考虑中间主应力影响的非饱和黄土边坡抗滑桩间距研究

理论研究和工程应用中土体破坏准则的合理选用对研究和设计结果影响较大,同时由于中间主应力效应的影响,导致平面应变试验和常规三轴试验的试验结果的差异也被广泛证实。基于土拱破坏理论,采用理论推导的方式将统一强度理论、统一滑移线场理论和土拱破坏理论应用于非饱和黄土边坡抗滑桩间距研究中,并根据试验数据确定了非饱和黄土中间主应力参数b,推导了基于土拱理论的非饱和黄土边坡抗滑桩间距表达式。通过工程实例研究了非饱和黄土边坡抗滑桩间距随中间主应力参数b和基质吸力的变化规律。研究结果表明,考虑中间主应力效应的影响可增大抗滑桩设计间距,从而降低工程造价。研究对优化非饱和黄土地区抗滑桩间距具有重要的参考价值。

高温作用下非饱和黄土水热迁移试验研究

黄土的水敏性特点使其强度随含水率降低而大幅增加,高温疏干方法进行黄土加固具有广阔应用前景,研究高温作用下非饱和土水热迁移规律具有重要意义。通过自制高温水热迁移装置,进行不同高温水平下不同初始含水率黄土的水热迁移试验。试验结果表明:高温对水分具有显著驱动作用;当热端温度超过100℃时,试验初期贴近热源土体的水分被快速驱离,是气液相变导致的气态水迁移显著增加所致;含水率分布由峰值曲线逐渐演变为含水率单向增大的缓变曲线;热源温度越高,水分迁移通量越大。建立了高温水热迁移模型,并通过计算验证了模型的可靠性。以体积含水量表示计算所得水分场数据分析了高温和水分含量对水分迁移的综合影响机制,根据黄土高温水分迁移特征在不同体积含水量阶段的差异化表现,将高温水分迁移特征划分为3个区间。Ⅰ低体积含水量区间:水分迁移通量随体积含水量变化曲线呈现峰值曲线,水分主要迁移形式为气态水;Ⅱ中体积含水量区间:随体积含水量增大,气态水迁移通量减小的同时液态水迁移通量增大;Ⅲ高体积含水量区间:温度作用对水分迁移进程不产生影响。

非饱和黄土高吸力下的水力力学特性及微观结构分析

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。

水蒸汽增湿重塑非饱和黄土地基现场应用参数研究

天然状态下,非饱和黄土地基中土体含水率较低,导致强夯法处理黄土地基时夯实效果较差,无法满足地基承载特性,因此,如何对黄土地基进行增湿成为研究的重点。为了研究非饱和黄土在水蒸汽作用下的增湿效果,以重塑非饱和黄土为研究对象,开展水蒸汽增湿模型试验,分析了不同水蒸汽压力梯度、花管开孔数量及开孔间距条件下,水蒸汽扩散速率、温度及气体运移随时间的变化规律。结果表明:水蒸汽增湿是含水率梯度、压力梯度和温度梯度三者耦合且相互影响的动态变化过程,其中,温度梯度是影响水蒸汽运移的主要因素。水蒸汽通入土体后,体积含水率、气压和温度在各个测点处随通气时间的推移,均呈现快速上升−逐渐稳定的两个阶段。试验中,增大水蒸汽压力,增湿程度和增湿范围变化明显;增加开孔数量,土体增湿的均匀程度提高;减小开孔间距,土体增湿程度变化不大。研究成果可为水蒸汽增湿非饱和黄土地基相关工程提供一定的经验。

非饱和黄土场地水分入渗规律及影响因素的现场试验与数值模拟

为了探究非饱和黄土场地水分入渗规律及其影响因素,为黄土地区因水分入渗作用导致的各类滑坡和工程地质灾害研究提供参考。在非饱和黄土场地现场开展水分入渗试验,获得不同深度水分计监测信息,探讨非饱和黄土场地水分运移规律;结合数值模拟扩展研究不同浸水类型及不同浸水量对水分入渗规律的影响。结果表明:不同深度土体的体积含水率随时间关系曲线呈现出四个阶段变化特征,区别在于各阶段时间的长短和体积含水量峰值的大小;非饱和入渗时,渗透扩散速率随着深度的增加逐渐衰减,且衰减速率较大;不同浸水类型的入渗深度及宽度在短时间内会存在差异,对最终入渗深度及宽度并没有影响;随着浸水量的增加,入渗深度和宽度不断增加,但增加幅度不断减小,非饱和黄土场地水分入渗深度及宽度是有限的。

