重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明:渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。

重塑饱和黄土K_0固结特性研究

基于GDS静三轴仪,对西安重塑饱和黄土进行了不同加载速率的连续加载K0固结试验,研究分析了K0固结过程中加载和孔压消散两个阶段土体的变形特性。试验研究结果表明:饱和重塑黄土的应力—应变关系具有明显的非线性特性,并且均为稳定硬化型;试验过程中侧向土压力系数、孔隙水压力、孔隙比等的变化均与加载速率有关。为研究K0固结过程饱和土的变形特性提供理论指导和依据。

重塑饱和黄土K_0固结三轴试验研究

采用GDS静三轴仪,进行了饱和重塑黄土的K_0固结试验研究,探讨了不同加载速率下试件的变形特性,并对试验结果进行对比和分析。结果表明:不同加载速率下,试件轴向应力与轴向应变的关系曲线变化趋势一致;不同加载速率条件下,当轴向应力达到同一值时,加载速率大的试件,其轴向应变越大;不同加载速率下,土样侧压力系数K_0与轴向应变的关系曲线趋势基本一致;加载速率不同,试件侧压力系数K_0的稳定值也不同,但仅在一定范围内变化。

5种排水条件下饱和重塑黄土三轴剪切特性

为了深化对工程实践中黄土排水状态和影响的认识,通过三轴剪切试验控制应变增量比研究了饱和重塑黄土在不排水、强制吸水、自由排水、强制排水、部分排水5种排水条件下的剪切特性。结果表明,饱和重塑黄土的剪切特性与排水条件密切相关:在不排水和强制吸水条件下,黄土试样表现为应变软化,从广义上讲,在强制吸水条件下试样的剪胀性被强制发挥;在自由排水和强制排水条件下,黄土试样表现出硬化趋势,其中,在强制排水条件下试样的剪胀性受到抑制;在部分排水条件下,黄土试样为应变软化或应变软化到硬化的过渡状态,此时,黄土的剪切特性不仅与应变增量比有关,也受到孔隙比的影响,应变增量比越接近0,试样的软化程度越明显,而试样的孔隙比越小,其在剪切初始阶段的剪胀趋势越明显,试样的峰值强度和残余强度越高。另外,基于渐近状态方程和剪胀方程,量化分析了饱和重塑黄土的渐近状态和剪胀性,发现试样的渐近状态应力比与剪胀程度呈负相关关系。

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面:①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。

非饱和重塑黄土的三轴试验研究

采用压力板仪和非饱和土三轴仪,针对兰州和平镇的非饱和重塑黄土进行了压力板试验和一系列的控制吸力的三轴试验,研究结果表明:相同含水率条件下,干密度小的土样吸力较大;相同吸力条件下,干密度小的土样含水率较高;低吸力范围内含水率变化较大;不同吸力和不同干密度的试样均呈应变软化;干密度对凝聚力和有效摩擦角两个参数有不同程度的影响,而吸力仅对凝聚力影响较大,对有效内摩擦角的影响可忽略。根据试验结果确定了该土的强度表达式及其参数,为工程应用提供了依据。

基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献

非饱和土抗剪强度随饱和度降低、基质吸力增大而提高。然而,不同类型非饱和土中,基质吸力对抗剪强度的贡献却显著不同。本文通过室内试验,探讨了基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度贡献的基本特征。研究结果表明,非饱和重塑黄土抗剪强度随着基质吸力的增大,表现为非线性的和明显的4个阶段性增、降和逐渐稳定特征,且分段特征值与土-水特征曲线完全一致。基质吸力5kPa、60kPa、170kPa分别是这4个阶段的临界值。其中,当基质吸力60kPa时,非饱和重塑黄土抗剪强度出现峰值。非饱和黄土表观黏聚力随基质吸力变化特点与抗剪强度基本一致,但表观内摩擦角呈现阶段性增大趋势。表观黏聚力对基质吸力的敏感程度显著大于表观内摩擦角。非饱和重塑黄土抗剪强度变化特点显示其抗剪强度参数φb值为一个非常量数值。

