饱和土体渗透系数与孔径关系初探

土体渗透系数是研究土体固结沉降、渗透变形、溶质运移等众多工程地质和岩土工程问题的关键参数。经典的土体渗透系数预测模型通常是利用土体渗透系数与孔隙比或粒径间的关系来预测,这些模型往往可以较好地预测单一土体的土体渗透系数,但一般不具备普适性。通过大量的试验数据分析,指出传统的土体渗透系数预测模型不具备普适性的原因,明晰孔径特征而非孔隙比或者粒径是决定土体渗透系数的关键因素,并基于Kozeny-Carman方程,建立土体渗透系数与孔径的关系模型。该模型对于粗颗粒土和细颗粒土都具适用性,且预测精度在1个数量级内。研究结果加深了对多孔介质渗透特性的认识,并为土体渗透系数预测模型的构建提供了新的思路。

非饱和土体水平冻结过程中的水热耦合作用机制研究

土体在冻结过程中伴随热量传递、冰水相变、水分迁移等演化过程,其水热耦合作用机制非常复杂。为此,在进行演化方程组解耦、冻结锋面精细化处理的同时,采用土体冻结特征曲线改进未冻含水量计算,引入总含水量优化冰组分生成,提出一种新的水平冻结水热耦合理论计算模型。基于隐式有限差分方法对该模型进行数值求解,结合试验结果验证其有效性。最后,以张掖壤土为研究对象,分析非饱和土体的水热耦合演化规律。研究表明,土体在冻结过程中,未冻区的水分会向冻结区迁移,在锋面位置处发生水分积聚;在孔隙率相同的情况下,土体的初始含水量越高,其温度下降速度越快,冻结区含水量的增加也更为显著。土体的冷源温度越高,冻结锋面的发展速度越慢,从而使得水分迁移时间更为充分,对应的冻结区平均含水量越高,水分积聚现象也越突出。冰阻抗在冻结锋面附近影响土体中的水分迁移,使其含水量及热扩散系数下降,从而影响温度场的演化。

两种气体作用下非饱和江边吹填砂三轴试验研究

为了研究非饱合土体中充入空气或CO_(2)气体所导致的土样不同物理力学性质,以长江边的吹填细砂为对象,通过改变细砂的含水率,往土样通入空气和CO_(2),采用固结不排水三轴试验分析了两种不同气体作用下细砂的应力-应变曲线及抗剪强度指标。研究结果表明:两种气体在低围压下使得细砂的应力-应变曲线表现为应变软化型,高围压下曲线为硬化型。围压作用下充CO_(2)细砂具有低孔隙率和高密实度特征,导致充CO_(2)细砂的抗剪强度大于充空气的细砂。在高围压下,细砂颗粒联系更加紧密,更多依靠颗粒骨架传递应力,使得两种气体作用下细砂抗剪强度的差别变小。细砂含水率从4%增至12%时,充CO_(2)细砂的黏聚力是充空气细砂黏聚力的2.62~4.37倍,据此可在工程建设中对有机质含量高的非饱合细砂充入CO_(2)气体,以起到加固土体的效果。

降雨对饱和——非饱和状态下排土场边坡稳定性影响

降雨条件下,由于水的入渗和土体容重的变化,排土场边坡稳定性受到挑战。基于Van Genuchten模型和Morgenstern-Price法对案例排土场进行降雨工况下饱和—非饱和渗流场分析,考虑废石土基质吸力,研究降雨对排土场边坡稳定性的影响。结果表明:饱和—非饱和状态下的排土场降雨工况稳定性是复杂的,降雨对处于非饱和状态下排土场渗流场的影响具有明显的滞后过程。降雨刚结束时,坡内会在少量雨水渗入下形成局部暂态饱和区;降雨结束一段时间后,坡内雨水入渗量加大,暂态饱和区范围不断缩小,局部地下水位有所抬升。边坡稳定性最低安全系数并不对应着降雨工况的最高浸润线时态,非饱和介质基质吸力的降低对排土场边坡稳定性影响明显。

饱和土体小孔扩张问题的弹塑性解析解

将土体在圆孔扩张过程中的应力分布分为三个区域,基于修正剑桥模型,推导了圆孔扩张过程中土体在三个区域的超孔隙水压力的解析表达式,对比分析了固结比对土体中应力分布的影响。分析推导可为沉桩、旁压试验、静力触探等岩土工程问题提供理论依据。

各向异性饱和土体的渗流耦合分析和数值模拟

将饱和土体视为均质、连续的各向异性弹塑性多孔介质,根据虚位移原理推导出饱和土体内各向异性渗流直接耦合的有限元法计算公式。针对直接耦合法所生成的病态方程采用MATLAB语言编写出平面条件下的计算程序,对各向异性弹性多孔介质中Mandel效应进行数值模拟分析。计算结果验证了本文直接耦合有限元法的正确性和适用性。

