透明土在非饱和渗流定量化领域的试验

采用一种均粒级配的透明土,对室内一维土柱积水入渗及排水过程进行观测,利用图片像素归一化强度与润湿液体饱和度之间的关系,可得到渗流试验过程中的连续水分剖面及封闭气体运移的定量化规律,为进一步合理预测非饱和土体实际入渗率提供试验观测数据.     

考虑降雨入渗的非饱和土边坡流固耦合数值分析

针对降雨入渗作用下非饱和土边坡的变形和稳定问题,运用ABAQUS有限元软件,建立二维非饱和土边坡流固耦合数值模型,对边坡渗流场、应力场和位移场进行分析,分析降雨入渗后边坡的孔压、饱和度、位移、塑性区扩展和安全系数的变化规律.结果表明:降雨入渗引起边坡孔压、饱和度、等效应力和位移增大,降雨强度减小和无降雨下,边坡孔压、饱和度、等效应力和位移减小回弹,边坡表层响应早于坡体内部;边坡坡脚最先出现塑性区,塑性区沿坡面浅层向上扩展,形成连续的塑性区贯通面;边坡安全系数在持续强降雨下持续减小,降雨强度减小和无降雨下,边坡安全系数增大回弹.研究结果可为非饱和土边坡的变形与稳定分析提供参考.     

夯实高饱和度地基土的强度特性

运用改进的非饱和土三轴仪,对某地税大楼强夯后高饱和度地基土进行了控制吸力条件下的固结排水剪切实验.实验结果表明,基质吸力对非饱和土的强度特性有重要影响,抗剪强度参数有效内聚力和有效内摩擦角都与吸力呈良好的线性关系.随吸力增加,有效内聚力呈线性增加,而有效内摩擦角则相应地减小.在实验吸力的范围内,有效内聚力受吸力的影响比有效内摩擦角更明显.而实验土的破坏包线并不是平面,它随净平均应力和吸力的增高而呈收敛状,说明对这种高饱和度击实粉土,当围压加至300kPa以上时,吸力对强度的增长不再明显,此时围压将起主导作用.     

强降雨作用下浅层滑坡的入渗及稳定性

为了研究降雨入渗对边坡稳定性的影响,基于Mein-Larson入渗模型,提出坡面供水强度和坡面入渗能力的概念,建立了坡面降雨入渗模型.将坡面降雨入渗模型与无限边坡极限平衡法相结合,建立了以土、水混合体为研究对象,考虑水对岩土体力学参数弱化的稳定性评价模型.最后应用建立的模型对一边坡算例进行了降雨入渗和稳定性分析.结果表明:坡面供水强度和入渗能力均随坡角的增大而减小.在降雨条件下,把水和土的混合物作为研究对象和把土骨架作为研究对象所得到的稳定性计算结果是一致的.降雨强度是控制滑坡失稳的重要参数,它的增强会加快湿润锋的运移速度和边坡表面入渗能力的衰减.降雨会造成湿润锋的不断下移,湿润锋处的安全系数随之降低,一旦安全系数达到临界状态,边坡将发生失稳破坏.     

一维积水入渗水分运移动态监测新技术

水在土壤中入渗时湿润锋前后含水量、吸力等物理量变化剧烈,精准监测土壤内部湿润锋动态变化比较困难.本文选用微型数字温湿度传感器(SHT30),利用湿度传感器对水分的高灵敏性,监测了一维土柱积水入渗时湿度剖面的动态变化,对比分析了湿润锋及水分运移过程.通过3种不同干密度土柱的一维积水入渗试验,在土柱中心位置不同高度处由上至下布设湿度传感器,外部布置相机拍摄土柱边界湿润锋推进过程,结合有限元数值模拟,揭示了土柱中水分入渗规律.结果表明:湿度传感器能及时准确捕捉吸湿路径下湿润锋;土柱的干密度越大,同一深度湿度骤升得越晚,表明入渗速率随干密度的增大而减小;对比外部拍摄的湿润锋和内部监测的湿润锋,发现拍摄边界湿润锋略晚于内部,随着土柱干密度增大,两者差距缩小;Shahabi渗透系数经验公式比Kozeny-Carman公式更接近实测饱和渗透系数,SEEP/W有限元模拟湿润锋推进过程与实测结果吻合良好.     

