非饱和砂土抗剪强度变化规律与预测模型试验:以南昌地区砂土为例

为了研究非饱和砂土抗剪强度变化规律并建立有效的预测模型,以南昌地区砂土为代表,探讨了含水率、干密度等因素对非饱和砂土抗剪强度影响机理,结果表明:不同含水率和干密度工况下的非饱和砂土剪应力-剪切位移曲线均为软化型,表现出四阶段非线性变化规律,并随含水率和干密度变化呈现出递变性。非饱和砂土抗剪强度随含水率和饱和度的增大呈减小变化,随干密度增大呈增大趋势。非饱和砂土黏聚力随含水率增大呈先减小后增大的变化规律,随干密度增大近似呈线性增大,内摩擦角随含水率增大呈先增大后减小的变化趋势,由干密度变化导致的内摩擦因数变化幅度较小,约在25%以内。基于莫尔-库伦强度准则,构建了考虑含水率和干密度的非饱和砂土抗剪强度非线性回归模型,可为工程地质参数选用和预测提供参考。

低含水率非饱和砂土抗剪强度研究

在引进附加内压力概念的基础上 ,将非饱和砂土中的基质吸力划分为毛细吸力和附加内压力两部分 ,进一步将低含水率非饱和砂土中的有效应力区分为由基质吸力引起的有效应力及由重力和其它外力产生的有效应力两部分 ,基此推导出了基质吸力与抗剪强度之间的关系 ,第一次成功地解释了关于非饱和砂土抗剪强度的Donald实验现象 :非饱和砂土的抗剪强度随含水率降低、基质吸力增大而升高 ,但升高的速度逐渐减缓 ,并当基质吸力超过某一阀值时 。

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗试验与数值模拟研究

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,并对应地进行了正交入渗条件下的数值模拟。测量了入渗率、出渗速率及砂土储水增量随时间变化的关系曲线,分析了雨强、坡角和孔隙比对试验结果的影响。试验结果显示各试验中均无坡面径流现象,与正交入渗边界理论差异显著。通过分析非饱和砂土在传统坡面降雨正交入渗边界条件下的入渗率、出渗速率及砂土储水增量等数值模拟结果与对应的降雨入渗试验结果的差异,证明按正交入渗边界理论计算得到的砂土坡面土体含水率、入渗能力及坡面边界条件转化的判别机制均与实际情况不符。

大应变作用下含水率对非饱和砂土动力特性影响的研究

本文利用WF循环单剪试验系统,完成大应变下,不同含水率和不同正应力下非饱和砂土的循环剪切试验,并分析了不同正应力条件下,含水率对非饱和砂土动力特性影响的规律。试验结果表明,剪应变γ≥2%,含水率对非饱和砂土动力特性的影响显著:(1)含水率对非饱和砂土滞回曲线的影响存在临界含水率,无论正应力大小,低于临界含水率时,滞回曲线相差不大,而高于临界含水率时,滞回曲线随含水率的增大迅速衰减;(2)峰值剪应力随含水率的变化存在相同的临界含水率,无论正应力大小,当含水率低于临界含水率时,峰值剪应力随含水率增大变化较小,而当含水率高于临界含水率时,峰值剪应力随含水率增大而减小,且正应力越大衰减得越明显;(3)阻尼比随含水率的变化也存在临界含水率。

含水率与粒径对非饱和砂土动力特性影响的试验研究

利用WF循环单剪试验系统进行3组单一粒径和2组级配含水率为7.2%～16.2%的非饱和重塑砂土在正应力25,50,100,200和300 kPa下的循环剪切试验,对比分析含水率与粒径对非饱和砂土动力特性的影响规律。试验结果表明:单一粒径砂土与级配砂土的动剪模量随着含水率的增大均先增后减,而阻尼比随含水率的增大均较为稳定;较小粒径的单一粒径砂和级配砂动剪模量更大,而阻尼比更小;粒径分组相同的级配砂,其动剪模量大于单一粒径砂,但是其阻尼比较小;5组试样中,粗砂的阻尼比最大,级配中砂的动剪模量最大。