任意荷载下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结

将分数阶导数理论引入Kelvin–Voigt模型,来描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和分数阶导数Kelvin–Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,获得了任意荷载情况下物理空间内一维固结问题的半解析解。并将指数荷载情况下分数阶导数模型退化到黏弹性情形,结果与已有文献解析解相同,验证了本研究提出任意荷载情况下分数阶导数黏弹性解的可靠性。最后,分析了相关参数对固结沉降的影响。研究表明,任意荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结发展过程与黏滞系数和分数阶次有关,分数阶次越大,固结沉降发展越快;黏滞系数越大,固结沉降变化越慢;荷载变化趋势与由荷载参数变化引起的沉降变化规律是一致的,且最终沉降量一致。本研究有助于深入认识分数阶黏弹性饱和土体的固结行为。

郑西客运专线铁路张茅隧道近饱和黄土体初期支护应力变形特征研究

黄土的特性是其工程性质受含水量的影响很大,郑西客运专线铁路张茅隧道穿越含水量20%的近饱和黄土体,施工难度大。通过系统分析张茅隧道的施工地质条件,确定具有针对性的隧道开挖步序。针对施工需要快速封闭开挖面的特点,结合隧道断面规模特征,研究三维非接触变形观测方法,对开挖后初期支护的拱顶下沉和两壁收敛等特征变形量进行现场长期测试;结合布置在初期支护上的土压力盒与表面应变计的测试,对初期支护的土压力特征和表面接触力特征进行研究,获得近饱和黄土体在三台阶七步开挖条件下的变形和应力特征,总结出该类开挖施工方法下黄土隧道初期支护的极限变形量指标特征,为类似工程提供参考。

饱和土体柱形扩孔时大变形不排水统一解析解

将柱孔周围的土体分为弹性区和塑性区,在弹性区中采用小变形理论,在塑性区中采用大变形理论和统一强度准则。根据应力平衡方程、应力和应变连续的边界条件,推导出考虑土体大变形和不排水时柱形扩孔问题的塑性区半径、极限扩孔压力和超孔隙水压力的理论解答。理论计算结果与现场实测结果较为接近,说明该理论具有一定的参考价值。通过计算分析还可知:扩孔压力随着参数b的增大而非线性增大,而超孔隙水压力则正好相反。

饱和弹性土体中圆柱壳体对弹性波的散射

考虑土颗粒、孔隙流体的压缩性及孔隙流体与土骨架之间的粘性耦合作用,采用修正的Biot模型,研究了入射平面P1波(快压缩波)在饱和土中不透水的圆柱壳体上的散射问题,得到了散射和折射波场势函数的幅值方程.通过数值计算,分析了无量纲频率及厚度对高、低硬度两类圆柱壳体的背向散射谱和动应力集中因子的影响.

饱和度对准饱和土体中瑞利波传播特性的影响

将水-气等价为一种均匀的流体,可以采用两相孔隙介质理论来模拟准饱和土,基于Bardet根据Biot饱和多孔连续介质的波动方程提出的准饱和土的波动方程,建立了半空间表面透水和不透水两种情况下准饱和土体中瑞利波的频率特征方程,绘制了不同饱和度的瑞利波速与剪切波速的比值及瑞利波速的实部随无量纲频率的变化曲线,固体土骨架和孔隙流体的归一化竖向位移和水平位移(准饱和土体某一深度的位移与饱和土体表面处的位移的比值)随归一化深度(深度与瑞利波波长的比值)的变化曲线,通过比较这些曲线发现饱和度对准饱和土体瑞利波的传播特性的影响很明显,瑞利波速与剪切波速的比值及瑞利波速的实部随着饱和度的增大而增大,而归一化位移则随着饱和度的增大而减小,但饱和度从95%增大到99%时它们增大或减小的幅值要小于饱和度从99%增大到100%时的情况,这为瑞利波的传播规律研究和现场测试与数据分析提供了理论依据。

平面应变条件下饱和土体分叉后的力学性状

土坡和挡土墙的应变局部化和渐进破坏分析的一个关键问题是如何合理描述土体分叉后的力学性状,而从试验得到的峰后应力应变关系实际上并不是土体本身的一种真实本构反应。为此,提出了一种描述含剪切带土体宏观力学特性的改进后的复合体理论(或均匀化理论)。结合干密砂以及饱和松砂、中密砂、密砂的平面应变试验结果,验证了该理论框架的合理性。

基于流固耦合动力模型的饱和土体-隧道体系地震反应研究

基于ABAQUS软件平台,应用自行开发的流固耦合动力模型孔压单元模拟场地土体,并通过黏弹性人工边界方法实现地震动的输入,对饱和土体场地中的双孔隧道结构在地震荷载作用下的动力反应进行研究。计算结果表明:在地震反应结束时刻,场地土体位移幅值在两隧道之间以及两隧道的附近区域较大,而远离隧道的区域则较小;场地底部区域土体的孔压幅值较大,而场地顶部区域土体则较小;隧道左右两侧拱腰部位的衬砌的应力较大,而拱顶部位则较小。计算结果同时表明了流固耦合动力模型孔压单元在饱和土体-隧道体系地震反应研究中的适用性。

