前提,分析了EN-1固化剂对砒砂岩风化土工程力学特性和模拟边坡抗冲性的影响,优选出适用该地区固化边坡的EN-1掺量、养护龄期、压实度和土壤含水量。获得以下进展:1.水流冲刷和坡度是影响砒砂岩自然边坡稳定性的主要因素。径流强度、产沙强度和径流含沙量随冲刷流量的增大而增大,灰黄色砒砂岩的径流强度、产沙强度和径流含沙量随坡度的增大先增大后减小,临界坡度为25°,灰白和红棕色砒砂岩的产流产沙指标随坡度的增大而增大。径流流速随冲刷流量和坡度的增大而增大。在试验设计的冲刷流量和坡度范围内,坡面径流的运动型态均属于层流,当冲刷流量和坡度较小时,坡面径流流态属于缓流,反之,属于急流。灰黄和红棕色砒砂岩的径流阻力系数f随冲刷流量的增大而减小,而灰白色砒砂岩的f随冲刷流量的增大而增大;灰黄色砒砂岩的f随坡度的增大呈现出先增大后减小的趋势,在灰白色和红棕色砒砂岩的f则随坡度的增大而增大。径流剪切力、径流功率和径流动能理论可不同程度解释砒砂岩自然边坡坡面侵蚀的径流产沙过程。径流阻力系数、水力半径、径流功率和径流动能对砒砂岩自然边坡冲刷的侵蚀产沙量的贡献较大。2.植被覆盖可明显增加砒砂岩自然边坡水流冲刷的稳定性。不同植被覆盖类型的砒砂岩自然边坡坡面径流强度大小排序为:裸地>油松>草地>柠条>沙棘;产沙强度和径流含沙量大小排序为:裸地>草地>柠条>油松>沙棘。相对于草地、柠条和油松覆盖的坡面,沙棘覆盖的砒砂岩自然边坡减流和减沙效益均最大。3. EN-1掺量、养护龄期、压实度和土壤含水量是影响EN-1固化土击实、抗剪强度和抗渗能力特征的主要因素。EN-1对砒砂岩风化土最优含水量的影响较小,但能有效提高其最大干密度。砒砂岩素土和固化土的抗剪强度和抗渗能力随压实度的增大而增大,抗剪强度随含水量的增大而减小。随EN-1掺量的增大和养护时间的延长,砒砂岩固化土抗剪强度和抗渗能力均大幅提高。4.水流冲刷、坡度和压实度是影响砒砂岩人工模拟边坡冲刷稳定性的主要因素。坡面径流强度随冲刷流量和压实度的增大而增大,坡度对其没有显著影响。产沙强度和径流含沙量随冲刷流量的增大而增大,随压实度的增大而减小,随坡度的增大先增大后减小,黄绿和灰黄色砒砂岩坡面的临界坡度分别为60°和50°。径流流速随冲刷流量、坡度和压实度的增大而增大。当冲刷流量较大和压实度较小处理的冲刷后期,坡面径流的运动型态属于紊流外,其它处理均属于层流;除压实度较小处理的冲刷后期坡面径流的流态为缓流外,其余处理均属于急流。f随冲刷流量的增大而增大,随压实度的增大而减小;黄绿色砒砂岩的f随着坡度的增大有先增大后减小的趋势,而灰黄色砒砂岩的f随坡度的变化趋势正好相反。径流剪切力、径流功率和径流动能理论均能不同程度解释砒砂岩模拟边坡在不同冲刷流量、坡度和压实度下冲刷时侵蚀的产沙过程。5. EN-1掺量、养护龄期和压实度是影响砒砂岩人工固化边坡冲刷稳定性的主要因素。径流强度随压实度的增大而增大,EN-1掺量和养护龄期对其影响不显著。产沙强度和径流含沙量随养护龄期和压实度的增大而减小,黄绿色砒砂岩的产沙指标随EN-1掺量的增大先减小后增大,在0.2%达到最小值,灰黄色砒砂岩的产沙各指标随EN-1掺量的增大而减小。添加EN-1后,径流流速较素土有较大提高,随压实度的增大而增大,养护龄期对径流流速没有显著影响。在试验设计的EN-1掺量、养护龄期和压实度处理范围内,砒砂岩固化边坡冲刷时坡面径流均属于层流和急流。f随养护龄期和压实度的增大而减小,黄绿色砒砂岩的f随着EN-1掺量的增大先减小后增大,灰黄色砒砂岩的f随EN-1掺量的增大而减小, f与输沙率之间呈正相关关系。径流剪切力和径流功率理论可不同程度的解释砒砂岩固化边坡冲刷侵蚀的产沙过程。6.综合考虑EN-1对砒砂岩风化土抗剪强度、抗渗性能和抗冲刷性的影响,为提高砒砂岩地区边坡抵抗径流冲刷的能力,减轻水土流失的危害,在该地区EN-1固土护坡技术的工程实践中,建议最佳掺量为0.2%,养护龄期至少在15 d以上,压实度控制在95%以上,含水量控制在略低于最优含水量。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-29
