考虑干湿循环累积损伤的膨胀土土水特征研究

为探明干湿循环中膨胀土裂隙发育对其土水特征的影响,制备经历不同次数干湿循环的柱状土样,并对其土水特征曲线进行测定。结合CT扫描结果,基于裂隙的分形特征构建土柱截面和整体损伤变量,通过其变化规律阐明裂隙发育对土水特征的影响。结果表明:裂隙的分形维数沿深度方向逐渐减小,大体呈线性变化规律,不同循环次数下裂隙的开展过程具有相似性;基于裂隙分形维数构造的损伤变量能够较好描述干湿循环对膨胀土的累积损伤效应,土柱的整体损伤变量随干湿循环次数逐渐增加,且增速逐步提高;提出的基于土柱整体损伤变量进行修正的Fredlund-Xing模型能够较好拟合裂隙膨胀土的土水特征曲线。研究成果能够为后续裂隙膨胀土的渗流和工程应用研究提供理论支持。

土水特征曲线试验单阶段贝叶斯优化设计方法

直接测量土水特征曲线(SWCC)十分耗时。因此,SWCC试验通常只能获得有限的试验数据,基于有限数据估计SWCC不可避免地存在不确定性。因此,合理地确定试验方案(即指定SWCC测点控制变量的值),以提高试验数据的价值,减少所估计SWCC的不确定性十分重要。基于SWCC模型参数先验信息和试验仪器信息,提出了一种SWCC试验单阶段贝叶斯优化设计(OBEDO)方法。首先,所提方法通过离散试验控制变量(比如基质吸力)生成试验方案设计空间;设计空间中的候选试验方案由控制点及附加点构成,其作用分别为控制SWCC的主要趋势和降低SWCC的不确定性。然后,采用期望效用量化候选试验方案对应数据的价值,并利用子集模拟优化(SSO)方法搜索具有最大期望效用的候选试验方案。最后选取具有最大期望效用的候选试验方案为最优试验设计方案。通过一个SWCC试验设计实例说明了所提方法的有效性。结果表明,所提方法可为考虑不确定性条件下的SWCC试验设计提供一个合理的工具。

非饱和橡胶粉土土水特征曲线及颗粒接触状态

将废旧轮胎与土混合作为建筑材料应用于土木工程领域是处理废旧轮胎最有前景的措施之一。为了研究废旧轮胎橡胶颗粒改良粉土的效果,以橡胶颗粒与粉土的混合土为研究对象,采用滤纸法测定橡胶粉土的土水特征曲线,分析含水率、橡胶含量对土水特征曲线的影响。结果表明:同一橡胶含量下,混合土的基质吸力随含水率增大非线性减少,呈现出典型的3阶段特征;在同一含水率下,基质吸力随橡胶颗粒含量呈先增大后减少的趋势,当橡胶含量为20%时,混合土的基质吸力最大;基于Van Genuchten模型建立混合土的土水特征曲线模式;基于颗粒接触理论,考虑颗粒比重不同,建立混合土的接触状态模式,构建骨架孔隙比描述混合土的非饱和特性,混合土的基质吸力随着骨架孔隙比的增加呈先增加后减小的趋势。

土水特征的试验研究及概率分析

【目的】土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学中的重要曲线,用于表征土体吸力-含水率的关系。而土水特征试验往往耗时耗力,提高SWCC试验效率具有现实意义。【方法】联合采用渗析法与滤纸法可获取全吸力范围内的SWCC。为了在确保试验精度的前提下提高试验效率,以合肥地区黏性土为研究对象,在大量试验研究的基础上,采用4种方案对渗析法与滤纸法的试验数据点进行组合(渗析法及滤纸法所有数据点;渗析法数据点;渗析法所有数据点及一个低吸力的滤纸法数据点;渗析法所有数据点及一个高吸力的滤纸法数据点),研究数据组合方案对SWCC拟合结果的影响。【结果】结果显示:最优的数据组合方案是渗析法所有数据点加上滤纸法的最高吸力点;与基于所有试验数据点的方法相比,二者SWCC拟合参数的统计特征十分接近。在此基础上,计算得到了合肥地区4个工地的黏性土SWCC参数的概率统计特征。【结论】结果表明:需要进行大量SWCC试验时,在不影响试验精度的情况下,可减少滤纸法的试验数据点,采用渗析法所有数据点及一个高吸力的滤纸法数据点的方案以获取SWCC,可有效提高试验效率。