横观各向同性饱和土体三维粘弹性动力分析

采用针对横观各向同性饱和土体u-w形式三维粘弹性动力方程,考虑土骨架的粘弹性性质且基于粘弹性理论,通过运用Fourier展开、Laplace和Hankel积分变换方法和引入中间变量,将含有粘弹性参数的六元二阶偏微分运动控制方程组,化为2组各含4个未知变量的常微分方程组,从而给出了柱坐标系下粘弹性横观各向同性饱和土体在非轴对称动力荷载作用下的瞬态反应的土骨架位移分量、孔隙流体相对于土骨架的位移分量瞬态反应一般解。在此基础上,引入初始条件和边界条件,对垂直向和水平向动力荷载作用下半空间边值问题进行了求解。根据动力时域解答的一般解,利用Laplace和Hankel数值逆变换技术,编制了相应的数值计算程序。并进行了实例验证和弹性、粘弹性解的对比分析。结果表明,在进行横观各向同性饱和土体动力分析时,考虑土骨架的粘弹性是必要的。

挤扩支盘桩在非饱和土体中的挤密效应探讨

介绍了挤扩支盘桩的成桩方法和工作原理 ,通过对试验桩桩周土的开挖取样做室内土工试验 ,得出挤扩分支盘挤压应力对桩周土的挤密效应所引起的土干密度在水平和竖直方向的变化规律 ,发现最大干密度可提高 2 0 %以上 ,并提出了挤密效应综合影响系数的概念 ,建议设计时可适当考虑支盘底部土体承载力的提高 。

二维非均匀饱和土体的地震反应分析

将饱和土体视为由弹性骨架和不可压缩流体组成的两相孔隙介质，取固相位移、液相位移、孔隙水压力为场变量。从两相孔隙介质的动力耦合微分方程出发，利用伽辽金原理和Ｗｉｌｓｏｎ法导出了三场有限元积分方法。该方法可进行二维非均匀饱和土体的地震反应分析。文中通过算例讨论了非均匀饱和土体地震反应的一些特征。

饱和土体一维主固结解析方法研究

从理论上探讨小应变与大应变两类固结理论的联系和区别 ,并分析了应用 L ie群变换法求解非线性固结方程的一些问题 ,给出了固结方程的相似变换及其物理解释 .最后 ,就一些简单情况 ,得到大变形固结方程的完整解析解 ,为数值计算的有效性提供合理的参考 .计算结果表明 ,固结期间按大变形假设所得的沉降量要大于按小变形理论所得的沉降量 ,但是由两种理论所得的最终沉降量相同 .

饱和土体中半封闭压力隧洞的应力和位移场

基于Biot固结理论,研究分析了饱和土体中半封闭压力隧洞问题,建立了压力隧洞的半封闭边界条件.通过对控制方程的解耦,得到了孔隙水压力的消散方程.在Laplace变换域中得到隧洞边界上作用轴对称荷载和流体压力条件下的应力、位移和孔隙水压力解答,考虑了土体和孔隙流体的压缩性.运用Laplace数值逆变换得到时域中的解.文末给出了算例,分析了隧洞的半封闭特性对应力、位移和孔隙水压力的影响.

饱和土体固结3D比例边界有限元法分析

基于饱和土体Biot固结理论,考虑土体体力与表面作用力,结合饱和土体中土骨架动力平衡方程与孔隙流体的连续方程,在计算域内采用Galerkin加权余量法,推导了3D无限、有限域全耦合饱和土体固结的比例边界有限元方程.理论推导表明:与单相弹性土体不同的是,由于孔隙水的存在,饱和土体固结比例边界有限元法方程中不仅有位移、应力矩阵,而且还存在孔隙水压力的影响耦合矩阵;该方程不仅能够满足无限域无穷远边界辐射条件,而且在径向(与饱和土体-结构接触面垂直方向,指向无限远)上具有严格的精确性,环向上(与饱和土体-结构接触面平行方向)具有有限元单元无限收敛的准确性.

饱和土体中多排柱腔屏障对压缩快波隔离

假定柱腔(圆柱形空腔)长度远大于直径,将多排柱腔组成的非连续屏障对平面P1波(压缩快波)隔离简化成弹性波多重散射的二维平面问题,利用复变函数保角映射法及波场势函数展开法,据柱腔自由(土骨架轴向、切向应力为零)边界条件获得散射波场势函数展开式的待定复系数理论解。通过分析位移比值(屏障后某点由入射、散射弹性波产生的总位移与入射弹性波单独产生的位移之比)变化规律,对比单、双及三排柱腔屏障的隔离效果。研究表明,边界不透水柱腔屏障隔离效果好于透水;多排柱腔屏障对高频入射P1波隔离效果好于低频入射;随排数增多柱腔屏障隔离效果明显提高,有效隔离区域明显增大;当排数达到三排时柱腔屏障后一定范围内隔离效果达70%,效果较理想。