Matrix Suction of Unsaturated Colluvium Slope Influenced by Rainfall and Plant Condition:A Case of Taiwan Huafan University

This study investigates the variation of matrix suction, water content and ground water level before and after the rainfall for the unsaturated colluvium slope in the campus of Fuafan University. The measuring devices including electrical matrix suction, water content and ground water level were set up in different surface of planting condition for each depth in real-time. It is observed that the matrix suction in the time from July to September is higher; however, when heavy rains caused by typhoon happened, matrix suction will drop rapidly. This variation is obvious in short grass zone and less clear in the broadleaftree zone. The maximum value in short grass zone, long grass zone and broadieaf tree zone at 2 m depth are 90.3, 68.2, 18.5 kPa, respectively. These results are expected to serve as a reference for the study of slope stability mechanisms.

降雨入渗对防军隧道浅埋小净距段围岩稳定性的影响

为控制降雨入渗对浅埋小净距隧道围岩稳定性的影响,以义东高速公路防军隧道为依托,基于流固耦合理论和水土特征曲线,采用MIDAS GTS NX有限元软件建立浅埋小净距隧道数值模型,对雨季施工时的土体孔隙水压力、围岩变形特征和边仰坡安全系数展开分析。结果表明:随着降雨入渗的持续,围岩及边仰坡土体基质吸力逐渐减小,其土体抗剪强度也随之降低,稳定性变差。经过7 d累积降雨,孔隙水压力增大趋势逐渐放缓,围岩变形达到最大值,工况1的拱顶沉降增大了21.48%,且边仰坡安全系数小于1,处于失稳状态。洞口段采取加固和排水措施来控制围岩的稳定性,边仰坡的安全系数较加固前提升了17.27%,取得了良好的效果,保证了隧道后期的安全施工。

孔隙水盐度与黏土类型对海洋沉积物水分特征曲线的影响研究

海洋沉积物在天然气水合物分解或海水入侵过程中会出现孔隙水盐度及水饱和状态不断变化的现象,其透气和透水能力与沉积物水分特征曲线有关,然而孔隙水盐度变化对沉积物水分特征曲线的影响规律目前仍不够清楚。本文采用南海北部天然气水合物赋存区的海洋沉积物与实验室配置的混合沉积物进行试验,使用相对快速的离心机法,测定了不同基质吸力条件下的孔隙水饱和度,分析了黏土矿物类型和孔隙水盐度等因素对沉积物水分特征曲线的影响,选用被广泛使用的van Genuchten模型,率定了模型的拟合参数。结果表明:含黏土石英砂水分特征曲线基本不受黏土矿物种类的影响;南海北部海洋沉积物的黏土质量含量超过35%,但其水分特征曲线在两倍海水盐度范围内也几乎不受影响;对于南海北部海洋沉积物,van Genuchten模型系数a取值为0.00023 kPa^(-1),系数n和m取值分别为0.51和4.9。

不同干密度下黄土孔隙分形特征及其对基质吸力的影响

基于分形几何学方法建立了土体孔径分布的描述,并结合Young-Laplace理论提出了考虑孔隙分形特征的非饱和土基质吸力模型。针对陕西地区的黄土收集了不同干密度的土水特征曲线并分析了干密度对孔隙分布特征及基质吸力的影响。结果表明:黄土孔隙具有明显分形特性,可采用Menger海绵体分形模型良好描述。模型孔隙特征参数分析发现随着干密度增大,分形维数D近似线性增大,而最大孔径L呈幂函数减小;通过函数拟合,进一步建立黄土孔径分布与干密度的特征关系,进而实现了对不同干密度下的黄土基质吸力快速预测。

