黄泛区非饱和砂质粉土的土-水特征曲线试验研究

为了确定黄泛区非饱和砂质粉土的土-水特征曲线,以开封市朗润园小区的地下土为试验对象,通过滤纸法对其进行了室内试验研究,并利用Van Genuchten模型对试验测定出的土-水特征曲线进行了拟合。研究结果表明:非饱和砂质粉土的进气值约为9.5kPa,残余饱和度对应的吸力值约为73.5kPa,非饱和土的减饱和过程具有明显的阶段特征。根据拟合出的含水率和吸力之间的函数关系,可以预测黄泛区非饱和砂质粉土的土-水特征曲线。     

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。     

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.     

PS溶液渗透对非饱和土的增强效应研究

特定模数硅酸钾溶液(PS)已广泛的用于我国西北干旱地区土遗址加固保护工程中,并且取得了显著的效果。但是PS对潮湿地区遗址土加固效果,目前尚缺乏成熟的理论和实验验证。本文从室内试验的资料出发,研究PS对潮湿地区土遗址非饱和土的增强效应。本次研究土样取自位于潮湿环境中的浙江杭州良渚土遗址(3000 B C.),在实验室内对高含水量(13％ ~25％)的重塑土样进行了PS渗透加固。通过研究对比加固前后重塑土样的固结特性和抗剪强度,发现 PS对潮湿地区遗址土也有一定的加固效果。加固效果随初始饱和度的不同而不同,但初始含水量达25%的土在PS作用下仍可能得到增强。经PS渗透的土样不仅提高了初始固结性能和抗剪强度,而且加固土样而且呈现出一定的弹脆性特征,呈现出塑脆性转化,表明PS渗透可能产生对土初始结构的稳固作用。这一探索研究将为扩大PS在土遗址加固保护工程的应用提供一定的理论支持。     

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.     

确定非饱和粉土吸附强度的试验研究

非饱和粉土的吸附强度是土力学研究中的难点。针对非饱和粉土吸附强度的影响因素复杂且难以确定等问题,以饱和粉土抗剪强度计算公式为基础,以非饱和粉土抗剪强度作为过渡,研究吸附强度的确定方法。本文通过对不同含水率条件下的非饱和粉土进行固结不排水三轴剪切试验,利用MATLAB对得到的试验结果进行线性回归分析,探究非饱和粉土吸附强度与含水率之间的关系,提出了非饱和粉土吸附强度的计算公式。研究结果表明,非饱和粉土的吸附强度与含水率呈线性递减趋势。本文提出的计算公式可为非饱和粉土的理论分析和工程应用提供参考。     

非饱和土-隧道系统动力响应计算的波函数法

针对非饱和地基土中埋置隧道的三维动力响应计算问题, 提出了波函数法.采用无限长的Flügge薄壁圆柱壳模拟圆形隧道衬砌,采用流、固、气组成的三相介质模拟非饱和地基土体.分别采用分离变量法以及Helmholtz矢量分解定理求解薄壁圆柱壳的振动控制方程与非饱和土的波动方程.根据隧-土交界面与地表面处的应力、位移以及孔隙流体压力等边界条件,利用平面波与柱面波的转换性质,实现了隧道内作用单位简谐载荷时隧道衬砌与土体系统动力响应的耦合求解.通过与既有单相弹性介质2.5维有限元-边界元法、两相饱和多孔介质2.5维有限元-边界元法以及三相非饱和介质Pip in Pip半解析法的计算结果进行对比, 验证了本文计算方法的可靠性. 最后,基于该方法, 通过算例分析了不同饱和度下非饱和土-隧道系统的动力响应特征.结果表明, 饱和度对土体动位移与超孔隙水压力的幅值响应有较大影响.该方法的非饱和地基土参数退化后,也可用来计算和分析饱和地基土或单相弹性地基土与隧道系统的动力响应.      

基于van Genuchten模型的非饱和土非线性抗剪强度研究

为了更直观和全面地揭示非饱和土的抗剪强度变化规律,针对土体剪切破坏面上抗剪强度与法向应力呈非线性关系以及基质吸力关联摩擦角随基质吸力改变呈非线性变化这两种实验现象,结合vanGenuchten土水特征曲线模型,提出了非饱和土的非线性抗剪强度包络壳模型,进而推导得出了基于土水特征曲线(SWCC)相关参数的非饱和土非线性抗剪强度计算公式。研究表明:模型中各参数较易获取且无须增加额外的试验;与Fredlund包络(平)面模型相比,本文模型参数获取过程更为客观,可有效保证计算的唯一性和准确性;通过与已有文献所给试验结果进行对比分析,本文模型的适用性与可靠性得到了验证,相较于著名的Fredlund非饱和土抗剪强度计算公式,由本文方法给出的非线性抗剪强度与土体真实抗剪强度更为接近。     

相间交界面对非饱和土应力状态的影响

非饱和土是一种三相多孔介质,不同相之间的交界面尤其是气液交界面的存在直接影响了非饱和土的宏观行为.首先对土中交界面的形式和作用进行了探讨,指出气液交界面对非饱和土的行为有重要影响,并给出了界面功和气液比表面积的表达式.在已有的非饱和土变形功表达式基础上,引入界面能影响,得到了考虑交界面影响的非饱和土自由能方程.利用所得的自由能方程,给出了考虑交界面影响的非饱和土固相和液相相应的应力变量.对考虑交界面面积的液相流动方程进行了探讨,给出了非平衡条件下的土水特征曲线表达式,指出在平衡条件下土水特征曲线中应当考虑交界面面积的影响,传统土水特征曲线是三维关系在吸力-饱和度平面上的投影.将比表面积与土水特征曲线的关系,利用已有试验数据验证了该表达式的合理性.利用界面面积的表达式计算有效应力,将其与已有试验结果进行对比,表明给出的比表面积表达式可很好地反映实际情况.不同于已有现象学研究,本文推导具有严格的理论基础,研究表明完整的有效应力表达式中应考虑土体内部作用力的影响,其不仅包含基质吸力,同时还包含其他形式的作用力,其大小与界面比表面积有关.该表达式为下一步研究界面效应对土体变形、强度和流动特性的研究提供了基础.     