非饱和黄土场地桩-土动力相互作用试验研究

为了研究非饱和黄土场地桩-土动力相互作用,利用土工离心机振动台进行桩-土动力模型试验.获得桩身弯矩、桩侧土抗力、桩-土相对位移及动力p-y曲线,分析加速度幅值、桩基埋深对动力p-y曲线的影响.基于非线性文克尔地基梁模型,建立考虑远场阻尼效应、桩-土间隙效应的非线性动力p-y单元,通过有限元分析结果和该试验记录对动力p-y单元的有效性进行验证.结果表明,随着加速度幅值的增加,桩-土体系的耗能增强,土体刚度逐渐退化;桩侧土抗力与桩-土相对位移之间存在滞后性;采用建立的动力p-y单元,能够相对真实地模拟非饱和黄土场地的桩-土动力响应.

重塑非饱和黄土浸水入渗规律的模型试验研究

为了研究非饱和黄土的浸水入渗规律,开展了重塑黄土的浸水入渗模型试验,分析了浸水过程中不同位置的体积含水率变化及湿润锋面发展过程,研究了入渗水分在水平和径向的发展变化规律,并通过考虑空气压力的Green-Ampt模型计算得到不同时间的入渗深度,与实测值进行对比分析。研究表明:不同测点的体积含水率变化趋势基本一致,都会经历稳定-快速增长-到达峰值-快速减小-再次增长-维持稳定6个阶段;浸水入渗过程受入渗深度、渗流路径、沿程黏滞阻力和空气压力的共同影响,入渗深度越深、距离中心轴位置越远、湿润锋发展越滞后,入渗速率越小。深度从0 cm增加至100 cm时,入渗速率从14.93 cm/h减小至1.67 cm/h。对不同位置的竖向入渗速率与入渗深度的关系进行拟合发现:竖向入渗速率与入渗深度呈二次方关系,且拟合度达到0.9以上;径向水分运移是该深度水分径向扩散和上部水分竖向入渗综合作用的结果,故相比于竖向入渗较快;模型计算结果中湿润锋面发展趋势与实测竖向入渗情况一致,但入渗后期的入渗深度计算值比实测偏大。研究结果可为黄土地基浸水入渗研究提供参考。

非饱和黄土边坡直立性影响因素分析

通过Fredlund&Xing模型估算某区域非饱和黄土的水土特征曲线,再运用Midas/GTS对延安地区非饱和黄土物理力学性质进而数值模拟,对影响黄土直立性的各个因素进行敏感性判别,最后通过Lognormal分布函数拟合得出非饱和黄土边坡直立性经验公式。主要得出的结论为:基质吸力是通过影响黄土黏聚力进而影响黄土直立性。通过敏感度分析可得出:黄土极限高度对黏聚力最为敏感,黄土边坡坡角次之,内摩擦角最不敏感。随着黏聚力和内摩擦角的增大,黄土极限高度H的敏感度近似呈lg曲线。

降雨条件下非饱和黄土边坡数值模拟研究

基于Abaqus有限元数值模拟软件,根据试验所得的数据建立起降雨条件下二维边坡的有限元分析模型。在降雨时长为120 h的前提下,设置降雨强度分别为10 mm/h、15 mm/h、20 mm/h,分析了斜坡的变形特征及渗流特征。结果表明,坡体的等效塑性变形随雨强度的增加而增大,最大塑性应变为0.04,有向坡底偏移的趋势;水平位移也不断增大,最大位移为64.62 mm;与此同时,由于坡脚处的积水增多,坡脚处的孔隙水压力值也在持续增加,最大值为41.02 kPa;边坡安全系数不断减小,最小值为1.025,边坡稳定性降低。

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明:非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund&Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs&Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。

非饱和黄土动残余应变关键影响参量与量值估算

通过分析非饱和黄土动残余应变的物理过程与力学机制,研究影响动残余应变的关键参量;结合室内动(静)三轴试验数据,提出应用关键影响参量求算该动残余应变的分布拆解方法。结果表明,非饱和黄土动残余应变实质上是土体广义固相介质响应外部动荷载作用的再固结过程,其关键影响参量可归纳为土体广义固相介质的强度、体积特征和外部动荷载特征。强度特征对应土体抵御外部荷载的能力,可用室内土工测试获取的黏聚力与内摩擦角宏观表征;体积特征反映土体潜在的再固结性态,可用表征土体欠压密程度的孔隙比描述。基于非饱和土三相概念的分布拆解方法,其求算过程具备较为明确的物理含义,对建立合理、实用的非饱和黄土动(静)塑性形变本构关系具有理论意义。

