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。     

南京下蜀土结构强度研究

利用常规三轴试验,研究了南京下蜀土结构强度及其影响因素。结果表明,下蜀土存在明显的结构性。当应变小于屈服应变时,土体的结构强度迅速的发挥;当应变大于屈服应变时,土体结构发生破坏,结构强度逐渐降低;最终当各个结构单元重新排列稳定时,土体结构完全被破坏。讨论了围压和含水量对结构强度的影响,结果表明南京下蜀土土体的结构强度和围压无关,和含水量有良好的幂函数关系。结构强度与非饱和土中吸附强度有一定的关系,可以用结构强度代替吸力,从而简化非饱和土抗剪强度公式。
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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。     

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.     

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．     

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.     

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.      

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。     

非饱和土-结构动力响应的多耦合周期性有限元法

真实的地基土体-隧道系统中土体及结构性质往往沿线路纵向变化.为考虑土体与结构沿纵向的变化特性,提出了一种非饱和土-结构系统动力响应分析的多耦合周期性有限元法.首先基于非饱和土的实用波动方程,采用Galerkin法推导了单节点5个自由度的非饱和土ub-pl-pg格式有限元表达式,相比于单节点9个自由度的ub-v-w格式有...     

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)。     

黄土湿陷性的微结构不平衡吸力成因论

分析了黄土粒间吸力的基本特性及其湿陷的微观过程,探讨了黄土在应力状态作用下由于浸水增湿而产生的微结构单元体滑移动力和阻力随饱和度、上覆土压力的变化规律,提出了微结构与广义吸力综合效应的湿陷性控制机理---微结构不平衡吸力成因论及其定量模型,从理论上分析了湿陷性与增湿水量、压力及深度的关系,揭示了土湿陷效应的内在规律。文中认为,湿陷过程就是水的楔入导致小孔隙广义吸力的逐渐丧失和大孔隙湿吸力的逐渐增大引起的微结构重建动力与重建阻力间的动态对抗过程。最后,讨论了湿陷的基本条件及影响因素。     

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.     

Physical and hydraulic characteristics in compacted clay soils

To determine and compare the differences in soil water suction between uncropped and cropped plots, a 52-plot experiment was used. Three average tyre to soil contact pressures of 31, 41 and 62 kPa as well as four numbers of machines passes (1, 5, 10 and 15) and control plots of zero traffic were used as pre-seeding machinery compaction treatments for the investigation. Soil dry bulk density, soil moisture content, soil suction, rainfall, water table depth and corn yield were all measured. The results showed that, with increasing tyre contact pressure, there was a corresponding increase in soil suction during the growing season in both uncropped and cropped plots. A family of curves was drawn for soil suction versus tyre contact pressure for different numbers of days and also for soil suction versus volumetric water content at varying contact pressures and times of the season. Growth performance of corn plants was best in moderately compacted plots. Dry bulk density and penetrometer resistance were related to traffic treatments.     

STRUCTURAL DAMAGE MODEL OF UNSATURATED EXPANSIVE SOIL AND ITS APPLICATION IN MULTI-FIELD COUPLE ANALYSIS ON EXPANSIVE SOIL SLOPE

Focused on the sensitivity to climate change and the special mechanical characteristics of undisturbed expansive soil, an elastc-plastic damage constitutive model was proposed based on the mechanics of unsaturated soil and the mechanics of damage. Undisturbed expansive soil was considered as a compound of non-damaged part and damaged part. The behavior of the non-damaged part was described using non-linear constitutive model of unsaturated soil. The property of the damaged part was described using a damage evolution equation and two yield surfaces, i.e., loading yield (LY) and shear yield (SY). Furthermore, a consolidation model for unsaturated undisturbed expansive soil was established and a FEM program named UESEPDC was designed. Numerical analysis on solid-liquid-gas tri-phases and multi-field couple problem was conducted for four stages and fields of stress, displacement, pore water pressure, pore air pressure, water content, suction, and the damage region as well as plastic region in an expansive soil slope were obtained.     

贵州石漠化地区降雨条件下红粘土剪切强度特性随含水量变化关系探讨

西南喀斯特地区的石漠化已经严重影响了人民正常的生产生活。水土流失是石漠化过程中一个关键环节。喀斯特地区地表广泛覆盖的红粘土在降雨条件下随着含水量的增加和人工垦殖的影响,剪切强度会产生变化,更易发生水土流失。本文以贵州普定石漠化研究区（陈旗村）的红粘土为例,以原状土模拟未经扰动的土样,以重塑土来模拟经过开垦被扰动后的土样,设计了原状土和重塑土在不同含水量下的直剪试验,初步地研究了这一变化规律。结果表明:在含水量大于35%时,石漠化地区红粘土粘聚力和内摩擦角均随着含水量的增加显著降低;在同一含水量水平下,原状土的抗剪强度明显优于重塑土,且随着含水量的增加,重塑土的强度衰减较之原状土快许多,表明了经过人工垦殖后的红粘土在降雨条件下更易发生水土流失。       

非饱和渗流基质吸力对边坡稳定性的影响

降雨入渗是致使边坡岩土体稳定性下降并最终导致崩滑地质灾害发生最为常见的环境因素。通常对边坡中地下水的影响分析采用的是经典的静水压力假定 ,并考虑适当的折减系数。本文研究了非饱和土强度随基质吸力变化的规律 ,对基质吸力影响边坡稳定性的机制进行探讨 ,并提出了相应的分析方法。运用上述方法分析了某露天矿边坡实例。结果表明 ,该方法十分有效。     

Terrain evaluation under water

A method to evaluate terrain properties of sediments under water is proposed for the design of new equipment, such as fully submersible bulldozers and cutter suction dredgers, as well as the evaluation of trafficability conditions.The method consists of a simple prediction of the soil profiles, such as water content, void ratio, undrained shear strength and effective pressure, using the liquid limit of surface sediments based on a compression law of soils.     

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。