降雨作用下基于电导性能的土坡基质吸力时空变化试验研究

降雨作用下土坡基质吸力随时空而变化,直接影响土坡的瞬态稳定性分析。为研究降雨作用下土坡电导性能与基质吸力的时空变化与联系,通过人工降雨滑坡物理模型试验,将电阻率作为监测量与常规的含水率、基质吸力相结合,并在边坡模型上种植马尼拉草,研究植草边坡在均匀降雨、前小后峰和前峰后小这3种动态降雨模式下的入渗特征。研究结果表明:动态降雨模式下,降雨强度变化对土体电阻率和含水率均能产生影响,但都存在一定滞后性。降雨前边坡土体基质吸力、电阻率较高,随着深度的增加逐渐递减。降雨后表层土体基质吸力、电阻率出现较大跌幅,分布上呈现由浅层到深层逐渐增大态势。结合Keller改进的Archie拓展模型与VG模型,得到基于电阻率的残积土基质吸力计算模型,并用试验数据进行验证,结果较为合理,为非饱和残积土基质吸力的测量提供一种快速便捷的方法。研究成果有助于探究非饱和残积土边坡在不同降雨模式下的渗流特征,揭示了降雨作用下坡残积土的电导性能演化规律与基质吸力空间分布特征。

不同饱和度下膨胀土原位孔内剪切试验及强度响应特征

膨胀土强度随饱和度变化显著,非饱和膨胀土的抗剪强度一直是研究膨胀土工程问题的关键。选取南阳市某高速路沿线边坡膨胀土为研究对象,进行了天然条件下处于不同饱和度状态的膨胀土原位孔内剪切试验,获得了自然条件下膨胀土的抗剪强度随饱和度的变化特征。膨胀土的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随着膨胀土饱和度的增大而逐渐减小。结合现场试验数据和土-水特征曲线,提出了以法向应力、饱和度为变量和以法向应力、基质吸力为变量的两种非饱和膨胀土的抗剪强度计算模型,并结合试验数据对计算模型的适用性进行了验证。与之前常用的非饱和土抗剪强度计算模型相比较,提出的两种计算模型所需的拟合参数少,适用于更宽吸力范围、不同法向应力条件下非饱和膨胀土抗剪强度的计算,且结果更为准确。

黄土地区生态边坡持水能力及抗冲性研究

黄土高原是中国滑坡事故频发的重灾区,降雨是黄土边坡冲刷及失稳的主要影响因素,故了解降雨在不同坡体表面冲刷及坡体内部水分入渗规律和机理显得尤为重要。边坡土体为甘肃黑方台黄土,对不同含水率下的黄土进行室内三轴剪切试验,设计并进行了不同植被防护下的降雨冲刷试验和模型箱边坡持水能力监测试验,采用传感器监测边坡的体积含水率和基质吸力全过程,测量并分析边坡在不同雨强下的位移变化规律并记录不同植被边坡产流产沙情况。结果表明:土体黏聚力与内摩擦角随含水率呈现二次函数变化规律,裸坡产流时间最短,水分入渗最少,坡面相对更容易产生径流现象,从而进入坡面侵蚀阶段;坡度的上升导致坡面径流流速增大,加强坡面水阻作用,坡而冲刷反而随边坡坡度增大而减小;大雨、暴雨作用下土体基质吸力的降幅明显快于小雨、中雨作用下基质吸力的降幅,基质吸力稳定值为小雨最大,暴雨最小。

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。

干湿循环中膨胀土吸力和膨胀力变化规律研究

以江苏省宿迁市某膨胀土航道整治工程为例,通过室内试验,研究膨胀力与基质吸力随含水率与干湿循环次数的变化规律。结果表明,膨胀力随含水率增加而降低,干湿循环后膨胀力整体下降,其中吸湿过程膨胀力大于干燥过程,在一定次数的循环后逐渐稳定;基质吸力随体积含水率增大而减小,干湿循环次数的增加使得基质吸力下降,含水率越大降幅越小,滞回曲线不明显。试验数据拟合发现,膨胀力与含水率关系式用指数函数拟合、土水特征曲线用Gardner模型拟合效果最好。结合相应的非饱和土抗剪强度公式,能用于非饱和膨胀土边坡的相关研究。

控制吸力下低应力条件的合肥膨胀土抗剪强度试验

膨胀土边坡在变饱和条件下可能发生浅层滑塌失稳。为了研究非饱和膨胀土在低应力条件下的强度特性,采用非饱和三轴仪设置多组不同基质吸力和应力条件,进行合肥膨胀土的三轴剪切试验,对试验数据进行分析。试验结果表明:当膨胀土所受净围压应力不断降低时,其应力-应变曲线会由应变硬化向应变软化过渡;非饱和膨胀土强度随基质吸力增大而增大;浅层膨胀土的抗剪强度会呈现明显降低,具有非线性特点;非饱和膨胀土的黏聚力对抗剪强度影响显著,低应力条件下黏聚力会显著降低,内摩擦角明显增大;净围压应力对低应力段土体强度影响明显,而基质吸力对低应力段土体强度影响较弱。

