荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明:(1)使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2)荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3000kPa。(3)3种膨胀土的有效内摩擦角(′)和与基质吸力相应的内摩擦角(b)均非常数;′与基质吸力相关,b与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4)使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5)预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到b与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。

不同前期降雨与土–水特征曲线对边坡稳定的影响

以一均质边坡模型为例,研究了在土–水特征曲线(SWCC)中当土体饱和渗透系数保持不变,而其它参数变化情况下,不同前期降雨类型对边坡稳定的影响。结果表明:边坡稳定受土–水特征曲线参数不同程度的影响,其中进气值a对边坡稳定的影响最大,n值的影响相对较小。在不考虑主降雨情况下,当a值较小时,前期降雨主要引起边坡表层孔隙水压力的变化,对边坡安全系数影响并不大;当a值较大时,前期降雨的影响范围增大,甚至使地下水位抬升,对边坡安全系数影响较大,且后锋型前期降雨影响最大。考虑有主降雨情况下,当a值较小时,前期降雨类型对主降雨阶段边坡稳定几乎没有影响;当a值较大时,前期降雨类型将导致主降雨开始时刻孔隙水压力分布差异很大,进而导致主降雨阶段边坡最小安全系数差别很大;n值越大,边坡孔隙水压力受到的影响越大,从而导致主降雨阶段边坡最小安全系数也更小。

全吸力范围红黏土干湿循环土–水特征曲线

采用轴平移法、滤纸法以及饱和盐溶液蒸汽平衡法3种方法相结合,对单峰(泥浆土)和双峰(压实土)孔隙结构的重塑红黏土土样进行了一系列室内试验,研究了全吸力范围内(0~286.7 MPa)孔隙结构和初始孔隙比对土–水特征曲线(SWCC)的影响,分析了干湿循环下两种土的滞回性及体积变化规律。试验结果表明:不论泥浆土还是压实土,初始孔隙比对SWCC的影响均主要体现在低吸力阶段;孔隙结构对SWCC影响显著,压实土和泥浆土的SWCC分别呈现'双台阶'和'单台阶'特征;初始孔隙比相同时,泥浆土的进气值更大,持水性能更好;干湿循环下压实土的滞回性明显小于泥浆土,但泥浆土的体变更大。

砂质黄土土–水特征曲线的试验研究

针对取自浩吉铁路阳城隧道的砂质黄土土样,采用张力计法、滤纸法和露点水势仪(WP4C)法,得到了宽广吸力范围内不同干密度砂质黄土的土–水特征曲线(SWCC)。采用vanGenuchten模型对SWCC试验结果进行拟合,确定其进气值。基于扫描电镜试验,对不同干密度和含水率砂质黄土的微观孔隙结构进行了观测,从宏微观角度分析了不同干密度土样SWCC的初始饱和含水率、失水速率以及进气值的变化规律。试验结果表明:砂质黄土的体积含水率随基质吸力的增加逐渐减小;随着干密度增加,土体内部的孔隙结构由较多的架空孔隙转化为较均匀的中等孔隙,初始饱和含水率和失水速率逐渐降低,进气值逐渐增大。

考虑净正应力影响的膨胀土土–水特征曲线试验研究

工程建设中,具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特殊性质的膨胀土多处于非饱和状态和复杂变化的外加应力环境下,对膨胀土进行考虑应力状态的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验研究,定性描述和定量表征膨胀土在一定应力状态下的土水特征,具有工程实践意义。采用GEO-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪(SDSWCC-H)测定了河南南阳膨胀土在4个不同净正应力下(0,40,99,199 kPa)的土–水特征曲线,并利用试验数据对提出的能明确考虑净正应力影响的膨胀土SWCC表征方程进行验证。结果表明:(1)由于土体的间断级配,南阳膨胀土呈现出双峰土–水特征曲线(bimodal soil-water characteristic curve);(2)净正应力会对膨胀土的持水能力与进气值产生影响,具体表现为在10~100 kPa基质吸力范围内,净正应力会显著影响膨胀土在脱湿过程中水分排出的速度;净正应力也改变了双峰SWCC第二个波峰的进气值;(3)已提出的SWCC模型曲线拟合精度较高,拟合结果良好,模型可以很好地表征南阳膨胀土在恒定净正应力下基质吸力与持水量的关系。

