文摘

Rainfall-induced失败等自然和人工边坡边坡,受冻融,在日本北海道,频繁的报告。特别是,许多失败发生集中从春天到夏天季节。尽管许多领域的研究,解释他们的原位力学行为基于数据尚未完全实现由于难以把握失败条件。本研究旨在澄清方面的现场火山斜坡受降雨和冻融作用。土壤水分的变化,孔隙压力,变形,并使用土壤水分温度斜率进行了米,张力计、热电偶传感器,测斜仪,结算仪表,anemovane,雪计,雨量计。这些措施产生的数据表明边坡变形的研究主要是进行在排水过程中根据土壤水分的变化。基于这些数据,故障的预测方法是详细讨论。

1。介绍

在日本北海道有超过40第四纪火山,火山碎屑物质覆盖超过40%的地区。重大火山活动发生在新第三纪的第四纪,和各种火山碎屑物质如火山灰、浮石、火山渣在这火山喷发形成的。

这样的火山土被用作一种有用的建筑材料,尤其是在基础或人造岩土结构(堤防边坡等)。然而,研究火山粗粒度的土壤相比,从工程的角度看是非常有限郭芷伶(三浦et al。1])。

最近的地震和暴雨在北海道生成最严重的损害在地上,自然斜坡上,斜坡,和堤防,这是由火山土壤(例如,JSSMFE [2],JSCE [3]),如住宅路堤的边坡破坏由于1991年Kushiro-oki地震(JSSMFE [2])。此外,路堑边坡的失败归因于冻融也被观察到在北海道高速公路在春天和夏天的季节。

图1显示了路堑边坡的冻胀现象的机理和失效模式在寒冷的地区。在北海道等寒冷地区、日本、斜坡冻结与冰的形成透镜表面在冬季(见图1(一))。此后,冻土解冻逐渐从地面到夏季。冻融序列,边坡的表层可能出现高含水率对土的液限由于融化的雪融化的冰透镜。因此,表面之间的边界发生故障时,松散的土壤融化和冻结层被水渗透由于降雨和融雪,因为冻层是一个不透水层(见图1 (b))。另一方面,另一个失败由于地下水管道现象也可能在春季当孔隙水压力增加在冻层的强度(见图1 (c))。此外,凹陷的冰透镜由融化可能会产生松散结构前的冻层与冻融过程(见图1 (d))。因为这种现象,一个更深的滑坡可能诱导从夏天到秋天的季节。

由于上述原因,自然灾害如滑坡在寒冷地区经常诱导在融雪的季节和被认为是由于饱和度的增加引起的融化水和变形强度特性的变化造成的土壤冻融的行动。

大量的降雨引起的边坡失败的机制研究主要进行了在温暖的地区。最近,研究失败机制在不饱和条件下以及在饱和条件下进行了调查和报告(例如,集中政策等。4),八木等。5),Orense et al。6],Kitamura et al。7])。特别是,八木等。5)表示的数量有限的降水的重要性,提出了一个基于领域失败的预测方法和实验数据为火山斜坡上。另一方面,预测滑坡的方法基于监测技术,例如预测使用卫星系统等等,也被提出(例如,北村[8])。

岩土工程问题在冻融和冻胀现象的行为已被许多研究人员报道(如青山et al。9),西村et al。10],石川et al。11])。冷冻和解冻土壤的力学行为是通过他们的努力,澄清和评估岩土问题的重要性已经指出。

此外,哈里斯和戴维斯(12],哈里斯和Lewkowicz [13)研究了斜坡的变形行为受到冻融边坡稳定。然而,领域,实验和分析研究边坡稳定性由于冻融序列已经相当有限。

作者同样调查rainfall-induced火山斜坡上的失败受到冻融及其机制(河村建夫et al。14- - - - - -17])。在先前的研究中,进行了一系列的模型试验在火山山坡上有几个边坡形状和含水量。降雨强度是60毫米/小时,80毫米/小时和100毫米/小时,并准确地模拟通过喷嘴的使用。降雨的测试过程中,孔隙水压力的行为,变形行为,和饱和度的变化进行了监测,斜坡的变形模型估计的粒子图像测速技术(PIV)的方法。斜坡的几何条件的影响,降雨条件、地质条件、和冻融作用机制的详细澄清。特定意义的发现,周围的滑移线是诱导的深度冷冻区,可以评价土壤的膨胀行为归因于冻融作用。

本文的目的是阐明土壤行为方面的火山斜坡上通过各种监测仪器和提出一个预测故障发展的快速评估方法在山坡上。现场监测持续日期从12月1日,2008年。所提供可靠的数据收集在此期间,尽管有间隔的监控没有进行。

2。监测站点和监测仪器的位置

监测站点位于切坡沿途37在日期、日本、边坡高度和角度约28米,40度左右,分别。据初步调查,20厘米的表面是由粉砂质土壤。层下面20厘米主要由火山土与粉砂质土壤。监测站点图所示2。