  1.1 选题依据与研究目的  13-16
  1.2 国内外研究概况  16-28
    1.2.1 砒砂岩抗侵蚀能力影响因素分析  16-19
    1.2.2 边坡坡面冲刷稳定性影响因素分析  19-23
    1.2.3 公路边坡防护技术研究进展  23-28
  1.3 问题与展望  28-29
第二章研究内容和方法  29-38
  2.1 研究目标  29
  2.2 研究内容  29-30
    2.2.1 砒砂岩自然边坡水流冲刷稳定性的影响因素  29
    2.2.2 植被覆盖增强砒砂岩自然边坡水流冲刷稳定性的机理  29
    2.2.3 EN-1 固化剂固化砒砂岩风化土的影响因素  29
    2.2.4 砒砂岩人工边坡水流冲刷的稳定性影响因素  29
    2.2.5 EN-1 固化剂固化砒砂岩边坡水流冲刷的稳定性机理  29-30
  2.3 技术路线  30
  2.4 研究区概况  30-31
  2.5 供试材料  31-32
    2.5.1 供试砒砂岩和砒砂岩风化土  31
    2.5.2 供试试剂  31-32
  2.6 研究方法  32-37
    2.6.1 砒砂岩自然边坡冲刷试验  32-33
    2.6.2 土工试验  33-36
    2.6.3 室内模拟边坡冲刷试验  36-37
  2.7 数据处理  37-38
第三章砒砂岩自然边坡冲刷稳定性的影响因素  38-61
  3.1 砒砂岩坡面侵蚀产流产沙的影响因素  38-46
    3.1.1 冲刷流量对径流产沙过程的影响  38-42
    3.1.2 坡度对径流产沙过程的影响  42-46
  3.2 砒砂岩自然边坡坡面径流水动力学特性分析  46-54
    3.2.1 边坡坡面径流水动力学特性的基本理论  46-47
    3.2.2 影响砒砂岩坡面径流流速的因素  47-49
    3.2.3 影响砒砂岩坡面径流流态的因素  49-53
    3.2.4 影响砒砂岩坡面径流阻力的因素  53-54
  3.3 砒砂岩自然边坡坡面冲刷侵蚀动力分析  54-57
    3.3.1 边坡坡面径流冲刷侵蚀动力的基本理论  54-55
    3.3.2 砒砂岩坡面径流侵蚀产沙过程的侵蚀动力解释  55-57
  3.4 砒砂岩自然边坡坡面冲刷产沙量与径流水动力学、侵蚀动力指标的通径分析  57-59
    3.4.1 灰黄色砒砂岩自然边坡冲刷侵蚀产沙量与各指标的通径分析  57-58
    3.4.2 灰白色砒砂岩坡面冲刷侵蚀产沙量与各指标的通径分析  58
    3.4.3 红棕色砒砂岩自然边坡冲刷侵蚀产沙量与各指标的通径分析  58-59
  3.5 小结  59-61
第四章植被覆盖对砒砂岩地区自然边坡坡面侵蚀的减流减沙效益研究  61-69
  4.1 植被覆盖对砒砂岩地区自然边坡坡面径流产沙过程的影响  61-65
    4.1.1 不同植被覆盖类型的坡面侵蚀产流过程  61-62
    4.1.2 不同植被覆盖类型的坡面侵蚀产沙过程  62-64
    4.1.3 不同植被覆盖类型的坡面侵蚀水沙关系  64-65
  4.2 不同植被覆盖的砒砂岩自然边坡坡面侵蚀减流减沙效益分析  65-68
    4.2.1 不同植被覆盖的坡面侵蚀减流效益  65-66
    4.2.2 不同植被覆盖的坡面侵蚀减沙效益  66-68
  4.3 小结  68-69
第五章 EN-1 固化剂加固砒砂岩边坡坡面土壤的工程力学分析  69-81
  5.1 EN-1 加固砒砂岩风化土的击实特征  69-72
  5.2 EN-1 加固砒砂岩风化土的抗剪强度特征及其影响因素分析  72-77
    5.2.1 砒砂岩素土的抗剪强度特征及其影响因素  72-73
