考虑密度与干湿循环影响的黄土土水特征曲线

采用Ku-pF非饱和导水仪和压力膜仪实测不同干密度和不同干湿循环状态下重塑黄土的土水特征曲线,给出黄土土水特征曲线的进气值与残余含水率等特征值,同时利用环境扫描电镜观测黄土试样的微结构特征,统计黄土孔隙结构的变化情况,从宏观和微观2方面分析干密度和干湿循环作用对黄土土水特征曲线的影响,并利用已有模型对实测曲线进行拟合。研究结果表明:干密度对黄土的土水特征曲线有显著影响;干密度大的土样具有较低的初始饱和含水率、较高的进气值和良好的持水性能,土水曲线形态平缓,土体进气值的对数随干密度增大呈线性增长规律;干湿循环作用促使土中胶结物被溶蚀,孔隙贯通或扩张,大孔隙增多,土体的持水性能降低;Van Genuchten模型可以很好地描述和预测非饱和黄土的土水特征曲线。     

杭州湾浅层储气砂土的持水特性试验研究

杭州湾嘉甬跨海高铁大桥遇到的储气砂土是一类特殊的非饱和土,以往砂土类主要以重塑样进行持水特性试验,而实际工程中,原状样的结构性对持水特性具有显著影响。以杭州湾储气砂土为研究对象,基于压力板仪试验研究了不同初始孔隙比砂土原状样与重塑样的持水特性,对比分析Brooks-Corey模型、Van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对砂土土-水特征曲线(soil water characteristics curve, SWCC)的适用性;利用等粒球状颗粒的不同排列方式分析了产生基质吸力差异的机理。结果表明:Van Genuchten模型更适用于描述和预测杭州湾储气砂土SWCC;对于相同孔隙比下的砂土原状样与重塑样,重塑样比原状样的失水斜率更小,但重塑样与原状样的进气值基本一致。原状砂土与重塑砂土不同的颗粒排列结构是造成其SWCC差异性的主要原因之一,重塑砂土比原状土具有更加均匀的孔隙分布,原状砂土结构性对SWCC的影响不可忽略,采用原状储气砂样的Van Genuchten模型可为实际工程提供更精准的预测和参考。     

宝鸡地区非饱和黄土水力参数试验研究

我国黄土分布广泛,且多处于非饱和状态,土-水特征曲线和渗透系数函数是研究非饱和黄土工程地质特性的重要水力参数。利用瞬时释放和吸入法(TRIM法)对陕西省宝鸡地区非饱和黄土进行土-水特征曲线试验;并采用van Genuchten模型、FredlundXing模型和Gardner模型对试验数据进行了拟合,其中van Genuchten模型整体拟合效果最好。试验结果表明:在脱水与吸水过程中,土-水特征曲线呈现出明显的滞回效应。以测得的土-水特征曲线为基础,采用ChildsCollis-Geroge预测模型,求出了黄土在非饱和状态下的渗透函数方程。结果表明:非饱和黄土的渗透系数与体积含水率呈正相关,与基质吸力呈反比关系,且两者均可以用指数函数表示。这为本区黄土工程地质问题,如在降雨作用下的边坡稳定性评价等提供了可靠的水力参数。     

降雨条件下考虑非饱和渗流的黄土滑坡灾变分析

采用滤纸法测试,并根据SWCC理论模型Van Genuchten方程拟合,得到非饱和土-水特征曲线,同时根据Van Genuchten统计传导模型估计渗透系数曲线.针对降雨诱发型黄土滑坡,建立边坡二维分析模型,以Mohr-Coulomb准则作为滑坡破坏依据,以非饱和土渗流理论为依托,进行渗流分析和稳定性分析.通过分析降雨不同持时坡体内部孔隙水压力的变化规律,揭示降雨入渗机理.结果表明,随降雨时长增加,滑坡土体由非饱和状态向饱和状态过渡,坡体孔隙水压力不断增加,水位线不断向上抬升.稳定性分析结果表明,降雨持续时间越长,滑坡稳定系数越低,降雨开始前滑坡稳定系数为1.005,滑坡处于蠕动变形阶段,与现状滑坡体上裂缝发生发展相符合;雨强120 mm/d持续降雨48 h时稳定系数为0.978,滑坡为不稳定状态;降雨持续2.5 h时,滑坡由欠稳定状态转为不稳定状态,由蠕动变形阶段进入滑动阶段,反映了滑坡稳定状态对降雨极为敏感.     

