粉煤灰的基质吸力及非饱和特性研究

目前粉煤灰非饱和特性的工程描述多参考与其粒经类似的粉土,但两者由于颗粒级配和颗粒微观结构的不同,其工程非饱和特性方面的差异必然是存在的,目前尚没有见到这方面的研究成果。本文针对粉煤灰在非饱和特性研究方面的不足,首先采用Fredlund土水特征曲线测量仪试验研究了不同干密度、不同含水率等条件下粉煤灰土水特征曲线特征与基质吸力变化规律,探讨了粉煤灰脱湿过程与吸湿过程的非饱和性质差异。在此基础上,通过数值计算方法,分析探讨了粉煤灰非饱和特性对工程渗流、变形、稳定等计算分析成果的影响及程度。研究结果为:(1)在进行非饱和渗流计算时,采用粉煤灰的实测土水特征曲线才能较好的保证计算结果的可靠性,采用计算程序库中相应土的土水特征曲线来替代粉煤灰对结果将产生较大影响;(2)在进行稳定计算和应力应变分析时,用相应粉土来替代粉煤灰的土水特征曲线对计算结果整体影响不大,认为采用计算程序库中相应土的土水特征曲线来替代粉煤灰是可行的。

非饱和土渗流特性对库岸边坡稳定性的影响

通过对大型有限元软件ABAQUS进行二次开发,建立库水位下降条件下库岸边坡的数值模型,并结合土水特性曲线估算公式,通过改变其中3个待定参数a,m和n,分析土体不同的非饱和渗流特性对边坡内浸润线位置及边坡安全系数的影响。研究结果表明:非饱和土相对渗透系数与基质吸力关系曲线与库岸边坡的浸润面位置和安全系数有极大的相关性;a反映非饱和土的进气值和非饱和土渗透系数的变化率,其取值越大越有利于非饱和土的渗流,有利于土坡的超孔隙水压力扩散,其对安全系数的影响可达20%以上,这一影响并不低于饱和土渗透系数对库岸边坡稳定性的影响;m反映非饱和土的剩余饱和度,但其对相对渗透系数及边坡安全系数的影响都很小;n是控制土水特性曲线拐点斜率的参数,同时也影响进气值,故其对库岸边坡的浸润面和安全系数也有较大影响。

土体非饱和渗透特性对降雨入渗的影响

降雨入渗影响下的土体非饱和渗透特性是一个非恒定非饱和的变化过程,探究土体非饱和渗透特性对降雨入渗的研究具有重要意义。基于水气二相流理论,采用有限单元法计算了不同非饱和渗透特性条件下的降雨入渗过程,探究了不同渗流特性与稳定入渗强度的关联性。结果表明:当饱和度较低时,通过改变参数所反映的基质吸力对土体的稳定入渗强度影响显著;当饱和度接近1时,土体的入渗强度影响几乎不受基质吸力的影响。土体稳定入渗强度极值点的位置主要由本征渗透性的决定,而极值点的位置则受土水特征关系、水相对渗透关系、土体本征渗透系数的共同影响。

304不锈钢的非饱和循环硬化行为及其本构描述

针对循环硬化行为的应变幅值依赖性和相对大应变幅值下的非饱和特性,建立了新的粘塑性循环本构模型。在本构模型中,引入新的变量来表征材料的循环硬化特性,该变量的演变方程中引入一个临界状态来反映循环硬化对应变幅值的依赖性;同时,将该变量分解为2个具有不同演变规律的分量,以此来描述相对大应变幅值下的非饱和循环硬化特性。结果表明,新建模型能够很好地描述304不锈钢循环硬化行为的应变幅值依赖性和非饱和特性。

Q_(2)重塑黄土强度与变形特性的试验研究

为了研究Q_(2)重塑黄土的强度特性及变形特性,采用改进的非饱和土三轴仪进行三轴固结排水剪切试验,试验过程中控制吸力、净围压均为常数。试验结果表明:相同吸力下,随着净围压增大,试样的偏应力越来越大,相同净围压下,随着吸力的增大,试样的偏应力也逐渐增大;不同应力状态下,剪切初期试样的偏应力随轴向应变的增加变化较大,而后应力随应变的变化逐渐减小;试样刚开始剪切时,如果吸力较大会出现轻微的剪胀现象,但并不明显,吸力较小的试样在剪切过程中基本都处于剪缩状态;吸力越大,土体的表观黏聚力c及参数k也就越大,但吸力的变化对有效内摩擦角φ′及参数n影响不大。