等应力和等孔隙比状态下的土–水特征曲线

有研究结果表明,孔隙比是影响土–水特征曲线(SWCC)的直接因素,而应力状态是通过孔隙比影响SWCC的间接因素。然而相关文献中关于孔隙比对SWCC影响的试验研究,一般只控制了试样的初始孔隙比相同或者不同,而在SWCC试验过程中对试样的孔隙比并没有加以控制。为了深化对孔隙比和应力状态对SWCC影响的认识,以山东东营黏土为研究对象,采用应力相关土水特征曲线仪,对试样沿预定路径进行单向压缩或单向压缩–回弹以后,控制竖向应力或孔隙比在脱—吸湿SWCC试验过程中保持不变。结果表明:在本次吸力范围内(未超过400 k Pa)的脱湿—吸湿过程中,即使竖向应力相同(等应力状态),只要孔隙比不同,则SWCC就不同;但只要保持试验过程中试样孔隙比不变(等孔隙比状态),则竖向应力的变化对SWCC几乎没有影响。等孔隙比状态下,即使竖向应力不同,但试样的进气值相近,脱/吸湿速率也几乎保持一致;等应力状态下,进气值随着孔隙比的增大而减小,脱—吸湿SWCC的滞回度和滞回圈面积随孔隙比增加而增大。研究结果对于建立SWCC模型时,如何选取模型参数具有理论指导意义。

南水北调中线工程安阳段渠坡换填土广义土–水特征曲线的试验研究

为探讨应力状态和应力路径对非饱和土广义土–水特征曲线的影响,以南水北调中线工程安阳段渠坡换填土为对象,应用非饱和土三轴仪,进行一系列控制偏应力和净平均应力为常数的三轴收缩试验、控制偏应力和基质吸力为常数的三轴各向等量加压试验和控制净平均应力和基质吸力为常数的三轴等p剪切试验。研究结果表明:基质吸力、净平均应力和偏应力对水量变化均有较大影响;提出改进的非饱和土广义土–水特征曲线的表达式,能综合反映应力状态和应力路径的影响,用该式计算的结果与试验数据更为吻合。

土–水特征曲线对非饱和砂土抗剪强度的影响

因非饱和土的剪切试验设备成本比较高,通过间接手段估测非饱和土抗剪强度的方法日受欢迎,其中通过土–水特征曲线进行估测的方法最为普遍。通过修正传统毛细模型,结合概率统计学理论,为通过土–水特征曲线估测非饱和土抗剪强度的计算方法提供理论依据,并提出相关数学表达式。对比公式的估算值和现有文献的试验数据,发现估算值和试验数据基本吻合。此外,还发现很多文献中土–水特征曲线试验土样和非饱和土剪切试验土样并不在同一应力状态,如果忽略这样的应力状态差异,会增大估测的误差。因此,建议对传统张力仪或压力板试验的土–水特征曲线进行相关修正后再用以估测非饱和土抗剪强度。

不同初始孔隙比土体进气值及土–水特征曲线预测

建立不同初始孔隙比条件下土–水特征曲线预测方法是进行非饱和土水–力耦合研究的基础,因而具有重要的研究意义。为此,以分形理论为基础建立了不同初始孔隙比下进气值预测方法,分析了不同初始孔隙比条件下分维数近似不变的规律,在此基础之上,利用土–水特征曲线分形模型给出了不同初始孔隙条件的土–水特征曲线预测方法,试验结果表明提出的预测方法较为合理。

基于物理特征的马兰黄土土–水特征曲线的预测方法（英文）

总结了已有的预测土–水特征曲线的方法;评价了已有的黄土土–水特征曲线的研究;提出并验证了基于物理特征预测原状及重塑马兰黄土脱湿土–水特征曲线的一点法;比较了原状和重塑马兰黄土的土–水特征曲线。

橡胶颗粒改良粉煤灰土的土水特征曲线研究

随着我国公路建设的快速发展和公路等级的提高,涌现出越来越多的非饱和土的工程问题,研究基质吸力可以对非饱和土的抗剪强度、渗透系数、持水系数等做出预测,具有重要的工程实践意义。季冻区路基冻害对道路的使用性能造成了较大的影响,在我国路基冻害防治的研究也在一直进行,路基土在冻融循环作用下的研究也具有重要意义。本文通过滤纸法测定了橡胶颗粒改良粉煤灰土与粉质黏土的基质吸力,用Fredlund模型对两种土进行了土水特征曲线的拟合,并进一步测定了冻融循环下两种土的基质吸力,分析了冻融循环次数与基质吸力之间的关系。试验结果表明:两种土的基质吸力均随着干密度的减小而减小。冻融循环作用下,橡胶颗粒改良粉煤灰土的稳定性好于粉质黏土。

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明:随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发展规律。