土水特征曲线预测非饱和黏土的抗剪强度

分别采用压力板法和滤纸法对一种孔隙比大致相同的黏土进行了测量土水特征曲线的试验, 并通过直剪仪试验测得不同含水率下该黏土的抗剪强度(简称强度). 试验结果表明: 压力板法和滤纸法测得的土水特征曲线大致相同; 同样竖向压力下, 抗剪强度随饱和度降低而增大, 但饱和度很低时强度反而减小. 饱和度主要影响黏聚力, 对内摩擦角的影响不大. 另外, 应用土水特征曲线对非饱和黏土的强度进行了预测. 通过引入有效饱和度的概念, 对非饱和土强度公式进行修正, 采用该公式预测非饱和土强度的精度比传统的平均骨架应力预测方法要高.     

黄土边坡降雨入渗规律试验

为研究降雨对边坡稳定性的影响,利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型,进行了不同初始含水量和不同降雨条件下黄土路堤边坡湿润锋和入渗率的试验,探索了黄土路堤降雨入渗过程,分析了黄土路堤边坡稳定性对降雨历时和降雨强度的敏感程度及入渗变化规律.结果表明:雨水入渗路堤土呈先快后慢的趋势,湿润锋从规则向不规则逐渐转化;入渗率与边坡初始含水量、路基压实度和降雨历时成反比关系,与降雨强度基本无关.     

基于AHFO方法的Green-Ampt模型K_0取值试验研究

利用Van Genuchten经验函数拟合土水特征曲线,可获取反应土壤物理特性的参数m和n,求得体积含水率θ下的非饱和导水率K_θ,再利用K_θ代替饱和导水率K_0,可获得Green-Apmt的修正模型.过去受测试手段的限制,这类修正方法还未经过试验精确验证;传统的点式测量手段可通过数个点的体积含水率数据推测整个土壤的体积含水率剖面和湿润锋的位置,引起的误差常常比较大.利用分布式的主动加热型的体积含水率光纤测试方法(actively heated fiber optic method,AHFO),定位精度可达2.5cm;设计了模型桶中砂土垂直向上入渗的渗流试验,测试了试验过程中土壤体积含水率剖面,并采用AHFO技术实时定位湿润锋的位置,大大提高了湿润锋定位准确性.基于实测的体积含水率剖面及湿润锋位置,对K_0修正前后Green-Apmt模型的准确性进行了测试.结果表明:(1)非饱和土的渗透系数K_θ远小于饱和土的渗透系数K_0,其大小可依据土壤特征曲线和AHFO法测得的土壤体积含水率确定,本次试验修正系数约为0.1;(2)湿润锋垂向运移距离与时间符合修改K_0后的Green-Apmt模型;(3)AHFO法具有连续性和精确性的优点,可以作为评价土壤湿润过程的有效测试手段.     

保水剂对砂壤土水分二维入渗的影响

为揭示保水剂用量对有覆砂与无覆砂条件下土壤水分二维入渗的影响和规律,以裸土试验组为对照,通过模拟单点源入渗试验,研究在覆砂与无覆砂条件下保水剂用量(0、0.1%、0.2%、0.5%)对土壤水分入渗过程的影响.结果表明:两种不同条件下的土壤水分入渗规律基本一致.在入渗初期,随着保水剂用量的增大,入渗速率越小,累积入渗量越大,湿润锋在水平与垂直方向上的推移以及湿润体横纵比的差异均不显著;入渗中期的入渗速率和累积入渗量规律与入渗初期一致,但湿润锋在水平方向上的推移增大,而垂直方向上的推移减小,湿润体的横纵比增大;入渗后期,入渗速率基本趋于稳定,累积入渗量继续增大.Kostiakov入渗模型可以反映保水剂对砂壤土水分二维入渗的规律性.     