考虑成层土阻水减渗效应的地表水入渗过程分析模型

为完善地表水入渗过程分析的理论方法,抓住从高吸力土入渗到低吸力土,入渗会有停滞和入渗速率降低的特点,考虑湿润锋附近土体的非饱和特性,将土壤中水分运移划分为上层土入渗阶段、滞水入渗阶段和下层土入渗阶段,推导了可反映成层土入渗中阻水减渗作用的地表水入渗模型。通过与已有试验结果和现有同类型模型的对比分析,对模型参数进行敏感性分析。结果表明:本文模型比较准确地描述了层状土入渗中的滞水和减渗现象,更好地反映了入渗机理。当湿润锋行进发生停滞时,假设入渗速率呈线性下降是符合实际情况的。不同的土体性质对入渗有不同的影响:下层低吸力土的种类、埋深及积水深度对入渗特性有较大的影响;土体初始含水量仅对入渗时间影响较大;湿润锋过渡区占比对滞水作用有较大影响。

泥石流启动试验的数值模拟研究

采用离散元颗粒流程序PFC3D(Particle Flow Code)对泥石流启动过程的模型试验进行数值模拟研究.考虑泥石流启动过程中砂土的非饱和特性,在前期研究的基础上对模型进行改进,利用微小颗粒模拟水团,并通过设置黏结模型模拟土颗粒间的基质吸力.将数值模拟结果与室内模型试验进行对比分析,分析得出泥石流的启动表现为后部土体推挤前部土体快速下滑.非饱和状态下,颗粒间的基质吸力提供了一定的土体强度,当渗透力和重力引起的下滑力克服这种颗粒间的黏结力时,土体由非饱和状态逐渐转变为饱和状态,泥石流才会启动.与原有未考虑非饱和特性的数值模拟方法对比,结果表明,使用PFC3D并考虑土体非饱和特性,可以更接近地模拟流滑型泥石流的破坏形态和启动过程.

非饱和地基路堤临界填筑高度及参数分析

针对非饱和地基上的梯形路堤,提出其临界填筑高度计算的基本假定,进而考虑地基土的非饱和特性与实际侧压力系数,建立了均匀和线性2种吸力分布下地基临界荷载及路堤临界填筑高度的解析公式.所得解析公式具有很好的可比性,通过实例比较验证了解析公式的正确性及所给公式适用条件的必要性.参数分析结果表明:基质吸力及其分布、侧压力系数和吸力角对临界填筑高度的影响均很显著;忽略非饱和特性而按饱和土地基进行的路堤设计偏于保守,均布吸力较线性吸力的影响更明显;侧压力系数应选择以满足公式适用条件的真实值,吸力角的影响与基质吸力及其分布密切相关.

干湿循环对滑带土基质吸力与抗剪强度的影响

滑带作为滑坡结构中的软弱带,是控制滑坡稳定的关键部位。研究干湿循环过程中滑带土非饱和力学特性的变化,对理解库水位周期性波动下滑带土抗剪强度变化以及由此导致的滑坡变形乃至失稳过程具有重要意义。以三峡库区某堆积层滑坡滑带土为研究对象,通过进行0~5次干湿循环过程模拟,对滑带土重塑样进行直剪试验和核磁共振试验,结合滤纸接触法测定剪切完成后试样的基质吸力,重点分析干湿循环过程中非饱和滑带土孔隙结构、基质吸力、土-水特征曲线及抗剪强度的变化特征,并基于试验结果建立了干湿循环下非饱和抗剪强度的预测模型。结果表明:干湿循环在土-水体系的物理化学效应作用下使土中颗粒间的联结不断遭受损伤、破坏,引起试样内部小孔隙不断发育、扩展并向大孔隙演变,土体孔隙数量增多,整体孔隙率增大;随着干湿循环次数的增加,土体进气值与残余含水量逐渐减小,水分更易渗入与溢出土体孔隙,土体持水能力逐渐下降;干湿循环作用下,滑带土抗剪强度的劣化特性十分明显,黏聚力和内摩擦角均随着干湿循环次数增加而逐渐减小,且干湿循环对土体黏聚力的削弱程度大于对内摩擦角。基于直剪试验联合滤纸接触法测定基质吸力,提出了滑带土非饱和抗剪强度预测方法,为干湿循环作用下非饱和滑带土抗剪强度预测提供参考。

降雨条件下砂土流滑的离散元细观机理研究

采用室内模型试验,从细观的角度开展砂土流滑的研究,进一步揭示其发生机理和变形特征。考虑流滑过程中的土水相互作用和流滑发生前土体的非饱和特性,对离散元数值模拟方法进行改进,提出以小颗粒模拟水的类液态数值模拟方法,对砂土坡体流滑模型试验进行模拟。细观研究结果表明:流滑发生前,土颗粒间的接触力和黏结力使坡体处于稳定状态。降雨入渗后,水颗粒在坡体内部运动,对土颗粒施加作用力。当水颗粒的作用力大于土颗粒之间的黏结力时,土颗粒之间重新调整位置,颗粒间的孔隙减小,导致孔隙间的水无法渗出,土颗粒悬浮在水颗粒之中,土颗粒间的接触减少甚至脱离并且土颗粒间的相互作用力转化为土颗粒与水颗粒之间的作用力。发生砂土流滑时,土体抗剪强度丧失,土颗粒与水颗粒混合在一起向下快速流动。从细观角度可以更直观地解释降雨条件下砂土流滑的力学过程和破坏机理。