考虑基质吸力的非饱和土弹黏塑性本构模型

为了描述可控基质吸力下的非饱和土时效变形特征,提出一种考虑非饱和土基质吸力影响的弹黏塑性本构模型。新模型借鉴BBM模型对压缩特征曲线进行修正,给出非饱和土的压缩指数与基质吸力的关系函数,并将该指数引入到能描述土体超固结的下负荷模型,得到非饱和土的修正下负荷面;又以该下负荷面为参考屈服面,利用相对应力关系,建立了非饱和超固结土的弹黏塑性本构模型,并通过非饱和的三轴率敏性试验确定新模型中两个时效参数m′和c_(0)。结果表明:①模型能较好地表征非饱和土超固结比、基质吸力对其变形特征的影响;②由非饱和土的三轴率敏性试验确定的模型参数能较好地模拟其蠕变等时效变形。

不同降雨条件下露天矿含泥岩弱层边坡稳定性分析

为了研究不同降雨条件下露天矿含泥岩弱层边坡的稳定性变化规律,以新疆维吾尔自治区某露天煤矿西端帮边坡为工程背景,采用滤纸法获得了泥岩土-水特征曲线,借助COMSOL软件对不同降雨条件下的西端帮进行了渗流与应力耦合计算。结果表明:不同降雨条件下边坡安全系数在降雨期间均快速下降,降雨结束后均缓慢回升,但在较长一段时间内仍低于边坡初始安全系数;短时强降雨比长时弱降雨对边坡稳定性的影响更剧烈,但在降雨结束后安全系数回升得更快;塑性应变首先产生于泥岩弱层中并沿泥岩弱层逐渐向边坡深部发展,最终形成贯通边坡的塑性区。

掺黏粒改良粉土的土水特征试验研究

以河南开封金明大道北延道路路基工程低液限粉土为研究对象,通过滤纸法测定不同黏粒含量、压实度的粉土土水特征曲线,研究其基质吸力变化规律;采用扫描电镜试验从微观结构演化角度分析其影响机制。结果表明:加州承载比CBR值随黏粒含量与压实度的增加均单调增大;不同压实度下掺黏粒改良粉土的饱和含水率均随黏粒含量的增加呈先增大后减小趋势;任一黏粒含量下,土水特征曲线具有明显的阶段性特征,黏粒含量为15.5%、20.5%、26.5%的土水特征曲线存在基质吸力保持相对恒定的平台期;黏粒含量的增加使得重塑土样的微观结构逐渐紧密,粉黏粒间的接触方式由线或面的接触逐渐转变为胶结及包裹镶嵌作用。根据规范要求,掺黏粒改良粉土可应用于公路路基填筑。

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。

后峰型降雨条件下地基瞬态极限承载力解析解

为快速获得后峰型降雨入渗过程非饱和地基承载性能演化规律,在Richards非饱和渗流控制方程中引入Gardner渗透系数函数和土-水特征曲线模型,推导了后峰型降雨入渗过程地基瞬态基质吸力解析解,并利用有限元模拟结果对解析解进行验证;基于瞬态基质吸力解析解,推导了考虑基质吸力影响的后峰型降雨过程地基瞬态极限承载力解析解,建立了非饱和地基极限承载力和起始雨强、雨强变化系数以及降雨历时之间的映射关系;基于地基瞬态极限承载力解析解,研究了后峰型降雨入渗过程地基承载性能演化特性,分析了起始雨强和雨强变化系数变化对地基承载性能的影响。结果表明:遭遇后峰型降雨入渗时,地基极限承载力随降雨历时增加而逐渐降低,降低速率呈现先慢后快的非线性特点,不同于遭遇均匀型降雨时地基极限承载力近线性减小的特点;雨强变化系数一定时,起始雨强越大,地基承载性能降低越快;起始雨强一定时,雨强变化系数越大,地基承载性能降低越快。

