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)。     

非饱和土的广义朗肯土压力

本文从 4条基本假设出发 ,建立了非饱和土的广义朗肯土压力公式 ,采用理想试验对该公式进行了验证 ,在北京地铁13号线的东直门车站基坑工程中理论分析结果和实测值非常接近 ,证明了该理论的有效性。土的广义朗肯土压力公式建立了土的试验指标与原位指标的关系 ,从理论上给出了用土的试验指标得到原位主动 (被动 )土压力的方法。对于非饱和土 ,采用简单易得的直剪试验指标应用广义朗肯土压力公式就可以得到相当精确的结果 ,弥补了扩展朗肯土压力理论的不足。而且广义朗肯土压力公式能够合理利用已有的工程经验和工程数据 ,为非饱和土力学的工程实用化提供了一条新的思路。     

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。     

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.     

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。     

不同排水条件下非饱和土中柱孔扩张问题的解析分析

现有的圆柱孔扩张理论已可为诸如石油工程中井筒稳定性鉴定、 及旁压和圆锥贯入实验分析等提供理论依据, 但在非饱和地基压力注浆, 复合地基处理等实际工程问题中却鲜有应用. 基于弹塑性理论和非饱和土力学原理, 采用统一强度理论, 对非饱和土中柱形小孔扩张问题进行了解析研究. 首先将柱孔周围土体分为弹性区和塑性区, 并考虑在弹性区遵循小应变理论, 在塑性区遵循大应变理论, 同时考虑了中间主应力及粒间吸力对非饱和土体强度的影响. 其次应用有效应力表示的统一强度准则, 在本构关系、几何方程、动量平衡方程等基本方程的基础上, 结合相应的边界条件, 最终获得了不同排水条件下柱孔扩张时周围弹塑性区域内的应力场、应变场、位移场及极限扩孔压力的解析表达式. 通过数值算例和参数分析, 在与现有的饱和及非饱和土中柱孔扩张理论进行退化验证的同时, 分析了吸力、剪胀参数、中主应力效应参数及初始径向有效应力等对弹塑性区域内的应力场、应变场及位移场的影响规律, 验证了本文理论的正确性及有效性, 以期为实际工程问题提供合理的理论依据.      

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。     

条形荷载下梯度非均匀非饱和土的动力响应分析

基于多孔介质混合物理论, 建立了梯度非均匀非饱和土地基模型, 研究了条形荷载作用下梯度非均匀非饱和土地基的动力响应问题. 通过傅里叶积分变换和Helmholtz矢量分解原理, 获得频域内非饱和土地基动力响应问题的通解, 结合回传射线矩阵法和边界条件, 求解获得了非均匀非饱和土层中位移、应力以及孔隙压力的计算列式. 假设沿深度方向梯度非均匀非饱和土的物理力学性质按幂函数连续变化, 通过数值傅里叶逆变换得到了非均匀非饱和土地基中的应力、位移以及孔隙压力等物理量的数值解, 分析讨论了土体非均匀性对非饱和土介质动力响应的影响规律. 结果表明: 土体非均匀性显著改变了非饱和土中竖向位移、正应力和孔隙压力在其深度方向上的振动模态, 其中孔隙气压在其深度方向的振动频率随着梯度因子的增加而不断增大, 波峰值不断靠近地表处附近; 竖向位移随着梯度因子的增大不断减小; 正应力和孔隙水压随着梯度因子的增大先增大后减小, 并且土体非均匀程度越高, 正应力与孔隙水压的幅值越大.      

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.      

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。     

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…     

非饱和土中的饱和度的求解方法

探讨非饱和土的饱和度测量几种测量方法。由于非饱和土试验方法的不同,造成饱和度的测量的偏差。本文根据GDS的试验结果,对几种测量饱和度的方法进行比较和分析,指出假设土样颗粒体积不变,土样体积改变是因为土样孔隙大小的改变的合理性,认为直接法是一种有效的方法。     

变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

对有、无缝合复合材料层合板的拉伸疲劳性能进行了试验研究,考察了0^\circ 缝合对复合材料光滑板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响. 通过有限元素法分析了有、无缝合复 合材料层合板的应力状态分布情况,对缝合复合材料层合板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进 行了分析. 研究表明,缝合改变了复合材料层合板拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,针脚 附近的面内正应力\sigma_{x}与层间剪应力的集中对层合板拉伸疲劳损伤的 发生与扩展有着重要的作用,自由边界处的层间集中应力对缝合板的疲劳性能也有影响. 自 由边界处的层间集中应力是导致无缝合层合板疲劳损伤及其扩展的主要原因.     

CONSOLIDATION HEORY OF UNSATURATED SOIL BASED ON THE THEORY OF MIXTURE(Ⅰ)

Unsaturated soil is a three-phase media and is composed of soil grain,water andgas.In this paper,the consolidation problem of unsaturated soil is investigated basedon the theory of mixture.A theoretical formula of effective stress on anisotropicporous media and unsaturated soil is derived.The principle of effective stress and theprinciple of Curie symmetry are taken as two fundamental constitutive principles ofunsaturated soil.A mathematical model of consolidation of unsaturated soil isproposed,which consists of25 partial differenfial equations with25 unknowns.Withthe help of increament linearizing method,the model is reduced to5 governingequations with5 unknowns,i.e.,the three displacement components of solid phase,thepore water pressure and the pore gas pressure.7 material parameters are involved inthe model and all of them can be measured using soil tests.It is convenient to use themodel to engineering practice.The well known Biot’s theory is a special case of themodel.     

CONSOLIDATION HEORY OF UNSATURATED SOIL BASED ON THE THEORY OF MIXTURE(Ⅰ)

Unsaturated soil is a three-phase media and is composed of soil grain, water and gas. In this paper, the consolidation problem of unsaturated soil is investigated based on the theory of mixture. A theoretical formula of effective stress on anisotropic porous media and unsaturated soil is derived. The principle of effective stress and the principle of Curie symmetry are taken as two fundamental constitutive principles of unsaturated soil. A mathematical model of consolidation of unsaturated soil is proposed, which consists of 25 partial differenfial equations with 25 unknowns. With the help of increament linearizing method, the model is reduced to 5 governing equations with 5 unknowns, i.e., the three displacement components of solid phase, the pore water pressure and the pore gas pressure. 7 material parameters are involved in the model and all of them can he measured using soil tests. It is convenient to use the model to engineering practice. The well known Biot’s theory is a special case of the model.