含水合物土体的土水特征曲线及渗透系数

含水合物土的土水特征曲线和渗透系数对分析水合物开采效率和地层稳定性具有重要意义。通过自我改造而成的含水合物土的土水特征曲线的测试装置,测试了含水合物土(黏质粉土和砂土)的土水特征曲线,研究了水合物形成对土体的土水特征曲线的影响规律和机理,并且分析了含水合物土体的非饱和状态下的渗透系数。试验结果分析表明:水合物形成对含水合物土体的土水特征曲线存在明显影响;随着水合物饱和度的增长,可以看到边界效应段明显增大,过渡段土水特征曲线变得逐渐平缓,非饱和残余段对于残余水饱和度更低,但是VG模型仍能有效的描述含水合物土的土水特征曲线;进气值随着水合物饱和度的增加而增大,而残余有效水饱和度则随之减小,这主要是由于水合物形成改变了沉积物内部的孔隙孔径分布特征。在非饱和状态下,由于渗流通道被气体挤占,含水合物土的相对渗透系数随毛细吸力增加而减小,但是在同样的毛细吸力下,越大的水合物饱和度对应的相对渗透系数越小。

粗粒堆积土土水特征分析及预测方法研究

非饱和状态是影响土体力学性质的重要因素。针对粗粒堆积土土水特性研究的不足,首先介绍了一种大型非饱和粗粒堆积土三轴试验系统,在试验研究的基础上,总结了粗粒堆积土土水特征试验的方法和控制标准;然后,总结了不同细粒土含量下粗粒堆积土的SWCC变化规律;最后,在AP模型的基础上,系统分析了关键参数α的确定方法,给出了利用AP模型预测粗粒堆积土SWCC的优化方法。

固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响

为研究固结压力对泥岩填料孔隙分布以及土水特征曲线(SWCC)的影响,以非饱和泥岩填料为研究对象,采用压汞试验分析不同固结压力作用下的土体微观孔隙分布,探究孔隙随荷载的演变规律,并结合毛细原理提出基于压汞实验计算SWCC的方法。结果表明:土体中收缩孔隙的存在使得进-退汞曲线表现出显著的滞回性,且瓶颈效应使得压汞试验中土体小孔隙分布密度偏大,大孔隙分布密度偏小;选择分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分界限,可将其孔隙划分为5个部分,孔隙含量的变化以大中孔隙体积被压缩为主,小微和超微孔隙几乎不受固结压力的影响;干密度为1.5 g·cm^(-3)时不同固结压力作用下的土水特征曲线可采用对数曲线表示。

非饱和红砂岩风化土土水特征及降雨对其边坡稳定性的影响

为防止非饱和红砂岩风化土边坡因水分状态的变化出现失稳破坏,对其开展土水特征及降雨作用下稳定性变化研究。首先,针对不同初始干密度、初始质量含水率条件下的非饱和红砂岩风化土进行脱湿试验,得到其土水特征曲线,通过分析其规律,提出改进指数函数模型,并与F-X模型进行对比。应用该模型进行数值模拟,分析降雨强度及时长对边坡稳定性的影响。结果表明:在参数更少、表达形式更简洁的条件下,改进的指数函数模型达到了与F-X模型相近的拟合精度,并且对残余含水率的估算结果更准确,对红砂岩风化土具有更好的适用性;在降雨持时相同时,降雨强度增大,坡体饱和度增加,边坡稳定性降低;随着降水持时延长,0~6 h段边坡稳定性显著降低,之后稳定性下降较小;短时间的强降雨对于红砂岩风化土边坡稳定性影响较大。

