非饱和土的理论与实践

发展非饱和土的理论和技术是现代土力学的一项基本任务。本文介绍作者十几年来在这一领域的研究成果,内容包括非饱和土的仪器研制、试验研究、工程特性、力学理论、分析方法和工程应用等方面。     

冻土力学的研究进展与思考

从冻结土的宏观力学性质,正冻土中的水、热迁移理论,正 冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展 历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题,指出：（1）当 前冻土力学的研究内容应该从对冻结土的宏观强度与变形性质向更 切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方 面深化;（2）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研 究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对 土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移;（3）冻 土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水 热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。     

暴雨诱发滑坡的高效无网格大变形数值模拟

渗流与土体的大变形耦合损伤破坏问题是暴雨诱发滑坡数值模拟的重要内容,目前对滑坡的全过程大变形非线性损伤破坏的仿真分析仍是一个难点。本文基于稳定节点积分再生核质点伽辽金无网格法和大变形增量型本构关系,提出了一套能模拟暴雨诱发非饱和土质边坡大变形损伤破坏的高效分析方法。该方法应用拉格朗日稳定节点积分,保证了数值积分的稳定性和高效性;同时采用非饱和土的物理力学性质来模拟降雨过程中边坡土体性质的演化,并以各项同性损伤函数和Drucker-Prager屈服准则反映土体的弹塑性损伤状态。该方法的非局部近似特性可以有效地模拟从剪切带起始到发生滑坡的整个大变形损伤破坏过程。通过典型算例验证了方法的有效性,并研究了滑坡发生时间与降雨强度和初始饱和度的关系。     

隧道施工中环境土层工程性质研究

利用非饱和土的三轴仪 ,测定不同吸力状态下的土的强度特性 ,并确立了两者之间的定量关系 ,同时进行了含水量对非饱和土的强度影响试验 ,研究了北京地区的非饱和土的强度特性。试验结果表明 :不同的吸力状态下 ,土的强度明显提高 ;含水量的改变对内聚力有明显影响 ,而对内摩擦角无明显影响 ,并测定本土样对强度改变的含水量拐点值.     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

ADVANCES IN TRUE TRIAXIAL TEST OF UNSATURATED SOILS

研究非饱和土的强度是非饱和土理论及其工程应用的首要问题,但因复杂应力状态下基质吸力的控制技术、量测技术和吸力平衡时间等原因,非饱和土真三轴试验研究的进展迟缓. 在介绍非饱和土刚性真三轴仪、柔性真三轴仪和刚柔复合型真三轴仪的基础上,重点分析已有非饱和土刚性和柔性真三轴试验结果,总结现有非饱和土真三轴仪及其试验研究的不足,同时指出Mohr-Coulomb 强度准则和外接圆Drucker-Prager准则对非饱和土真三轴试验结果的不适用性. 应开展更多不同种类非饱和土的完整真三轴试验研究,特别是非饱和黏性土;应结合非饱和土的应力状态变量和强度特性,建立符合工程实际受力状况的非饱和土真三轴强度准则,完善非饱和土的理论基础.     

土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。     

非饱和渗流下土石坝坝坡可靠性分析

将饱和-非饱和渗流场统一起来,建立了饱和-非饱和渗流的微分方程.根据极限平衡原理,考虑基质吸力对抗剪强度的影响,采用延伸的摩尔-库仑破坏准则,建立边坡在非饱和土条件下的安全系数公式.运用饱和-非饱和渗流有限元程序,对土石坝工程进行了计算和分析,探讨了稳态和瞬态下库水位变化时,坝体内浸润面的变化、瞬态孔隙水压力分布情况.进一步采用蒙特卡罗法把渗流计算所得的瞬态孔隙水压力分布用于坝坡可靠性分析,计算坝坡的瞬态可靠指标,对土石坝在非饱和、非稳定渗流作用下,不同水位下降速度对上游坝坡可靠性的影响进行了研究.结果表明:库水位下降对坝坡产生饱和-非饱和渗流作用,渗流场受降速的影响大,库水位下降速度增大,坝坡稳定性降低;坝坡可靠指标与库水位的关系呈抛物线变化趋势,渗流浸润线开始比较陡,最后趋于平缓,而坝坡可靠指标表现为开始减小,经过一段时间达到最小值,然后逐渐增大.     

渗流力学研究的现状和发展趋势

渗流力学在能源、环境、水利、岩土、交通、生物等工程领域有广泛的应用，渗流力学经过约一个半世纪的发展，已经积累了相当多的成果。随着现代科学的发展以及生产实践需求的不断提高，渗流力学仍然有进一步完善和发展的广阔空间。本文简述了水利、环境、能源工程和生物学中的渗流力学问题，扼要概括了渗流力学理论研究的现状，并指出渗流力学在多孔介质描述、裂缝型介质渗流、多相多组分渗流、物理化学渗流、非线性渗流、非饱和渗流、微观渗流、渗流模拟等理论及相关方法和测试技术等方面的发展趋势。     

考虑非饱和土基质吸力作用的土石坝渗流分析

传统的渗流分析主要考虑饱和区而忽略非饱和区内的渗流,本文首先对影响非饱和土渗流特性的重要物理量基质吸力进行了分析,阐述了其形成机理并推出其理论计算公式,然后在考虑基质吸力的作用下,基于饱和．非饱和渗流计算原理,采用有限元法考虑了渗流场非饱和区的影响,并以各向同性均质坝和心墙土石坝为算例,进行了计算分析。算例表明,由于基质吸力产生的虹吸作用,使得浸润线上部的非饱和区内也存在着连续的水流,否定了传统分析中浸润线是最上部流线的假设,通过分析这种水流的特点,定性的得出其对土石坝渗流稳定性的影响,对土石坝渗流分析具有一定的指导意义。     