在目前的研究中,采取了以下仪器监测土壤行为和温度在空气和斜率:(1)土壤水分米(时域reflectrometry类型:TDR),(2)张力计,(3)热电偶传感器,(4)测斜仪(多个倾角传感器),(5)结算仪表,anemovane(6),(7)雪仪,(8)雨量计,如图3(一个)和3 (b)。这些工具基本上是建立在每一个20厘米的深度。仪器的规格如表所示1。下标的数字显示的深度位置的仪器。在这项研究中使用的符号也表示在表1。每个数据的采样周期内收集10分钟并被记录到一个数据记录器。每1小时的数据描述。仪器在这项研究中已经使用了另一个寒冷地区网站为了讨论边坡稳定性受冻融作用及其有效性也得到证实。

索引属性和土壤粒径分布样本斜率数据所示4和5,分别。如图5,自然含水量边坡表面几乎是一样的,或超过,液限它的土壤。由于这一点,边坡表面的一部分(20厘米)的厚度逐渐侵蚀和向下流动。更深层次的部分边坡不稳定因为自然含水量低于液体的极限。

也已经确认没有差异指数属性由于冻融操作2年了。图6也说明了地表水的量的变化(包括水从地下)最大值点从4月1日,2009年到2010年11月27日,与降雨量的变化。这些数字表明,地表水通过季节和不同的数量显示最大值在融雪的季节虽然每年高峰时间不同。图7显示了地形斜率皇冠,描述了基于测量的3 d。从这个图很明显,降雨和融雪径流容易聚集在这个监控区域。因此,边坡中的水含量高的原因可能来自于地形和边坡渗流的特点。

图8描述了温度的变化(:在空气中,:在斜率)监测。在图中,边坡表面的冻融循环的数量(:0厘米)44倍于12月1日2008年4月1日,2009年和48倍从12月1日,2009年4月1日,2010年。如图1所示,在2010年冬天,一个部分的表面覆盖着雪和冰层,因此,可以说,这斜坡位于一个恶劣环境。另一方面,山木et al。18)报道,冻融循环的数量是6次冬季(从2007年12月8日到2008年4月1日)在札幌,附近的日本,这是本研究的数据收集网站。与其他地方相比,在寒冷的地区,它也指出,从岩土工程角度这个地区严重。出于这个原因,进行现场监测火山斜坡在严重的环境条件下,阐明土壤行为的特点,提出边坡稳定性的评价方法。

3所示。监测结果和讨论

3.1。方面的原位火山斜坡受冻融作用和降雨

图9显示了孔隙压力和温度之间的关系(:在斜率)。在图中,孔隙压力,正值表示,20厘米的深度和大约是0 kPa 60厘米,虽然这些值通过季节变化。因此,监测该边坡可以评估点,可以主要讨论了饱和土的行为。

数据10 ()来10 (d)描述一致性指数的变化在每个深度、基于索引属性如图5。体积含水量获得了利用土壤水分米可以转化成水含量由以下关系,在那里和分别是水和干土的密度,。在这项研究中,0.915克/厘米吗³根据采样数据。数据,在30厘米的深度值表明约0.5或更少。这一事实意味着斜率可能动摇降雨量或增加的水从地下。也有趣的边坡稳定性可以很容易地利用土壤水分和评估一个简单的指数。

图11说明了和解的行为通过使用仪表进行结算。在图中,一个积极的价值意味着对边坡的内部结算。这个数字表明,重大的改变为每个位置没有被监控期间,除了在100厘米的深度。虽然在100厘米的深度变化的原因并不明确,似乎表面变形对上部侧由于冻胀现象。另一方面,使用多个倾角传感器位移的变化观察2年(见图12)。特别是,它是指出,位移逐渐逐年增加,其价值诱导的冬季在夏天增加7倍。

监测站点的测量结果中描述数据(13日)和13 (b)。在斜率测量进行9分,如数据所示。这些数据说明交叉和飞机的部分。如数据所示,一个向上方向的垂直边坡变形和表面在冬天的季节,和它的重力的方向更改课程融雪的季节。

哈里斯和戴维斯(12冻融期间)解释说,表面位移序列是由“霜蠕变”和“gelifluction”,如图14。在图中,霜蠕变表示群众运动当冻土融化和消退gravity-induced关闭孔隙冰透镜。另一方面,gelifluction表明群众运动与解冻土壤滑下斜坡。类似的趋势也已获得一系列模型试验的结果(河村建夫et al。14,15])。由于上述原因,重要的是评价边坡稳定性监测边坡的变形从冬季到夏季季节。