考虑非饱和土基质吸力的改进通用条分法

极限平衡条分法是目前在边坡稳定性分析中应用广泛的一种方法,而其中通用条分法(GLE法)理论最完善、条件最宽松.非饱和土的抗剪强度和土压力受基质吸力的影响变化很大,因此在应用GLE法时,基质吸力的作用不可忽视.基于此,对GLE法做了如下改进:①土体的抗剪强度采用扩展后的Mohr-Comlonb强度准则;②土条条间力函数采用类似于土体强度准则的一个常数关系.通过算例分析可知,改进后的GLE法所求得的安全系数大于改进之前的,说明GLE法低估了土坡的抗滑力,进一步说明基质吸力对边坡稳定性的显著影响.

考虑时间效应的超固结非饱和土弹黏塑性本构模型及其验证

时间效应对超固结非饱和土的力学和变形特性影响较大,建立考虑时间效应的超固结非饱和土弹黏塑性本构模型,对于准确分析超固结非饱和土时间相依变形特性具有重要意义。以超固结土统一硬化模型为基础框架,建立了一个同时考虑固结度、基质吸力、时间效应的超固结非饱和土弹黏塑性本构模型。首先,根据超固结土弹塑性变形特性,引入统一硬化参数对一维弹黏塑性本构模型进行修正,建立了连续加载条件下超固结土弹黏塑性本构模型;其次,采用非饱和土巴塞罗那模型屈服面,结合过应力理论,建立了考虑时间效应和基质吸力影响的弹黏塑性模型。与巴塞罗那模型相比,额外引入了与时间效应相关的黏滞系数。模型验证和试验数据对比结果表明,该模型能够合理地预测超固结非饱和土时间相依变形特性。

强降雨条件下隧道洞口边坡开挖渗流特征以及支护方案研究

针对数值模拟软件难以模拟分析强降雨过程中隧道洞口边坡开挖渗流场分布的问题,依托某隧道洞口边坡工程,对FLAC3D软件中的FISH语言进行二次开发,确定降雨渗透过程中不同饱和状态下土体渗透系数值并实时更新降雨入渗的边界条件,分析了不同降雨时长情况下不同支护方案隧道洞口边坡孔隙水压力、基质吸力分布以及安全稳定性。结果表明,历经24 h强降雨,原边坡和采用抗滑桩+锚索支护的边坡表面土体均达到饱和状态,即从坡脚至坡顶浸润线形成贯通;而采用台阶型放坡+锚杆支护的边坡仅在坡脚至边坡二级平台处的表面土体达到饱和状态;降雨过程中采用抗滑桩+锚索支护的隧道洞口边坡与原边坡安全系数的变化规律较为一致,安全系数均为先快速降低后逐渐趋于稳定,直至安全系数达到1.2;而采用台阶型放坡+锚杆支护的边坡安全系数降低幅度较小,其值基本保持在1.8以上;在选择隧道洞口边坡工程扩建方案时,从隧道洞口边坡工程开挖支护方案的安全系数、土方开挖量、总投资等多个角度考虑,抗滑桩+锚索支护方式优于台阶型放坡+锚杆支护方式。

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。

初始干密度对脱湿红土含水吸力特性的影响

以昆明非饱和红土为研究对象,以脱湿作用作为控制条件,考虑初始干密度的影响,通过滤纸法试验,研究初始干密度对昆明脱湿红土含水吸力特性的影响。结果表明,各脱湿含水率下,脱湿红土的质量含水率、滤纸含水率随初始干密度的增大分别呈缓慢减小、波动减小的变化趋势;各初始干密度下,土-水特征曲线呈现出基质吸力与体积含水率的变化趋势相反的特征;初始干密度一定时,脱湿红土的基质吸力总体上随着体积含水率的增加呈现缓慢减小~快速减小的变化趋势,突变体积含水率为26.5%;体积含水率一定时,随着初始干密度的增大,脱湿红土的基质吸力呈波动升高的变化趋势;基质吸力一定时,脱湿红土的体积含水率随初始干密度的增大亦呈波动升高的变化趋势。初始干密度不同,脱湿过程中红土颗粒的持水能力不同。