干湿循环对炭质泥岩蠕变及损伤特性的影响

为揭示炭质泥岩库岸边坡的时效变形和损伤特性,对经历不同干湿循环次数的炭质泥岩试样进行低场核磁共振和三轴压缩流变试验,研究炭质泥岩孔隙演化特征和蠕变特性;在此基础上,基于损伤理论和Lemaitre应变等效原理,建立考虑干湿循环、轴压和时间因素耦合影响的蠕变损伤方程 . 结果表明：随干湿循环次数增加,炭质泥岩孔隙率增加,孔隙结构由小孔隙向大孔隙演变,瞬时应变和蠕变量增大 . 建立的损伤方程能较好地表征干湿循环次数、轴压和时间对炭质泥岩损伤演化的影响;随干湿循环次数增加,炭质泥岩损伤增大,损伤时间效应增强;轴压增大,损伤增长的速率加快,加速损伤的持续时间增长.     

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.     

土水特征曲线的一个滞回模型

分析土水特征曲线滞回模型在非饱和土计算,尤其在非饱和土干湿循环过程计算中的作用.介绍Li的滞回模型并指出该模型存在扫描曲线易于出界的不足.基于Li建模的思路,建立一种新的预测模型,并对其进行修正.修正后的模型可以解决Li滞回模型中存在的问题.通过与试验结果比较,发现该修正模型得出的扫描曲线与试验点吻合较好.     

PS对非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响

采用扫描电镜测试PS加固前后黏土微观结构的变化,研究黏土矿物、孔隙结构和土体收缩特性3种因素对加固以后非饱和重塑黏土的土-水特征曲线的影响.研究结果表明:PS与土颗粒的反应是非常复杂的物理化学反应,在反应中大量的黏土矿物被消耗,形成一种较致密的结构,力学强度提高,同时,孔隙壁变得光滑、平直,土颗粒磨圆度增大,膨胀性降低,这些因素导致非饱和黏土的土-水特征曲线发生明显变化;PS加固后饱和含水率和残余含水率都有一定程度下降,进气值较高,斜率变陡,下降速度快.Van Genuchten模型(即VG模型)对PS作用前、后的土-水特征曲线的拟合效果较好.研究结果证明PS材料加固土遗址的良好性能.     

人工填筑路基土体水分运动参数的试验

以低液限粘土和粉土为研究对象,采用滤纸法确定其土体水分特征曲线,应用Van Genuchten模型对土体水分特征曲线进行拟合;利用水分迁移测试系统测试土体含水体积分数时变曲线;基于达西定律,结合土体水分特征曲线和土体含水体积分数时变曲线,提出确定导水率及扩散率的方法。研究结果表明:应用滤纸法和水分迁移测试系统确定土体导水率及扩散率简单、方便;Van Genuchten模型拟合土体水分特征曲线效果能达到工程应用要求。     

基于SFG模型的非饱和沉积土本构模型

为使修正后的模型能够更好地反映非饱和沉积土的持水和力学性质,对SFG (ShengFredlund-Gens)模型进行修正.用平均骨架应力代替净应力作应力状态变量,考虑饱和度对非饱和土变形的影响.通过分析泥浆固结土(沉积土)在等吸力条件下等向压缩和三轴压缩试验数据,得出饱和度和孔隙比的关系,并把变形考虑到持水曲线模型中.由修正后的体变方程以及持水曲线方程推导出加载湿陷屈服面方程,在修正剑桥模型基础上推导出三轴应力状态下的本构方程,并采用能统一描述剪缩剪胀性的硬化参数.基于同一模型参数,模型可以统一预测吸力控制下各向等压和三轴剪切路径下非饱和沉积土的持水和力学特性.     