数据(15日)和15 (b)显示按体积含水量的变化分别为夏季和冬季季节。应该注意数据的体积含水量增加而增加降雨,然后随时间在这个夏天的季节。相比之下,含水量增加而降低温度(小于0°C)的斜率为冬季和减少相反增加温度(超过0°C)。这表明体积含水量的变化在seepage-drainage诱导过程。在表面的情况下失败,据说郭芷伶表面失败的原因之一是自重的增加,由于面积的扩张与高保水能力。在一项研究中一系列降雨模型试验进行火山斜坡(河村建夫et al。14,15]),模型斜坡上突然失败后在饱和程度的高峰期饱和度逐渐增加。失败后,饱和程度下降,类似于现场监测数据显示(见图(15日)和15 (b))。

此外,值得注意的是值是常数时变形,例如38%左右在斜率的大小虽然变形很小。如果假设斜率失败逐步集成的小位移,这一发现是重要的边坡稳定性评价的地方。因此,失败可能是预测如果含水量在定义。

数据(16日)和16 (b)描述典型的按体积含水量的变化基于区域的排水过程在图虚线15。的数据,拟合曲线的排水过程也被描绘成实线。如图16 (b),观察数据的变化。变化的原因是由于降雨的影响在冬季虽然这里的数据被省略了。引人注目的人物,土壤水分的行为是解释为一个简单的表达式根据基于最小二乘法的拟合曲线。即可以获得以下表达式: 在哪里和峰值的时间吗和一个周期的顶峰排水过程的结束,和表示峰值和体积含水量的减少比率得到拟合曲线和夏季是45.6和0.01,分别为45.3和0.006在冬季。应该指出,这两个值在夏季和冬季季节几乎相同的虽然很难定义字段数据的峰值。因此,它可能是有用的减灾如果这样的关系可以简单地定义为每个斜坡。需要进一步考虑,因为数据的数量是有限的。

3.2。表面失效的预测方法原位火山斜坡受降雨和冻融作用

正如上面提到的,除了失败的情况下,由于地下水位的增加,它是重要的边坡稳定性评估掌握饱和程度的变化(火山斜坡上的水保持能力的差异)的seepage-drainage过程。

作者提出了一个预测方法的火山斜坡表面失败考虑保水的能力的特点(如含水量)和显示,滑移线是诱导周围的深度冻结的区域。这些发现提供的总结(河村建夫et al。14,17])。

图17显示了在初始含水量之间的关系在失败基于一系列的模型测试结果。火山土壤在先前研究中使用的细节为其它三浦et al。1]。这些典型的火山土壤在日本北海道被称为Kashiwabara和Touhoro火山土壤。如图,有独特的水含量之间的关系,这两种类型的火山土壤。含水量的增加失败从最初的线成为每个材料的稳态虽然随冻融作用的关系。例如,以下表达式也可以获得: 在哪里和是系数,这些值见表2。从表2,应该注意的是,这些参数的火山土壤受到冻融过程变得几乎相同。因此,也可以评估滑坡由于降雨和冻融过程如果这样的关系可以获得原位斜率。

同样,监测数据如图18。每一层的最大值(20厘米,30厘米,40厘米,60厘米,80厘米,100厘米)通过土壤水分计1是基于图17。在目前的研究中,很难真正为这个站点定义边坡破坏。因此,含水量在失败是暂时定义为液体限制表明边坡不稳定,因为监测边坡变形逐渐在液限。故障预测是基于液限和在(2)的值表示为火山土壤保持一致。很明显的图的范围内的最大值是限制为每个深度和略靠近预测基于液限行。特别是,它是指出,价值30厘米的失败。根据图10 ()数据收集,这在2009年2月1日。水含量高的原因是30厘米的深度是强烈影响不仅通过地表水由于解冻和融化的雪还水从地下。结果,(2)可以解释火山斜坡上的字段数据和评价边坡稳定。

考虑这项研究的结果,表面失败可能是预测如果冰冻区域的深度和持水量在斜坡失败仅仅是估计通过监测含水量等索引属性。然而,很难准确定义边坡破坏。此外,上述结果与土壤的变化可能会改变材料和因此,滑线预计的变化。无论如何,需要进一步考虑。

4所示。结论

考虑到有限的现场监测的结果,获得了以下结论。(1)斜坡受到冻融变形表面垂直地和在一个向上的方向在冬天的季节,和它的重力的方向更改课程融雪的季节。(2)根据收集的数据使用土壤水分米,含水量增加定期增加降雨,然后减少增加运行时间在夏天季节。另一方面,它增加了地面温度的降低由于冻融温度的增加然后减少。结果,评价土壤水分可能做渗流和排水过程尽管所有季节的变化。(3)按体积含水量成为一个常数值在边坡变形诱导时,例如在这种情况下是38%左右。表面失败可能是预测如果冰冻区域的深度和持水量在斜坡失败仅仅是估计通过监测含水量等索引属性。

确认

作者想表达诚挚的感谢和H, H . Igarashi)女士Terui为现场监测进行了调查的重要组成部分(Muroan理工学院、日本)和t .石川博士和s .横滨(北海道大学)。本研究采取的财政支持科学研究补助金(没有。之时价)、土地、基础设施、在日本Transportationn和旅游。