土力学有效应力及其作用的讨论

讨论了饱和土有效应力的作用及其使用中应注意的问题,以及土力学预测中存在的不确定性的几种情况.从土的各相平衡方程出发推导得到了非饱和土的总应力和各相应力之间的关系, 以及非饱和土的平均骨架应力的表达式,并定义该式为非饱和土的有效应力;该表达式与变形功推导得到的有效应力公式是一致的. 文中还就非饱和土有效应力的一些问题进行了探讨.      

Effect of Net Stress on Hydraulic Conductivity of Unsaturated Soils

This note presents results of a laboratory test program that examines the influence of pore volumes on soil water coefficient of permeability in different saturation conditions. Comparing the results, it is observed that the dependency of water coefficient of permeability to void spaces in unsaturated soils follow a different trend than associated in saturated state. The shift of the soil?Cwater characteristic curve within the change of pore spaces is utilized to qualify the opposite detected response of unsaturated water permeability to the change of pore spaces.     

A vanishing diffusion process in unsaturated soils

A model for simulating water flow and air flow in unsaturated soils is presented herein. Drainage from a one-dimensional soil column is specifically investigated. A mathematical analysis of the equations reveals that, due to a vanishing diffusion process, the gradient of the water degree of saturation is infinite at the water table. Moreover, this discontinuity propagates at a velocity that satisfies a local non-linear equation involving only the properties of the material. A numerical simulation of this problem serves to confirm the results obtained.     

MICROMECHANICS ANALYSIS FOR UNSATURATED GRANULAR SOILS

This paper aims at establishing an anisotropic stress expression for unsaturated pendular-state granular soils. Using the second-order fabric tensor, we formulate a micromechanics scheme of soils with statistically averaging method, and reveal that the macroscopic average stress of unsaturated granular soils in pendular-state is not isotropic. Not only is the stress from contact forces anisotropic due to the fabric, but also the capillary stress is directional dependent, which is different from the common point that the capillary stress is isotropic. The capillary stress of unsaturated pendular-state granular soils is determined by the orientation distribution of contact normals, so it is closely related to the initial and induced anisotropy of soils. Finally, DEM numerical simulations of triaxial compression tests of pendular-state soils at different degrees of saturation are used to verify the existence of above anisotropy of stresses.     

A Computational Intelligence-Based Genetic Programming Approach for the Simulation of Soil Water Retention Curves

Soil water retention curves are a key constitutive law used to describe the physical behavior of an unsaturated soil. Various computational modeling techniques, that formulate retention curve models, are mostly based on existing soil databases, which rarely consider any effect of stress on the soil water retention. Such effects are crucial in the case of swelling soils. This study illustrates and explores the ability of computational intelligence-based genetic programming to formulate the mathematical relationship between the water content, in terms of degree of saturation, and two input variables, i.e., net stress and suction for three different soils (sand–kaolin mixture, Gaduk Silt and Firouzkouh clay). The predictions obtained from the proposed models are in good agreement with the experimental data. The parametric and sensitivity analysis conducted validates the robustness of our proposed model by unveiling important parameters and hidden non-linear relationships.     

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。     

CONSTITUTIVE RELATION OF UNSATURATED SOIL BY USE OF THE MIXTURE THEORY(Ⅰ)—NONLINEAR CONSTITUTIVE EQUATIONS AND FIELD EQUATIONS

IntroductionSoilisthemostcommonlyusedconstructionmaterialincivilengineeringandhydraulicengineering .Thecharacteristicsofsoilhavebeeninvestigatingfornearlyonehundredyears.Butbecauseofitscomplexstructure,changeableenvironmentandbeingsensitivetotheoutsideconditions,thesoiloftenshowsvariedproperties[1,2 ].Themaindifficultytothedevelopmentofgeotechnicalmechanicsishowtosetupconstitutiveequationswhichcouldsatisfactorilyaccountforengineeringpropertiesofsoil[3].Manyconstitutivemodelshavebeenformedinth…     

非饱和弹性半空间地基的稳态响应半解析法研究

应用半解析法研究简谐荷载下非饱和弹性半空间地基的稳态响应。基于非饱和土的动力控制方程以及非饱和弹性半空间的边界条件,建立地基层单元的半解析函数,应用加权残数法得到在简谐荷载下非饱和弹性半空间地基的稳态响应半解析方程。对半解析方程求解,得到了竖向简谐荷载作用下非饱和弹性地基水平位移和竖向位移幅值,数值分析了饱和度和地基深度等参数对孔压和位移幅值的影响。研究结果表明,应用本文方法研究非饱和弹性半空间地基的稳态响应是切实有效的。