    5.2.2 砒砂岩固化土的抗剪强度特征及其影响因素  73-77
  5.3 EN-1 加固砒砂岩风化土的抗渗性能及其影响因素分析  77-80
    5.3.1 土壤压实度对砒砂岩素土的抗渗性能的影响  77-78
    5.3.2 砒砂岩固化土的抗渗性能及其影响因素  78-80
  5.4 小结  80-81
第六章砒砂岩人工边坡坡面冲刷稳定性的影响因素研究  81-102
  6.1 砒砂岩坡面侵蚀产流产沙的影响因素分析  81-89
    6.1.1 冲刷流量对径流产沙过程的影响  81-84
    6.1.2 坡度对径流产沙过程的影响  84-86
    6.1.3 压实度对径流产沙过程的影响  86-89
  6.2 砒砂岩人工边坡坡面径流水动力学特性分析  89-98
    6.2.1 影响砒砂岩坡面径流流速的因素  89-92
    6.2.2 影响砒砂岩坡面径流流态的因素  92-96
    6.2.3 影响砒砂岩坡面径流阻力的因素  96-98
  6.3 砒砂岩人工边坡坡面冲刷侵蚀动力分析  98-101
    6.3.1 冲刷流量对砒砂岩坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  98-99
    6.3.2 坡度对砒砂岩坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  99-100
    6.3.3 压实度对砒砂岩坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  100-101
  6.4 小结  101-102
第七章 EN-1 对砒砂岩固化边坡坡面冲刷稳定性的影响  102-123
  7.1 EN-1 对砒砂岩固化边坡坡面侵蚀产流产沙的影响  102-111
    7.1.1 掺量对径流产沙过程的影响  102-105
    7.1.2 养护龄期对边坡径流产沙过程的影响  105-108
    7.1.3 压实度对边坡径流产沙过程的影响  108-111
  7.2 EN-1 对砒砂岩固化土边坡坡面径流水动力学特性的影响  111-119
    7.2.1 影响边坡径流流速的因素  111-113
    7.2.2 影响边坡径流流态的因素  113-117
    7.2.3 影响砒砂岩固化土边坡径流阻力的因素  117-119
  7.3 砒砂岩固化土边坡坡面冲刷侵蚀动力分析  119-121
    7.3.1 EN-1 掺量对坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  119
    7.3.2 养护龄期对坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  119-120
    7.3.3 压实度对坡面径流侵蚀产沙过程影响的侵蚀动力解释  120-121
  7.4 小结  121-123
第八章结论  123-127
  8.1 主要结论  123-125
    8.1.1 影响砒砂岩自然边坡冲刷稳定性的因素  123-124
    8.1.2 植被覆盖对砒砂岩自然边坡冲刷稳定性的影响  124
    8.1.3 EN-1 对砒砂岩风化土土力学特征的影响  124
    8.1.4 影响砒砂岩人工模拟边坡冲刷稳定性的因素  124-125
    8.1.5 EN-1 对砒砂岩人工固化边坡冲刷稳定性的影响  125
  8.2 主要创新点  125-126
  8.3 有待进一步研究的主要问题  126-127
参考文献  127-138
致谢  138-139
作者简介  139

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