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。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

黄泛区非饱和粉土压缩模量和有效应力参数的探讨

基于多孔介质中各组分对荷载的分担能力与其自身压缩特性相关联的思路,通过不同孔隙率土体的天然重度、含水率之间的公式转换,提出了由K_n到K_(S_rn)的转换系数法,进而可计算有效应力参数值。通过系列室内侧限压缩试验,研究了压缩模量的变化规律,并利用MATLAB三维拟合得出压缩模量的表达式,该表达式以土体的基本试验指标(天然重度γ、土粒密度ρ_s、含水率w)为自变量,更便于直观表现压缩模量的变化规律。在土体有效应力表达式的基础上,利用不同钻孔点、不同深度粉土层的基本试验数据,得到了黄泛区非饱和粉土有效应力参数χ的值。结果表明:与文献中黄土的χ值相比,当饱和度低于70%时,黄泛区粉土的χ值约为黄土的1.27倍~1.5倍;当饱和度高于85%时,黄泛区粉土与黄土的χ值趋于一致,此时非饱和土的有效应力表达式开始向饱和土的有效应力表达式的形式过渡。     

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.     

土水特征曲线的通用数学模型研究

土水特征曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水特征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系数 ,甚至可以确定地下水面以上水份分布。由于土体物理力学特性的差异 ,导致描述其土水特征曲线的数学模型也各不相同。因此 ,建立土水特征曲线的通用数学表达式 ,显得尤为必要。本文对土水特征曲线数学模型进行了研究 ,依据这些模型的数学表达式形式 ,将其划分为 4种类型。分别由这 4种类型的数学模型推导出具有统一表达式形式的土水特征曲线通用数学模型 ,并运用陕北高原黄土土水特征曲线试验数据对通用数学模型进行了研究     

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。     

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。     

非饱和土真三轴试验研究进展

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.     

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.     

浙东大运河非饱和粉质黏土抗剪强度特性的试验研究

浙东大运河绍兴段的土体整体上受河流相和海相沉积的影响,地质条件非常复杂.其中粉质黏土作为浅表层土体,受雨水影响较大,其状态经常处于饱和状态与非饱和状态之间.为了进一步探究绍兴段典型非饱和粉质黏土的稳定性差异,以及本构关系和强度指标的变化规律,通过全自动非饱和土应力路径三轴仪,对试验土样进行了三轴剪切试验.试验结果表明,初始干密度从1.4 g/cm³增加到1.6 g/cm³时,土体的抗剪强度、总黏聚力、有效内摩擦角和吸附内摩擦角均增大,应力-应变关系曲线由应变硬化型向应变软化型转变,并且基质吸力和净围压越大,区别越明显;基质吸力从0增加到300 kPa时,土体的抵抗变形能力提高,抗剪强度和总黏聚力增大,有效内摩擦角基本无明显变化,吸附内摩擦角逐渐减小.研究结果揭示了浙东大运河绍兴段非饱和粉质黏土的抗剪强度特性的变化规律,为该地域土质边坡、基坑等工程提供理论依据.     

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。     

降雨和蒸发对非饱和土土压力的影响

为了探讨降雨和蒸发所引起的渗流对非饱和土土压力的影响,本文将基质吸力与渗流的关系式引入到基于统一强度理论的非饱和土抗剪强度公式中,得到了降雨和蒸发条件下考虑中主应力影响的非饱和土抗剪强度公式;结合土体的极限平衡理论,推导出了受降雨和蒸发影响的主动土压力、被动土压力、静止土压力系数公式;最后通过数值算例进行了分析。结果表明:在降雨和蒸发条件下,非饱和土主动土压力最小值为-145kPa,被动土压力最小值为139kPa;而常规方法计算的主动土压力最小值为-13.85kPa,被动土压力最小值为41.57kPa;在降雨和蒸发条件下,非饱和土主动土压力小于饱和土主动土压力,而被动土压力则相反;在非饱和土中,降雨和蒸发所引起的渗流使得静止土压力系数随着与地下水位距离的增加而减小,在地表附近将会达到-1;而在饱和土中,本算例中各计算点的静止土压力系数总是常数(K0=0.5)。     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的"压力平方差梯度"之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

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.     

基于吸力量测确定膨胀土活动带和裂隙深度

采用M itchell公式和裂隙扩展深度方程两种吸力法确定安康地区膨胀土大气影响深度和裂隙开展深度。其一通过对安康地区两处天然边坡开挖观测井,利用张力计进行不同深度处吸力值的现场量测,根据M itchell提出公式计算大气影响深度;其二根据非饱和土抗拉强度公式,建立膨胀土裂隙扩展深度方程,利用基质吸力量测结果求其理论解。结果表明,安康地区膨胀土吸力变化曲线随深度增加变幅减小,呈“波浪式”推移。M itchell公式确定安康地区膨胀土的大气影响深度为3.35m以内,裂隙深度方程确定裂隙开展深度为3.06³.14m。利用M itchell公式计算大气影响深度与膨胀土断裂理论公式确定的裂隙开展深度结果接近。     

压实粉土非线性应力-应变关系的试验研究

对京九线路基粉土用GDS三轴仪进行固结不排水剪试验,研究不同围压、含水量、压实度下压实粉土样的应力-应变关系。结果表明:压实粉土在低围压下为应变软化,高围压下为应变硬化,存在一个屈服应力;含水量和压实度对粉土强度和应力-应变关系影响显著,随着含水量的减小、压实度的增大,压实粉土样强度增大,应力-应变曲线上升。对围压小于屈服应力的应变软化曲线,用常规的土的软化关系式进行拟和;对围压大于屈服应力的应变硬化曲线,用邓肯-张模型进行拟和;这二者的结合能描述压实粉土的应力-应变关系曲线,效果良好。     

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

邯郸与太原两地粉土动力特性的试验研究

对邯郸5个工程场区和太原1个工程场区的粉土进行了循环荷载幅值为不规则变化的动模量试验。试验研究发现,粉土的动模量衰减的比砂土慢;其动模量衰减到最大动模量的85%时,开始表现出塑性特征,因此,在动模量衰减到最大动模量的85%之前降低循环动荷载的幅值,动模量仍能大部分回到初始值。粘粒含量的变化使粘粒在粉土中表现出不同的作用,当粘粒含量小于10%时,动强度随粘粒含量的增加而降低;当粘粒含量大于10%后,动强度随粘粒含量的增加而增加。     

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.      

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。