动扭剪荷载作用下非饱和黄土动力特性试验研究

通过对黄土的动扭剪试验研究了非饱和黄土的动孔隙压力特性、动强度特性以及振陷变形特性。非饱和黄土在动扭剪试验过程中,随着轴向变形的发展,孔隙气压力逐渐上升,而孔隙水压力则基本保持不变或后期略有升高,且非饱和黄土和饱和黄土的强度及变形特性存在明显差异;同时,分析了含水量、固结应力和固结比对黄土动力特性的影响。

非饱和黄土的三维有效应力

以杨凌非饱和黄土为对象进行了真三轴试验 ;根据笔者的非饱和土有效应力新表达式提出了三维应力状态下有效应力参数的确定方法 ,并计算出相应的有效应力与应变之间的关系曲线。

非饱和黄土的结构变化特性

以陕西杨凌原状黄土和人工结构性黄土为研究对象,通过非饱和黄土的压缩试验获取的基本资料,求取非饱和黄土在不同结构状态下的综合结构势参数,研究了黄土在压缩试验状态下的结构变化特性。结果表明,对于原状结构黄土,含水率对结构性参数影响明显,含水率愈低同一压力下对应的结构性参数愈大,尤其在低含水率区域,含水率变化强烈影响黄土的结构性;对于人工结构性黄土,黄土的结构性受密度、含水率和水泥含量的耦合因素影响,总体表现为干密度愈低、含水率愈小、水泥含量愈高,黄土的结构性愈强。

非饱和黄土抗拉强度的研究

分析了非饱和黄土抗拉强度的来源 ,研究了非饱和黄土抗拉强度的特性 ,结果表明 :密度和含水量是非饱和黄土抗拉强度的主要影响因素 ;非饱和黄土在拉应力下的破坏一般为脆性破坏 ;抗拉强度与初始含水量呈幂函数关系 ;试样破坏时的极限拉应变随初始含水量的增大而变大 .

非饱和黄土湿陷过程中有效应力变化规律

以渭北张桥非饱和原状黄土为对象,进行了增湿湿陷试验。由试验测得湿陷体应变与球应力(shve-p)、湿陷体应变与基质吸力[shve-(au-wu)]曲线和湿陷剪应变与剪应力(shse-q)、湿陷剪应变与基质吸力[shse-(au-wu)]曲线,确定出有效球应力参数xp和有效剪应力参数xq的湿陷体应变与湿陷有效球应力参数的shve-px曲线和湿陷剪应变与湿陷有效球应力参数(shse-qx)曲线,进而得到非饱和原状黄土增湿有效应力的变化规律。

非饱和黄土基质吸力的滤纸法测试

黄土属于非饱和土,具有明显的大孔隙、垂直节理发育、湿陷性等特征,使得黄土地区工程地质灾害问题频发。由于黄土具有水敏性,因此水的因素成为诱发地质灾害的主要因素。基质吸力的变化是土体边坡稳定的重要因素。利用滤纸法对非饱和黄土的基质吸力进行试验研究,得出随着含水率的增加基质吸力逐渐减小;在土体含水率较小时基质吸力的变化比较敏感,含水率越高,其变化越小;在含水率达到饱和时基质吸力消失为零;并且随含水率的增加土体的抗剪强度逐渐减小。研究认为,滤纸法对操作过程中空气条件要求相对严格,是一种能够快速、简便测试非饱和土体基质吸力的方法。

非饱和黄土的结构强度与抗剪强度

本文分析了非饱和黄土强度的组成和结构强度的来源 ,给出了结构强度的确定方法 ,研究了结构强度的变化规律 ,结果表明 :非饱和黄土的结构强度可用其天然结构破坏后所丧失的强度衡量 ,结构强度与初始含水量间具有幂函数关系 ;结构强度与不稳定凝聚力具有良好的线性关系 ;提出了非饱和黄土结构强度终止含水量的概念 ;给出了非饱和黄土抗剪强度的计算公式 .

非饱和黄土的强度特征

以初始基质吸力为条件，根据大量的试验测定和分析，得到了非饱和黄土的粘聚力与基质吸力的相关关系；阐述了非饱和黄土的抗剪强度随基质吸力的变化特征；给出了临界基质吸力的计算式。为进一步采用控制吸力试验。