基于各向等压压缩和土的收缩试验预测脱湿路径下的土水特征曲线

由于土水特性试验需要专门的仪器且耗时,所以土水特征曲线在工程设计中的应用尚未普及。以粉质砂土、黏性土和膨胀土为研究对象,通过开展室内饱和土的各向等压压缩和土的收缩试验,提出一个预测脱湿路径下低吸力范围内SWCC的简单方法。研究结果表明:基于有效应力与变形的统一关系,可以构建饱和土和非饱和土之间的联系;针对不同初始干密度下土的收缩特征曲线,利用曲率公式并结合所提均值法,可定量获得残余含水率;利用所提方法预测的低吸力范围SWCC与试验数据具有良好的一致性。该研究结果可以确保在进行必要的常规饱和土试验时,能够间接获得非饱和水力参数。

含裂隙红黏土土水特征与强度特性研究

红黏土边坡在干湿循环作用下极易产生裂隙,裂隙发育将对土体水力学特性及强度造成不利影响,从而降低边坡稳定性。以长沙红黏土为研究对象,制备具有不同裂隙数量的红黏土试样,开展了渗透试验、土水特征曲线试验和直剪试验,揭示了红黏土饱和渗透系数、土水特征曲线和抗剪强度指标随裂隙数量和干密度的演化规律,建立了相应函数表达式。结果表明:红黏土渗透系数量级为10^(-5)~10^(-7)m/s,饱和渗透系数随干密度的增加而减小,随裂隙数量的增加呈指数型增长,裂隙增加5条,饱和渗透系数提高66.4倍;干密度低和裂隙数量多的试样饱和体积含水率更高,脱湿过程中体积含水率随基质吸力降低速率更快,残余含水率更低,持水能力更差;红黏土抗剪强度指标与干密度呈正比,与裂隙数量呈反比,当干密度增加0.28 g/cm^(3),黏聚力和内摩擦角分别提高2.35倍和0.94倍,而当裂隙增加5条,黏聚力和内摩擦角分别降低57.09%和49.59%。

考虑应力作用影响的黄泛区粉土土水特征曲线分析与预测

为了研究应力作用对土水特征曲线的影响,采用应力关联土水特征仪测定不同应力下粉土的脱湿-吸湿曲线,讨论应力变化对粉土土水特征的影响规律,并利用应力与孔隙比的关系提出考虑应力作用的粉土土水特征曲线预测方法。研究发现:试样在应力逐渐增加时不易脱水,但更易吸水,非饱和粉土的持水能力随着正应力的增大而增强;脱湿曲线与吸湿曲线并不重合,有明显的回滞现象,并且吸湿曲线饱和度的变化比脱湿曲线更加剧烈;随着正应力的增大,滞回圈面积减小,滞回特性减弱。此外,将预测曲线与测得的试验曲线对比,可知提出的考虑应力的土水特征曲线预测方法具有较好的预测精度。

不同深度非饱和土的土水特征曲线试验研究

采用简易蒸发法对合肥市大房郢水库土石坝不同深度的原状土进行土水特征曲线试验研究,并利用Van Genuchten模型对试验结果进行拟合,综合考虑了不同深度处土样的颗粒组成、初始含水率、初始干密度和初始孔隙比对土水特征曲线的影响。研究表明:(1)同一土质不同深度的土样,随着深度的增大,初始含水率、初始干密度增大,初始孔隙比减小。埋藏较深的土样土水特征曲线出现在埋藏较浅的土水特征曲线的上方,较深的土样具有较大的饱和体积含水率。(2)埋藏较深的土样土水特征曲线的空气进气值较大,相应的土水特征曲线的斜率也较小。土样的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小,进气值就越大,特征曲线就越缓。(3)水分蒸发量随时间近似线性增加,埋藏较深的土样水分蒸发速率较慢,埋藏较浅的土样水分蒸发速率较快。(4)不同深度土样在初始阶段基质吸力变化速率较快,随后变化速度有所减缓,埋藏较深的土样吸力变化速率较慢,埋藏较浅的土样吸力变化速率较快。