非饱和重塑黄土三轴蠕变试验研究

为研究陕西咸阳扶风地区黄土边坡的稳定性,利用SR-60型双联三轴蠕变仪针对非饱和重塑黄土进行了三轴固结排水蠕变试验。试验结果表明:试样含水率、固结围压和偏应力水平对蠕变变形具有明显的影响。表现为:当含水率较大、固结围压较小时,蠕变变形量大,蠕变现象明显;当其他条件一定时,在偏应力水平较大条件下,试样变形大,蠕变现象明显。在数据分析的基础上建立了经验模型,并与Singh-Mitchell和Mesri模型对比后发现,新模型具有精度高、参数少且参数容易获得等优点,能较好地模拟该地区黄土蠕变过程。

非饱和重塑黄土的三轴试验研究

通过不同初始干密度、含水率的非饱和重塑黄土的常规三轴试验,研究分析了初始条件对非饱和重塑黄土的强度及变形特性的影响。结果表明,试样的粘聚力与干密度呈指数关系,内摩擦角受干密度影响不大,初始干密度大的试样呈现出明显的剪胀现象;随着含水率的增大,粘聚力、内摩擦角均减小,体变剪缩性更明显。

K0预固结对非饱和重塑黄土强度与变形特性影响的研究

为了探讨K0预固结对土的强度及变形特性的影响,用改进的非饱和土三轴仪对重塑Q3黄土做了两组共36个试验。第一组共24个试验,每个试验包括三个阶段,即试样先在竖向压力为常数的条件下K0预固结,再经过控制吸力和净围压为常数的各向等压固结,最后进行控制吸力和净围压为常数的排水剪切试验;第二组共12个试验,每个试验仅包括第一组试验的后两个阶段。试验结果表明:第一组试验应力–应变曲线的初始切线斜率大于第二组试验的初始切线斜率,且吸力越大、净围压越大,差距越明显;第一组试验的破坏应力均明显大于第二组试验的破坏应力,但除了吸力为0 kPa的饱和试样外,两组试验相应的体应变相差不大;第一组试验剪切初始阶段有轻微的剪胀现象,但并不明显,并很快转变为剪缩,第二组试验各试样均处于剪缩状态;虽然两种试验条件下有效摩擦角及破坏比相差不大,但邓肯–张模型的初始模量表达式的指数n相差很大,且总凝聚力–吸力曲线及邓肯–张模型的初始模量表达式的系数与吸力的关系曲线（即k–s曲线）结果相差也较大。基于试验研究结果,提出了考虑K0预固结、吸力和净围压三者综合影响的表观凝聚力、切线杨氏模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。

非饱和重塑黄土基质吸力变化特征与物理性质的关系

本文以兰州重塑黄土为对象,通过室内试验分析6组非饱和重塑黄土土-水特征曲线分段特征值与主要物性指标的统计关系,探讨了非饱和重塑黄土物理性质对其基质吸力变化特征的影响。结果表明,对于非饱和重塑黄土,分段特征含水量、特征饱和度、特征基质吸力与干密度关系密切,与颗粒级配关系较弱。随干密度增加,过渡区特征饱和度、残余饱和度线性增加,饱和含水量、过渡区特征含水量线性降低,残余基质吸力及过渡区特征基质吸力分别为线性及非线性增加。过渡区特征饱和度、残余饱和度与土体中粘粒含量线性正相关,与粉粒含量负相关。饱和含水量与粉粒含量线性正相关,残余基质吸力与其线性负相关。重塑黄土的微观结构显示这些关系受制于土体的孔隙结构和颗粒间的相互关系。

非饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究

通过直剪试验研究了非饱和重塑黄土在不同含水量、干密度与加荷等级情况下的粘聚力与内摩擦角变化,以确定含水量、干密度与加荷等级分别对非饱和重塑黄土抗剪强度的影响。从黄土矿物成分的微观角度分析了含水量与干密度对黄土抗剪强度造成影响的原因。受颗粒之间的相互作用与粒间水的张力作用,非饱和重塑黄土的粘聚力随干密度的增大而增大,呈指数变化;非饱和重塑黄土的内摩擦角随干密度的增大而少量增大,近似呈线性变化。