应用CT扫描研究非饱和砂土中污染物的迁移规律

应用CT扫描技术对两种稳定非饱和状态的砂土试样分层进行扫描,得到不同深度CT扫描层图像,采用Image J图像处理软件将CT图像转化为CT数均值,然后在稳定非饱和试样中分别间断性连续注入污染物KI溶液,测定不同时间间隔CT扫描图像,计算注入污染物先后扫描图像结果的差值,建立CT数均值和污染物迁移之间的关系,研究污染物在非饱和砂土中的运移特征,得出非饱和砂土中污染物浓度随时间和深度的变化规律,对研究其他介质中污染物的迁移具有重要的指导作用。

基于相变状态的非饱和砂土边界面本构模型

低围压下,由于吸力的存在,非饱和砂土相对于饱和砂土在剪切过程中会发生更大的体积变化,即剪胀,在整个应力应变行为中出现明显的剪胀和峰值特征点。基于此,本文基于相变状态定义状态参量β,考虑水力-力学性质耦合,引入模型参数,分别在一般应力空间和三轴应力空间建立非饱和砂土的边界面本构模型。结果表明:在给定围压下,剪胀随着吸力的增加而增加,并伴随着体积增大,剪切强度提高。

非饱和砂土−混凝土界面剪切强度试验研究

土-结构界面的剪切强度是分析土与结构相互作用的重要参数。通过GCTS压力板仪测定砂土SWCC曲线,用Geotest摩擦-剪切仪开展非饱和砂土与不同粗糙度混凝土界面的32组大型直剪试验,探讨基质吸力及界面粗糙度对界面剪切强度和剪胀性状的影响。试验结果表明:基质吸力和净法向应力对非饱和砂土-混凝土界面的硬化、软化以及剪胀特性有显著影响。随着吸力的增大,非饱和砂土−混凝土界面的表观摩擦角均呈增大趋势,而界面总黏结力呈先增大后减小趋势。界面基质角δb随吸力的增大而减小,且其强度包络呈现非线性特性。界面峰值抗剪强度趋势与界面粗糙度有关,随着粗糙度的提高,界面抗剪强度呈增大趋势。在试验现象的基础上,充分考虑剪胀角对表观摩擦角的影响,提出了一种非饱和土抗剪强度的修正公式,并与试验结果对比验证该模型的合理性。

镉锌离子在非饱和砂土中迁移规律的试验研究

南昌-莲塘地表浅层由于工业污染及生活污水的排放,地表重金属离子的含量远远超过了标准值。以该地区重金属镉、锌离子迁移为研究对象,利用土柱室内试验模拟在不同降雨量条件下镉、锌离子在非饱和砂和非饱和粘土中的运移状况,得到非饱和砂土对镉离子的吸附作用大于对锌离子的吸附作用;在相同浓度不同含水量的情况下,前期含水量越大离子迁移的速率也越快。

基于热力学基础上的非饱和砂土本构模型-理论研究

热力学是一种普适理论,因此非饱和砂土的变化过程必然也遵循热力学原理。利用热力学原理可以从更普遍的情况(条件)和更一般的视角审视非饱和土的水力-力学性质。本文基于热力学理论并考虑砂土的剪胀-各向异性以及塑性耗散之间的关系,建立固-液两相耦合的非饱和砂土本构模型的理论框架,更深入地揭示非饱和砂土复杂的行为和性质。

非饱和砂土的表观粘聚力研究

以不同粒度的砂,在不同的含水量情况下,采用无侧限压缩试验的方法,研究非饱和砂的表观粘聚力与砂的粒度、含水量等的关系。试验表明,在研究范围内,非饱和砂的表观粘聚力随含水量的增加而升高,并且随粒度的减小而升高,随粒度的增大而减小。