不同改良剂对红壤土水特征曲线及吸附强度的影响

【目的】向边坡土壤内加入改良剂会对土体水分产生较大影响,揭示此过程中土水特征曲线及吸附强度的变化规律可为采用改良剂进行边坡治理提供依据。【方法】通过测定不同配比的糯米胶、木纤维、糯米胶/木纤维混施的红壤土的基质吸力ψ和体积含水率θv,绘制土水特征曲线并分析典型特征参数变化;采用直剪试验测定不同改良剂红壤饱和状态的内摩擦角φ,结合Fredlund双应力变量抗剪强度理论,分析不同改良剂对红壤吸附强度τψ的影响。【结果】(1)糯米胶和木纤维能提高土体饱和含水率θs,混合改良剂反之;糯米胶和混合改良剂会降低土水特征曲线的残余含水率θr,木纤维只有在较低或较高掺量时才会降低残余含水率,反之增高;3种改良剂均能提高土水特征曲线的进气值ψa,混合改良剂>糯米胶>木纤维;糯米胶会降低土水特征曲线的残余值ψr,木纤维反而增加残余值,混合改良剂介于二者之间且高于素土;糯米胶的土水特征曲线斜率|k|最大,其次是混合改良剂和木纤维。(2)不同改良剂红壤随θv降低,ψ增加,吸附强度τψ增大,抗剪强度随ψ增加的速率减小。在23.73%~30.76%体积含水率区间,2.5%纤维和5.0%纤维的吸附强度相对较大,其次是素土、5.0%混合和2.5%混合,最后是2.5%胶、5.0%胶和0.5%胶。【结论】(1)糯米胶主要影响|k|值,致使土体水分散失速率加快;木纤维对θs、θr和ψr的影响最大,土体保水性好,水分不易流失;混合改良剂以提高ψa为最优,土体初期(边界效应阶段)不易失水,中后期受糯米胶成分的影响,持水能力减弱。(2)不同改良剂增大τψ的效果由强到弱依次为:木纤维>糯米胶>混施。

脱湿路径下重塑膨胀土的体变修正与土水特征

采用南水北调中线工程河南南阳试验段重塑中膨胀土为试验土样,完成了5种不同初始干密度试样的脱湿试验和平行收缩试验,推导给出了更为合理的体积修正公式。试验结果表明,膨胀土脱湿路径下的体积收缩对其土水特征曲线(SWCC)影响较大,同一基质吸力状态下,体积修正后的试样饱和度/体积含水率明显高于修正前的饱和度/体积含水率,在吸力越高的区域,差别越明显。以Fredlund-Xing模型和试验结果为基础,建立了能考虑膨胀土体积变化的SWCC模型,并结合前人的试验成果深入分析了初始孔隙比对模型参数的影响规律。最后探讨了反映含水率-吸力-孔隙比关系的土水特征曲面的特性,考虑膨胀土试样体变修正时,孔隙比与含水率之间的函数关系为一个三次多项式,而不是线性关系。

粉土最优土水特征曲线模型

基于压力板仪的轴平移技术,对粉土试样开展室内试验。测试多组特定吸力下试样的含水率,选用Van Genuchten模型、Gardner模型、Fredlund-Xing模型3种幂函数形式的土水特征曲线(SWCC)模型对试验数据进行拟合,得到各模型的拟合参数。3种函数模型的拟合方差依次为Van Genuchten模型>Fredlund-Xing模型>Gardner模型,即3种SWCC模型中Van Genuchten模型对试验用粉土的SWCC拟合精度最高,结果最优。

义乌某工程非饱和土水特征曲线强度公式预测

通过义乌某江东污水处理厂基坑工程的原状土和重塑土的土水特征曲线脱湿试验及原状土非饱和直剪试验,研究分析该非饱和原状土与重塑土在脱湿状态下土水特征曲线特征,进而对脱湿情况下的曲线进行拟合。同时,对该土两种曲线进行强度公式的预测,并用非饱和原状样直剪试验数据,对预测公式进行对比分析及误差分析。分析结果,原状土样的预测公式与剪切实验实测数据比较接近,说明非饱和土原状土样土水特征曲线具有实际研究的意义。此外,还分析了形成的原因和机理,确定适合该土的强度公式,为本地区类似具有类似土的工程提供借鉴。