颗粒级配及竖向应力对崩岗区土壤土-水特征曲线的影响

采用GEO-Experts应力相关的土-水特征曲线压力仪对崩岗侵蚀区重塑土进行了土-水特征曲线试验,分析颗粒级配和竖向应力对土-水特征曲线的影响.通过施加竖向应力(0 kPa、50kPa、100 kPa、200 kPa)来模拟不同颗粒级配的土壤在受力状态下的土-水特征曲线.在无竖向应力时,不同颗粒级配土样的土-水特征曲线差别不大,但在有竖向应力时,不同颗粒级配土样的土-水特征曲线差别变大,且呈随竖向应力增大而增大的趋势.在低基质吸力区竖向应力对土-水特征曲线的影响更大,而在高基质吸力区则影响更小.利用Van Genuchten模型、FredlundXing模型和Gardner模型对实测数据进行拟合,获得了它们的土-水特征曲线参数,竖向应力越大,a值越小,空气进入值越大.通过三种模型的拟合结果对比可知,Van Genuchten模型可以很好地描述和预测崩岗侵蚀区非饱和花岗岩残积土的土-水特征曲线.     

干湿循环作用下预崩解炭质泥岩强度特性及其劣化机制

为明确干湿循环对预崩解炭质泥岩强度特性和微观结构的影响,通过三轴剪切、扫描电镜试验,分析其强度特性和微观结构参数随干湿循环次数的变化规律,并结合强度指标和微观结构参数之间的联系,揭示预崩解炭质泥岩强度劣化机制。研究结果表明：6次干湿循环后,预崩解炭质泥岩黏聚力和内摩擦角降幅分别达60.10%和8.83%;随干湿循环次数增加,圆形小孔的数量始终最高且呈增大趋势,平均面积最大为0.010μm²,同时,部分发育汇集成细长形大孔,平均面积最小为0.626μm²;颗粒定向频率F_i(α)整体经历均匀分布、大区间局部优先分布、小区间局部优先分布3个阶段;颗粒定向概率熵、三轴几何平均径降幅分别为4.95%、24.27%;黏聚力主要受小孔、大孔面积影响;内摩擦角主要受颗粒的定向概率熵、三轴几何平均径影响;在干湿循环下,叠聚体反复胀缩,内部应力更加集中,孔隙不断发育,导致黏聚力显著降低;内摩擦角因颗粒定向化及破碎而降低;黏聚力和内摩擦角不同程度的衰减引起预崩解炭质泥岩强度降低。     

基于流固耦合特性的非饱和膨胀土变形仿真计算

在考虑膨胀土的非饱和土特性基础上,基于有效应力原理的单变量理论推导非饱和膨胀士弹塑性本构模型,选用适用的土-水特征曲线方程和非饱和土渗透系数方程,根据流崮耦合力学的理论与方法,将膨胀土吸水膨胀或失水收缩过程视为一个动态耦合作用过程,建立渗流-变形耦合分析模型.该模型考虑流固耦合作用引起的孔隙比和渗透系数变化(包括有效应力的影响),并根据边界孔隙水压(或基质吸力)的变化模拟膨胀土体的吸水和失水过程.通过对膨胀土样室内有荷膨胀试验的渗流、变形过程的仿真模拟验证仿真计算模型的有效性和正确性.研究结果表明:采用该仿真计算模型对膨胀土的变形(膨胀或收缩)进行计算和预测可取得较好结果.     

植被根系含量对膨胀土持水和渗透特性的影响

为探究植被根系含量对膨胀土持水和渗透特性的影响规律,选取南宁市膨胀土地区的膨胀土,掺入狗牙根根系制备不同含根率的试样,进行室内压力板仪试验和变水头渗透试验,采用Van Genuchten-Mualem模型预测不同含根率的膨胀土非饱和渗透系数。结果表明:掺入根系后膨胀土持水能力减弱,根系掺入增加膨胀土内部大孔隙的比例,含根率越高,大孔隙体积占总孔隙体积比例越大,持水能力相较于纯土下降的幅度越大;饱和状态下,膨胀土渗透系数随含根率增大而增大;非饱和状态下,低吸力阶段（0～25 kPa）的膨胀土渗透性随含根率的增大而增大,随着基质吸力增加到高吸力阶段（200～1 000 kPa）,根系优势流效果减弱,含根膨胀土渗透性逐渐趋近低于纯土;细观结果表明根系的掺入使膨胀土内部产生贯通裂缝,是影响膨胀土持水和渗透能力的关键因素。本研究进一步揭示植被根系对膨胀土增渗作用的机理和规律,为综合评价植被防护膨胀土边坡效果提供参考。     