种植土-碎石绿化带雨水入渗的数值分析

为分析理论解析法求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题的合理性,建立了非饱和种植土-碎石绿化带雨水入渗的有限元模型,模型上边界设置储水表皮,模拟雨水入渗和积蓄,下边界为饱和排水,模型两侧不透水。首先,利用有限元模型模拟了均匀降雨条件下的雨水入渗特征,与理论解析解对比,验证了模型的正确性。然后,利用有限元模型计算石家庄市2年重现期3h设计暴雨雨型条件下种植土的雨水入渗,地表开始积水时间、降雨结束后积水深度、雨量径流系数分别为0.75h,13.6cm和0.24,均匀降雨理论解析解计算结果分别为0.72h,14.4cm和0.17,两种方法计算结果相差不多。再次,利用有限元模型计算了下边界孔压变化、上边界孔压变化条件下的种植土地表开始积水时间,结果表明随着下边界孔压降低,地表开始积水时间延长,随着上边界孔压降低,地表开始积水时间延长,当下边界孔压为0kPa时,初始上边界孔压分别为-6kPa和-12kPa,地表开始积水时间分别为45 min和50 min,地表开始积水时间有一定差异;当初始上边界为-6kPa,下边界分别为0kPa,-1kPa,-2kPa和-3kPa时,地表开始积水时间分别为45min,45min,46min和47min,下边界条件对地表开始积水时间影响较小。地基土渗透系数为6.5×10~(-9) m/s,地基土孔隙水压力分别为0kPa,-4.5kPa,-9kPa,-13.5kPa和-18kPa,利用有限元模型求解获得种植土地表开始积水时间分别为54min,54min,55min,55min和56min,地表积水深度分别为11.9cm,11.7cm,11.5cm,11.4cm和11.3cm,随着地基土孔隙水压力降低,种植土地表开始积水时间略有延长,种植土地表积水深度略有降低,总体上地基土孔隙水压力对种植土地表积水时间和积水深度影响不大。地基土孔隙水压力0kPa,渗透系数分别为6.5×10~(-9) m/s和6.5×10-7 m/s,利用有限元模型计算获得种植土地表开始积水时间均为54 min,积水深度均为11.9cm,地基土渗透系数对种植土地表积水时间和积水深度基本无影响。从上述研究结果可以看出,可以使用平均降雨强度和理论解析法计算地表开始积水时间和积水深度;下边界条件对地表开始积水时间和积水深度影响不大;地基土的饱水渗透系数、地基土的初始含水率对地表积水开始时间和地表积水深度影响不大;使用理论解析解求解种植土-碎石绿化带雨水入渗问题是合理的。     

重力式地下孔灌土壤水分运动规律试验研究

设计了一种重力式地下孔灌系统,具有集雨和灌溉双重功能.通过室内土箱试验,研究了不同压力水头、竖管孔径和埋深条件下土壤水分运动规律.结果表明:Philip入渗模型能够较好地描述重力式地下孔灌土壤入渗过程,决定系数大于0.99;累积入渗量随压力水头和竖管孔径的增大而增大,竖管埋深对其影响微弱;幂函数能够较好地描述湿润锋运移过程,湿润锋运移距离呈现出垂直向下大于水平方向、水平方向大于垂直向上的规律;三个方向上的湿润锋运移距离与压力水头和竖管孔径呈正相关,竖管埋深对其影响较小.重力式地下孔灌土壤入渗主要受压力水头、竖管孔径等因素的影响.     