干湿、冻融循环对膨胀土土–水及收缩特征的影响

研究了冻融循环、干湿循环和交替的干湿—冻融循环对压实膨胀土的微观结构、土–水特征曲线和收缩特征曲线的影响。试验结果表明:冻融、干湿以及干湿—冻融循环显著改变了压实膨胀土的大孔隙系统;干湿循环使压实土样的大孔隙消失,但产生可见的宏观裂隙;冻融循环导致土样产生肉眼不可见的微裂隙;干湿—冻融循环既产生可见的宏观裂缝,又产生不可见的微裂隙。宏观及微观裂隙的产生显著降低了膨胀土在低吸力范围内的持水能力以及从饱和状态到干燥状态的收缩量,但对高吸力范围内的持水能力和土样的缩限和塑限无显著影响;收缩特征曲线等比例收缩段和残余收缩段的斜率在冻融循环和交替的干湿—冻融循环后减小,但在干湿循环后基本保持不变;受3种循环作用后的试样的含水率–孔隙比–吸力关系分布在同一个土–水特征曲面上,该曲面可由本文所提的改进土–水特征曲面模型加以描述。

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。

非饱和重塑黄土的土水特性及压缩屈服与湿陷性的研究

利用改造的非饱和土固结仪对Q_3重塑黄土分别进行了无应力作用的分级增湿试验和控制基质吸力的压缩试验,测试得到了土–水特征曲线和压缩应力–应变曲线,研究了饱和度与基质吸力和含水率与基质吸力之间关系、压缩屈服应力随基质吸力的变化规律和湿陷系数随基质吸力的变化规律。研究结果表明,非饱和重塑黄土的吸力较大时土的强度较大,其压缩变形较小,非饱和重塑黄土的结构屈服压力较大;非饱和土基质吸力一定时,随着压力的增大,湿陷系数呈现出先增大后减小的趋势;同一净压缩应力下非饱和土基质吸力越大,湿陷系数越大,吸力越小,土样的?_s(p=200 k Pa)越小,当?_s(p=200 k Pa)超过约0.1时,?_s(p=200 k Pa)与基质吸力(u_a-u_w)近似呈指数增加。

非饱和土强度公式的比较研究

非饱和土力学的基本理论已经确认了基质吸力的存在有利于非饱和土的强度提高,但是对于强度提高的机制到目前为止没有统一的结论,非饱和土强度理论中存在着单应力状态变量公式和双应力状态变量公式2种基本的理论表达式,并在此基础上产生了许多实用的强度公式。通过珞珈山土样的土–水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究。结果表明,珞珈山土样的进气值和残余含水量分别为237.7kPa和4%;珞珈山土样非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本成线性增长关系,验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;珞珈山土样的非饱和抗剪强度参数约为20.7°;现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度理论的应用有待进一步的研究与完善。

非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型

基于土的土–水特征曲线(SWCC)和收缩特征曲线(SSCC)的特点及二者之间的联系,采用三直线的分段SSCC模型及非饱和土的三相比例公式,推导出了反映非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型。为了证实所提出模型的可靠性,采用GDS三轴仪进行了一系列吸力平衡试验,并对所提出模型的理论假设进行了验证。试验结果表明:利用该假设并通过吸力平衡下试样的排水量,可以准确地预测饱和试样在某一基质吸力和净围压共同作用下的体积变化量、进气量和总体变,证明了所提出模型的假设是成立的,且假设中的系数u具有明确的物理意义。

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。

考虑初始干密度影响的SWCC预测方法研究

首先研究了3个典型的土水特征曲线模型(van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型和Brooks-Corey模型)对不同类型土(黏土、粉土及砂土)的SWCC拟合效果。其次,为了分析各模型对SWCC的干密度相关性拟合效果,讨论了各模型的参数随土体初始孔隙比的变化规律。最后,提出了一种考虑初始干密度影响的SWCC预测方法。方法中假定同一吸力下初始孔隙比与饱和度间存在着线性对应的关系。并且利用该方法对试验结果进行了验证,证实了其合理性。

粒径对土持水性能的影响

进行不同粒径土样的持水特性试验,对吸湿与脱湿过程中的土–水特征曲线与滞后现象进行分析,探讨粒径对土持水性能的影响。利用D.G.Fredlund和A.Xing的土–水特征曲线模型对试验数据进行拟合,得到模型拟合参数与土–水特征曲线参数的定量关系。结果表明:参数a与进气值呈线性增加趋势,参数m随着残余基质吸力的增大而减小,参数n也随着减湿率的增大而减小。随着有效粒径的增大,进气值、进水值、残余基质吸力在半对数坐标上均随之呈现线性减小,减湿率呈二次函数增长。滞后效应随着有效粒径的增大而减小,同样随着粒径级配累积曲线斜率的增大而减小。