竖向应力及干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线是描述非饱和土水力特性的重要参数之一。本文利用非饱和土固结仪对2组5个压实非饱和黄土试样进行土-水特征试验,研究了不同的竖向应力和干湿循环对压实非饱和黄土土-水特征曲线的影响。试验表明,随着竖向应力的增大,压实黄土的进气值和脱湿率逐渐增大;在一个干湿循环中,同一基质吸力下脱湿曲线所对应的含水率大于增湿曲线所对应的含水率,脱湿率大于增湿率;第2次干湿循环所产生的滞回圈大小小于第1次干湿循环;滞回圈大小随竖向应力的变化而变化。     

考虑荷载与浸水条件的预崩解炭质泥岩变形试验

为研究荷载与浸水条件下预崩解炭质泥岩变形特性,研发一套可综合考虑压实度、含水率、竖向荷载、浸水时间及循环次数等因素的湿化变形试验装置,并设计相应试验方案,开展荷载与浸水条件下预崩解炭质泥岩变形特性试验。研究结果表明:在加载初期和首次浸水时,预崩解炭质泥岩产生较大竖向变形,分别为压缩变形和湿化变形,湿化变形量比压缩变形量大25.7%;各因素对预崩解炭质泥岩竖向变形影响的主次顺序(从主至次)依次为竖向荷载→循环次数→浸水时间→压实度→含水率,且竖向变形与荷载呈正相关关系,对试样进行浸水循环会大大增加湿化变形;得到预崩解炭质泥岩最大竖向变形与各因素的函数关系式,可为建立炭质泥岩湿化变形计算理论及工程实践提供参考依据。     

干湿循环作用下陕北Q2黄土强度及水土特性试验研究

为研究不同干湿循环次数下陕北Q2黄土水土特性及其强度的变化规律,利用真空饱和仪制备不同干湿循环次数的土样,采用直剪试验、滤纸法测定其非饱和抗剪强度参数及土水特征参数。研究表明：随着干湿循环次数的增加,陕北Q2黄土的脱湿速率与进气值不断减小,持水能力逐渐增强,且脱湿速率与进气值降低速率逐渐减小,第二次脱湿时最大脱湿速率降幅约30%,进气值约降低1/3;剪应力-剪切位移曲线峰值越发明显,应变软化特性逐渐增强;得到土水特征参数、非饱和抗剪强度参数随干湿循环次数变化的预测拟合公式,且较为精确的预测了第4次干湿循环次数下土样的土水特征参数。     

基于正态分布的土水特征曲线独立域滞后模型

首先对非饱和土土水特征曲线滞后现象的产生机理与影响因素进行了探讨,总结并分析了各类滞后模型的原理和优劣.在此基础上引入研究土水特征曲线滞后现象的独立域模型理论,根据非饱和土干湿循环过程各个阶段的特点,分别建立了干燥/浸湿边界曲线、干燥/浸湿扫描线的积分方案.然后假定水量分布函数在整体域上符合正态分布,建立了基于正态分布的土水特征曲线独立域滞后模型,并提出了相关的修正方法.最后将该方法应用到已有试验数据的分析中.研究结果表明,该方法可较好反映非饱和土土水特征曲线的滞后现象,根据具体的干湿过程改变积分路径,即可实现扫描线的解算.     

制样方法和干湿循环对粉质黏土土-水特征曲线影响

基于压力板仪实测了粉质黏土击实试样和泥浆固结试样的脱湿土-水特征曲线(SWCC)以及泥浆固结试样在经历不同次数干湿循环后的SWCC,研究了制样方法和干湿循环对SWCC的影响;同时利用扫描电镜观测了泥浆固结试样干湿循环前后的微观结构特征.试验结果表明:泥浆固结三轴试样的SWCC位于三轴击实试样的上部;干湿循环使得试样的SWCC左移,泥浆固结试样的SWCC在经历2~3次干湿循环后趋于稳定.Van Genuchten模型能够很好地拟合不同干湿循环次数下的实测脱湿SWCC,其参数随干湿循环次数的变化规律可用指数函数进行描述.     

非饱和土的渗透性函数试验研究

非饱和土渗透系数同时受到土的孔隙比和饱和度变化的强烈影响,不能假定为常数,它是体积含水量的函数,也遵从达西定律规律。本文通过体积压力板仪绘制非饱和土土-水特征曲线目,得到体积含水量的最大值和最小值,然后根据Marshall和Kunze．的修正公式推求非饱和土的渗透系数。