非饱和南阳膨胀土的剪切强度及其预测

膨胀土是一种随含水率变化而具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土,与普通黏土相比,含水率对其强度特性影响更为显著.为了探讨含水率对膨胀土强度的影响,对压实南阳膨胀土进行了一系列直剪试验,得到了在相同干密度及不同含水率条件下的抗剪强度.试验结果表明,南阳膨胀土的抗剪强度和黏聚力均随含水率的增大而减小,内摩擦角受含水率的变化影响不大.此外,把宏观饱和度引入Bishop非饱和土强度公式中,对试验结果与修正强度公式的计算值进行比较,结果表明修正后的Bishop非饱和土强度公式可以较为精确地预测出非饱和膨胀土的强度.     

非饱和土抗剪强度特性试验研究

非饱和土在工程环境中普遍存在,非饱和土与饱和土的强度特性有很大差异,因此研究土的饱和度对土抗剪强度特性的影响具有重要意义。利用直剪仪和压力板仪,研究了土的饱和度对抗剪强度的影响规律。试验结果表明:粘土的含水量与凝聚力和内摩擦角存在明显关系,当含水量(饱和度)增加,粘聚力和内摩擦角则随含水量的增加逐渐减小;揭示了饱和度与基质吸力之间的关系;对比土水特征曲线与抗剪强度参数的关系,发现了非饱和黏土中基质吸力对抗剪强度的影响规律。     

非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学响应

为了研究非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下的细观力学性质,进行了非饱和粗、细颗粒混合土动三轴的离散元数值分析。根据室内动三轴试验结果标定PFC2D接触模型参数,进行非饱和粗、细颗粒混合土动三轴离散元模拟,分析其细观力学机理。结果表明:离散元模拟结果与室内试验结果曲线拟合度基本一致,能较好地反映非饱和粗、细颗粒混合土在动荷载作用下力学特征。相同含水率条件下,粗、细颗粒混合土的累积动应变随动应力幅值的增加而增大;随围压的增加先小幅度增大后再大幅度减小。孔隙度随动应力幅值的增大而减小;随围压的增大也减小。试样颗粒在剪切过程中,上下端运动速度最大,整体呈现对称递减状,中部运动速度最小。     

温度对季冻区粉质黏土强度及变形特性的影响

为研究温度变化对天然状态及饱和状态下粉质黏土强度以及变形的影响,以典型季冻区广泛分布的粉质黏土为研究对象,通过GDS非饱和土三轴测试系统对天然状态下非饱和土以及GDS温控式静/动三轴测试系统对饱和粉质黏土,在不同温度条件下进行三轴试验。对试验结果进行研究分析可得：非饱和以及饱和粉质黏土的应力-应变曲线均呈现出应变硬化的特性。非饱和粉质黏土的黏聚力随温度降低表现出不断增加的趋势,而内摩擦角随温度降低逐渐减小,但整体变化趋势较小。饱和土的黏聚力与非饱和土变化趋势相同,随温度的降低其黏聚力逐渐增加,但相同温度时其黏聚力小于非饱和土,其内摩擦角则呈先减小后增加的转变趋势。无竖向压力作用时,相同围压条件下,非饱和与饱和粉质黏土轴向变形量随温度降低而增加,相同温度条件下,两者的轴向变形量随围压的增加会有所减小。试验成果可为季冻区粉质黏土地层工程的设计施工提供理论依据。     

前峰型降雨入渗过程双层地基基质吸力解析解

为揭示前峰型降雨入渗对双层地基基质吸力分布的影响，首先基于Richards 瞬态非饱和渗流方程，引入Gardner土-水特征函数，建立了前峰型降雨入渗作用下双层非饱和地基水分运移模型，利用拉普拉斯变换推导了前峰型降雨过程双层地基基质吸力瞬态解析解；然后通过与有限单元模拟结果对比分析，验证了该解析解是正确的.研究成果为快速预测非均匀型降雨入渗作用下双层地基基质吸力演化特性提供了便捷手段，可为雨季地基承载性能评价和防灾减灾提供技术支持.非饱和土；双层地基；降雨入渗；基质吸力；解析解     