非饱和砂土隧道土拱效应模型试验及颗粒流数值模拟研究

非饱和砂土基质吸力引起的表观黏聚力使其力学性质与干砂差异较大,为研究非饱和砂土隧道土拱效应,进行了不同含水率及埋深条件的Trapdoor试验,通过分析挡板下落过程中砂土破坏模式及土压力变化规律,揭示了不同工况土拱演化的时变特征,阐述了含水率及埋深对土拱效应的影响,同时基于大主应力迹线圆弧拱理论对挡板上方土压力分布模式进行了理论分析,并考虑粒间吸力作用基于PFC线性滚动阻力黏结模型,进行了离散元数值模拟,从细观角度对不同工况土拱效应进行了分析。结果表明:干砂工况破坏模式由三角形迅速发展为梯形,非饱和工况破坏模式为三角形且夹角与含水率相关;土压力呈三阶段变化,干砂时土压力降到极值后出现回升;非饱和工况土压力极值较干砂大幅减少,含水率较大时土压力受埋深影响较小,且松动区边缘出现裂缝,局部坍塌后形成自然拱;数值模拟表明,随挡板下落,主应力方向发生明显偏转,接触力链为由松动区向稳定区呈由弱到强结构,对模型试验及数值模拟土压力进行归一化处理,土压力分布与理论分析一致。干砂工况孔隙率与土压力规律一致,在含水工况出现裂缝处孔隙率快速增大,同时接触组构随含水率变化明显。

非饱和砂土的表现粘聚力研究

以不同粒度的砂，在不同的含水量情况下，采用无侧限压缩试验的方法，研究非饱和砂的表现粘聚力与砂的粒度、含水量等的关系。试验表明，在研究范围内，非饱和砂的表现粘聚力随含水量的增加而升高，并且随粒度的减小而升高，随粒度的增大而减小。

含水率对非饱和砂土抗剪强度影响试验研究

为深入研究含水率对非饱和砂土抗剪强度影响,运用DHJ50-2型叠环式剪切试验机,对相同干密度下的6种不同含水率的砂土进行直剪试验,结果表明:(1)砂土含水率变化造成土中基质吸力的变化,从而影响土的黏聚力;(2)砂土在低竖向荷载(100 kPa)作用下,适宜的含水率(8%)有助于提高土体的抗剪强度;砂土黏聚力最小时(37.10 kPa)试样产生最大的剪变形量(-2.32 mm);(3)砂土在高竖向荷载(400 kPa)作用下,含水率增加降低土的内摩擦角,含水率超过6%后对内摩擦角不再产生影响;内摩擦角最大时(39.68°),试样剪缩变形量最小(0.26 mm)。

黏粒含量对非饱和砂土动剪切模量与阻尼比的试验研究

利用GCTS共振柱系统,在不同的围压条件下,对不同黏粒含量的砂土进行了动力特性试验,研究了黏粒含量对非饱和砂土动剪切模量和阻尼比的影响。试验结果表明:黏粒含量对非饱和砂土的动剪切模量是有影响的,在同一应变水平下,动剪切模量随着黏粒含量的增加而减小,且动剪切模量随着剪应变增加而减小的程度也受黏粒含量的影响。动剪切模量具有较好的归一性,随着黏粒含量的增加,动剪切模量比变大。含黏粒砂土的阻尼比随围压的变化符合一般砂土规律,而随着黏粒含量的增加,阻尼比呈现上升的趋势。最大动剪切模量受黏粒含量影响,会随黏粒含量增加而减小,建立了关系式并给出了相关参数。