循环交通荷载作用下饱和重塑黄土变形特性研究

为研究主应力轴旋转作用下饱和重塑黄土的变形规律,借助空心圆柱扭剪仪开展了排水状态下饱和重塑黄土的循环三轴试验和循环交通荷载试验,主要研究了主应力轴旋转对饱和重塑黄土的竖向塑性累积应变、径向塑性累积应变以及八面体塑性累积剪应变的影响。试验结果表明:(1)主应力轴旋转会使土体产生塑性累积变形;土样的竖向塑性累积变形和八面体塑性累积剪应变随循环次数增加呈对数型增长趋势,且循环竖向应力比和循环扭剪应力比与其呈正相关;径向塑性累积应变初期主要表现为拉应变形式,随荷载作用次数的增加,其值逐渐减小并向相反方向累积。(2)主应力轴旋转会加速相应的竖向塑性累积应变,在其他条件一定时,循环交通荷载作用下试样的变形量是循环三轴试验的数倍。(3)重塑黄土在交通荷载作用下竖向变形远远小于原状软黏土,作为路基填筑材料具有一定的优越性。(4)对现有的竖向塑性累积应变计算模型进行了修正,得到了饱和重塑黄土沉降变形的显式预测模型,并对该模型的有效性进行了分析验证。

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。

重塑非饱和黄土的土水特征曲线试验研究

绘制出三个压实度重塑非饱和黄土的土水特征曲线,总结出描述土水特征曲线的线性模型,模型中包含两个参数。

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。

重塑非饱和黄土渗透系数分段测量与验证

非饱和土的渗透性随着含水率的变化而变化,但是它与含水率之间的关系却很难确定。在前人研究的基础上,采用直接法和间接法研究了非饱和黄土在大中孔隙排水段和微孔隙排水段的渗透系数。结果表明,在此两段区域内,非饱和土的渗透系数可以通过间接法推导和直接法测量加以确定。

饱和重塑黄土的动力特性

基于饱和重塑黄土的静、动力三轴试验结果,探讨了饱和重塑黄土的静、动力特性。分析了静力试验中饱和重塑黄土的应力-应变关系。根据动力试验结果研究了饱和重塑黄土轴向应变、动强度、有效应力路径和滞回圈的变化规律：轴向应变随着振动次数的增加逐渐增大,且变化曲线存在着明显转折点,在较低围压时,εa分为先平缓上升和后陡升至破坏两个阶段,在较高围压时,εa分为振动初期存在陡升然后平缓上升最后又陡升至破坏三个阶段。有效应力路径逐渐向左发展,且移动幅度逐渐加大。每一个振次的有效应力路径形成一个封闭的区域,试验过程中封闭区域的面积逐渐增大。随着振动次数逐渐增大,滞回圈的面积和倾斜度均逐渐增大。通过动弹模试验结果发现饱和重塑黄土在不同围压下1/Ed均随着εa的增大而增大,确定出不同围压下1/Ed~εa关系中的a、b值和最大动弹模Edmax;阻尼比λ随动应变εa的增大逐渐增大,且最终趋于稳定,给出不同围压下阻尼比λ的建议值,从而为指导工程实践提供参考。

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。

非饱和重塑Q_2黄土抗剪强度指标试验研究

采用非饱和土总应力强度公式,通过室内直剪试验研究了含水量、干密度对非饱和重塑Q_2黄土抗剪强度指标的影响,得到了抗剪强度指标随含水量、干密度变化的基本规律和拟合公式,并且采用最小二乘法建立了考虑含水量和干密度同时变化时抗剪强度指标的计算公式。研究表明:非饱和重塑Q_2黄土抗剪强度指标与含水量、干密度密切相关,其中黏聚力与含水量呈良好的一阶指数衰减关系,与干密度呈二次曲线关系;内摩擦角对含水量有较大灵敏性,与含水量呈二次曲线关系,受干密度影响较小;含水量和干密度的交互作用可按乘法效应进行组合。