非饱和黏性土抗剪强度的温度效应试验研究

为了系统地了解温度对黏性土工程性质的影响,本文采用南京地区三种不同矿物成分的黏性土,制成不同含水量和干密度的试样,在5~45℃条件下,开展了抗剪强度试验,获得了三种土的非饱和重塑试样的抗剪强度与温度的关系。试验结果表明:黏性土的黏聚力随温度升高呈线性变化; 亲水矿物含量较高的黏性土抗剪强度对温度变化较敏感,黏聚力随着温度的升高而降低,表现为强度的热软化现象; 亲水矿物含量较低的黏性土,当含水量较低(w≤17%)时,表现为强度的热硬化现象,当含水量较高(w≥22%)时,表现为强度的热软化现象,且干密度越高的试样,强度的温度效应越明显。论文还分析了非饱和黏性土抗剪强度的热硬化和热软化的内在机理。     

地下水位上升下黄土斜坡稳定性分析

黄土高原一些地区,由于塬上引水灌溉使得地下水位不断抬升,造成黄土滑坡频繁发生。地下水位变化严重影响着黄土斜坡的稳定性。基于饱和-非饱和渗流理论和延伸的摩尔-库伦破坏准则,结合室内饱和和非饱和试验结果,针对泾阳南塬一典型黄土斜坡,考虑地下水位上升情况下,对其进行了瞬态饱和-非饱和渗流分析;然后将计算得到的瞬态孔隙水压力分布用于斜坡的极限平衡分析。结果表明:地下水位上升对暂态渗流场和斜坡稳定性有明显影响;考虑非饱和渗流和吸力强度的边坡稳定分析方法更加符合实际情况。     

露天矿边坡饱和渗透系数随机场数值模型研究

为分析强降雨入渗及渗透系数空间变异性对闭坑露天矿边坡渗流场的影响程度，基于非饱和渗流理论和随机场理论，采用非侵入式随机方法，通过FISH语言编写非饱和区单元饱和度、渗透系数与基质吸力的修正函数，建立饱和-非饱和渗流随机场模型，开展强降雨作用的高大陡深岩质边坡渗流特征研究。研究结果表明，修正饱和-非饱和渗流随机场模型能够准确地描述露天矿边坡的降雨入渗过程。且降雨入渗主要影响到露天矿边坡浅层渗流场。随降雨持时变化，在坡面与地下水位线之间形成包围的且逐渐缩小的非饱和区。坡面最早出现暂态饱和区且厚度逐渐增加，但增幅逐渐放缓。同时坡面点孔隙水压力最早达到稳定值零，离坡面越远的点孔隙水压力达到稳定值零的用时会越长。该结论可为闭坑露天矿边坡的地质灾害风险预测提供参考意义。     

Vapour Transport in Low Permeability Unsaturated Soils with Capillary Effects

A discussion of water phase change in unsaturated soils that develop capillary effects is first carried out in the paper. A distinction between the GR (geothermal reservoir) and the NUS (nonisothermal unsaturated soil) approaches is performed. Several aspects concerning advective and nonadvective fluxes of vapour are described secondly and some relationships concerning the case of mass motion in a closed system subjected to temperature gradients derived. Since the structure of unsaturated clays changes with moisture content, in order to correctly simulate the coupled phenomena induced by temperature gradients a model for intrinsic permeability as a function of humidity is required. A preliminary version of the model is presented and applied to interpret a laboratory test by means of a numerical simulation using CODE_BRIGHT     

非饱和土力学理论的研究进展

回顾了非饱和土有效应力的发展,目前普遍认同采用两个应力变量来建立本构模型,且对基质吸力中毛细和粘吸两部分作用进行了阐述。分析了非饱和土强度问题,包括抗剪强度和抗拉强度。讨论了非饱和土的本构模型问题,包括基于净应力和基质吸力的弹塑性模型,基于Bishop有效应力和基质吸力的水力力学耦合弹塑性模型,以及双孔隙结构的模型。最后探讨了热力学方法和多孔介质理论在非饱和土中的应用,基于多孔介质理论在多场耦合条件下土体复杂的行为是当前值得研究的问题。     

非饱和土吸力的温度性质

根据热力学理论，讨论非饱和土中的土吸力随温度变化的情况，得到在一般情况下非饱和土中的土吸力随着温度增加而线性减小的规律．     

Heat and mass transfer in unsaturated porous media at a hot boundary: I. One-dimensional analytical model

We present a model of heat and mass transfer in an unsaturated zone of sand and silty clay soils, taking into account the effects of temperature gradients on the advective flux, and of the enhancement of thermal conduction by the process of latent heat transfer through vapor flow. The motivation for this study is to supply information for the planned storage of thermal energy in unsaturated soils and for hot waste storage. Information is required on the possibility of significant drying at a hot boundary, as this would reduce the thermal conductivity of a layer adjacent to the boundary and, thus, prevent effective heat transfer to the soil. This study indicates the possibility that the considered system may be unstable, with respect to the drying conditions, with the occurrence of drying depending on the initial and the boundary conditions. An analysis performed for certain boundary conditions of heat transfer and for given soil properties, disregarding the advective flux of energy, indicated that there are initial conditions of water content for which heating will not cause significant drying. Under these conditions, fine soils may be better suited for heat transfer at the hot boundary, due to their higher field capacity, although their heat conduction coefficients at saturation are lower than those of sandy soils. At present, these conclusions are limited to the range of 50–80°C. Potential effects of solute concentration at the hot boundary are indicated.