火烧迹地根系分布对浅层含根土土水特征及渗透特性的影响

火灾会造成森林浅层土水力特性发生改变,植物根系可以改变土壤土水特征和渗透特性。以重庆市北碚区缙云山虎头村的火烧迹地为研究对象,采用平衡锥仪法、烘干法等测定不同火灾程度下马尾松林和毛竹林土壤的液限、密度、饱和含水率等基本物理性质,通过变水头渗透试验测定浅层含根土的饱和渗透系数k s,采用激光粒度仪法测定颗粒级配曲线并基于van-Genuchten(VG)模型拟合土-水特征曲线。结果表明:1)森林火灾导致其浅层土壤密度降低,饱和含水率、液限、孔隙度等显著升高;2)火烧迹地根系数量减少,其中0~<2 mm径级的细根数量变化最大,减少约30%~50%;3)对于轻、中和重3种火烧程度,马尾松林火烧后其饱和渗透系数升高,尤其在重度火烧区表层土相比未遭受火烧浅层土的渗透系数提高58.26倍,毛竹林导水率变化规律与马尾松林相似且渗透系数的改变程度更大,其重度火烧区表层土的渗透系数提高162.24倍;4)火烧迹地浅表层含根土土-水特征曲线进气值参数α随火烧程度的加剧而降低3.0%~6.8%,其孔径分布参数n随火烧程度的加剧而增加6%~30%。研究结果进一步量化森林火灾对浅表层含根土饱和渗透特性和土水特征的影响,为火烧迹地边坡水力特性研究及边坡稳定分析提供科学依据。

一个简化的土水特征曲面模型及其在非饱和渗流分析中的应用

土体变形对土水特征曲线(SWCC)的影响显著,采用初始孔隙比作为变形指标,利用VJ Tech固结仪对粉质砂土进行SWCC曲线的室内试验,研究了不同初始孔隙比对SWCC的影响。试验结果表明:不同初始孔隙比对SWCC的影响在低吸力范围比较显著,在高吸力范围则不明显。通过将孔隙比引入到与进气值有关的模型参数中对Fredlund-Xing模型进行了修正,建立了不同孔隙比影响下的基质吸力-含水率-孔隙比空间的土水特征曲面模型,即SWCS数学模型,并采用所提出的SWCS模型来预测土体变形后渗透系数的变化。采用所提出的SWCS模型分析了坝体心墙的压实程度对防渗效果的影响,模拟结果表明:当心墙的压实程度不同时,同一时刻心墙截面的流量与主要受饱和渗透系数支配,即与e3/(1+e)成正比。

考虑压实度时的土水特征曲线和温度对吸力的影响

取甘肃平定高速路堤黄土,采用张力计量测不同压实度、不同含水率下土样基质吸力随温度的变化;取重庆绕城高速路堤黏土,采用压力板仪量测不同压实度下,土样的土水特征曲线(SWCCs)。试验结果表明:①相同压实度和含水率条件下,基质吸力随温度的升高,近似线性降低;②相同压实度和温度下,随着含水率升高,基质吸力降低;③相同温度和含水率条件下,压实度对SWCCs的影响主要体现在曲线的中段,且压实度越高,影响越大,而在吸力较高段和含水率较高段,压实度对基质吸力的影响很小;④根据不同压实度下重庆黏土的SWCCs,提出了包含压实度的SWCCs直线段的线性表达式,与陈正汉等采用甘肃压实黄土得到表达式相似。

高庙子膨润土的土水特征曲线(英文)

近年来,用于高放废物深地质处置工程屏障的高压密膨润土越来越受到关注。经过全国范围内的比较和筛选,内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。采用渗析法和水汽平衡法来控制吸力技术,通过土水特征曲线测定试验、环境扫描电镜和压汞试验,研究高庙子高压密膨润土在不同吸力下的持水特性及其微观结构特征。利用压汞试验结果推算膨润土在恒体积条件下的土水特征曲线,并与实测数据进行比较。研究结果表明:在不同吸力作用下,膨润土的持水特性与其微观结构之间有着密切关系。