吸力控制下非饱和粉土的动力变形特性

利用美国GCTS公司生产的吸力可控USTX-2000全自动非饱和土/饱和土动三轴仪, 在控制吸力条件下对非饱和粉土的动力变形特性进行试验研究. 开展循环荷载下的动力变形试验, 得到了非饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比. 试验结果表明: 在动荷载作用下, 吸力控制下的非饱和粉土动应力应变关系骨架曲线呈双曲线形, 且吸力越大, 骨架曲线越高; 非饱和粉土的动弹性模量随吸力的增大而增大, 但没有净围压增大效果显著; 非饱和粉土的阻尼比随吸力的增大而减小, 但减小幅度没有净围压增大那样显著; 非饱和粉土的动应力应变关系骨架曲线、动弹性模量以及阻尼比随吸力的变化规律可用非饱和土的平均骨架应力值的变化解释.     

降雨入渗条件下边坡湿陷变形的数值模拟

降雨入渗是边坡发生失稳滑动破坏的主要因素之一为研究降雨入渗条件下边坡湿陷变形的基本特性,采用修正的巴萨罗那模型（BBM）和非饱和多孔介质力学理论,建立了基于弹垫性分析的非饱和流固耦合计算模型,开发相应的有限元程序,进行降雨入渗下非饱和土边坡渗流场和应力场耦合的数值分析,研究了降雨持时、降雨强度以及饱和渗透系数对边坡渗流和变形的影响．结果表明：该计算模型能够很好地反映边坡的湿陷变形特性,最大湿陷变形发生在坡面拐角及坡顶位置．降雨强度和土体饱和渗透系数的大小对边坡内孔压和位移影响显著：在降雨强度小于饱和渗透系数时,坡内孔压及位移随降雨强度的增大而增大;当饱和渗透系数小于且接近降雨强度时,坡内孔压和位移增量明显增大;而当饱和渗透系数远大于或小于降雨强度时,坡内孔压及位移变化量则较小．     

考虑吸湿和脱湿影响的一维降雨入渗数值模拟

在分析非饱和渗流时,土水特征曲线(SWCC)起着至关重要的作用.吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线存在显著的滞后现象,对降雨入渗土体中孔隙水压力的分布有明显影响.采用两种计算模型,运用吸湿和脱湿条件下的土水特征曲线,对一维降雨入渗土体非饱和-饱和-非饱和全过程进行数值模拟,对比分析了计算模型以及吸湿和脱湿,对降雨入渗过程中土体的孔隙水压力分布的影响.     

不同降雨条件下裂隙性土质边坡渗流特性分析

降雨入渗条件下裂隙性土质边坡稳定性与降雨强度及降雨类型密切相关.为探究不同降雨强度及不同降雨类型对裂隙性土质边坡降雨入渗过程的影响,运用Geo-studio有限元分析软件中的Seep/w模块,研究了不同裂隙深度及孔隙比的裂隙性土质边坡在小雨、中雨及大雨情况下分别经历前锋型、平均型、中锋型及后锋型4种不同降雨类型的渗透特性,得到了裂隙面的孔压与体积含水量变化规律,结果表明:存在临界渗透比ε′,渗透比大于ε′,体积含水率及孔压随埋深增大而增大,反之,随埋深增大而减小.渗透比大于临界渗透比,不同雨强及雨型条件下土体体积含水率及孔压随埋深变化均呈反S型,拐点深度由裂隙深度决定.不同降雨类型使某一时段内土体体积含水量及孔压在数值上产生差异.不同降雨强度决定裂隙边坡土体渗流过程的控制因素,降雨强度大于土体入渗强度时,降雨入渗由土体渗透系数控制,降雨强度足够大时,不同渗透比下的裂隙土体体积含水率变化趋势将会相同.