非饱和砂土似黏聚力影响因素的实验研究

针对非饱和砂土似黏聚力问题,通过直剪实验,分析含水率w、颗粒级配与掺土量等因素对非饱和砂土似黏聚力的影响。研究结果表明:当2%≤w≤10%时,非饱和砂土似黏聚力随含水率的增加而增加,且增加幅度较大;含水率w=10%时,该值达到峰值;当10%<w≤13%时,非饱和砂土似黏聚力随含水率的增加而减小。当11%<w<13%时,4组不同颗粒级配曲率系数的非饱和砂土似黏聚力值分别减小为零;非饱和砂土的似黏聚力随着颗粒级配曲率系数的增大而近似于线性减小,良好级配比不良级配的似黏聚力大。随着掺土量的增加,非饱和砂土的似黏聚力基本呈线性增长趋势,且掺土量对似黏聚力的影响较大。含水率与掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用显著,颗粒级配与含水率、掺土量对非饱和砂土似黏聚力的交互影响作用不显著。

离子土壤固化剂对非饱和砂土影响的试验研究

以昆明市团结乡的砂土为研究对象,对非饱和砂土及加入离子固化剂改性砂土进行了三轴压缩试验。在不同含水率不同围压下,比较非饱和砂土在加入离子固化剂前后力学强度和变形特性指标及应力-应变关系曲线;对未加固化剂和加入固化剂非饱和砂土进行了变形模量分析,拟合应力-应变关系进行了归一化研究,得出非饱和砂土的Duncan-Chang模型参数的变化规律,为改性非饱和砂土的理论研究提供参考。

非饱和直剪仪改造及砂土-结构剪切试验

土与结构相互作用问题涉及实际工程的多个方面,研究土-结构接触面力学特性是解决该问题的基础。通过对常规非饱和直剪仪进行改造,并利用改造的非饱和直剪仪进行非饱和砂土-结构接触面剪切试验,研究了基质吸力、结构面类型和净法向应力对接触面抗剪强度的影响。结果表明:基质吸力对非饱和砂土-结构接触面的界面黏聚力影响较大,对界面摩擦角影响较小;随着基质吸力的增加,非饱和砂土-混凝土接触面的抗剪强度先增大后减小,存在峰值效应;基质吸力对非饱和砂土-钢接触面的抗剪强度影响较小,基质吸力不变的条件下,随着净法向应力的增加,砂土-钢接触面的抗剪强度呈非线性增长;净法向应力对非饱和砂土-结构接触面对应基质吸力的界面摩擦角(δb)的影响较小。最后,建立了基于峰值效应的非饱和砂土-混凝土接触面抗剪强度公式。

风对砂土非饱和带水汽热运移规律影响研究

针对目前以非饱和带土体水汽热运移对类似铁路、公路工程以及污染物运移影响根本认识不足的问题,基于室内砂土土柱试验,开展了在一定热辐射条件下,考虑风速(0、0.56、1.44 m/s)对砂土非饱和带水汽热运移规律影响研究。结果表明:温度控制系统和风速控制系统工作以后,风速的增大一方面降低了土表的温度梯度,并减缓着水分的流失,另一方面加快土表水分的流失作用,2种机制共同影响着土体的含水率变化。蒸发速率受到温度梯度的影响,随着温度梯度以及基质势作用下气态水向上运移速率趋于稳定,土体的瞬时蒸发量在40 h之后也趋于稳定。总结的经验可供今后类似项目借鉴。

北京东部地区非饱和粉砂层原位直剪试验成果分析

对北京东部地区典型非饱和粉砂层进行原位直接剪切试验,采用最小二乘法拟合得到黏聚力和内摩擦角指标,其内摩擦角指标相比于传统地区经验值和室内直接快剪试验值分别提高了11.11%~24.4%、3.01%~17.40%;室内直接快剪试验测得粉砂层的黏聚力为4.8~7.5 kPa,而原位直剪试验测得该值最高达9.5 kPa。研究成果为该地区非饱和砂土层的剪切指标参数优化提供了试验支撑,节约了基坑支护造价,为实现工程建设全过程绿色建造提供了可能。