干湿循环对非饱和黄土渗透系数的影响研究

针对不同干密度的重塑非饱和黄土,利用GCTS压力仪研究非饱和黄土在干湿循环条件下的土－水特征曲线,选用van Genuchten模型拟合体积含水量与基质吸力的关系,结合Childs & Collis-Geroge模型预测黄土的非饱和渗透系数,进而分析干湿循环作用及干密度对非饱和渗透系数的影响。研究结果表明：试验地区非饱和黄土的土－水特征曲线拟合相关度高达0.97以上,有良好的适用性;黄土的非饱和渗透系数与干湿循环次数及干密度之间均符合指数函数关系;相同基质吸力条件下,干密度大的黄土非饱和渗透系数大,基质吸力较小时,干密度为1.74 g/cm³的黄土比干密度为1.56 g/cm³的黄土非饱和渗透系数大10²数量级;当干密度保持不变时,随着干湿循环次数的增加,渗透系数逐渐增大,其增幅随体积含水量的增大而增大,随基质吸力的增大而减小;当非饱和黄土试样的体积含水量接近残余含水量时,土体的渗透系数趋于稳定。     

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q₃黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明：原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θ_s、α、n变化幅度较小,而参数θ_r随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。     

砾石心墙土复杂应力耦合作用下的渗流特性

为研究土石坝中心墙土在复杂应力状态下的渗透特性以及其渗透性演变模型,利用自行研制的渗流-应力耦合试验装置,针对长河坝水电站砾石土进行多种应力耦合作用下渗透特性试验研究。结果表明:复杂应力状态对心墙土渗流特性影响显著;土样在设计水力梯度内渗流满足达西定律,且均未发生渗透破坏;在同一围压下,砾石土体的渗透系数随着偏应力和轴向应力的增大而逐渐减小;试验过程中轴向应变随应力作用时间的变化呈阶梯状,且随着偏应力的增大,渗透梯度和轴向应变也增大;建立了土体渗透系数与应力函数的经验公式,从理论上进一步揭示了砾石心墙土应力耦合作用下的渗透机制。     

饱和黄土三轴渗透试验

对饱和黄土进行了三轴渗透试验,结果表明:①饱和黄土的渗透系数随干密度的增大而减小,原状饱和黄土渗透系数大于重塑饱和黄土渗透系数,原状饱和黄土垂直渗透系数大于水平渗透系数;②饱和黄土的渗透系数随周围压力的增大而减小,在同一周围压力下原状饱和黄土渗透系数大于重塑饱和黄土渗透系数;③初始干密度越小,重塑饱和黄土水平渗透系数越小。     

非饱和砂土抗拉强度的试验研究

越来越多的岩土工程涉及到土体的抗拉强度问题,如土石坝心墙裂缝、地面开裂、水力劈裂等都是土体拉伸破坏的表现形式。为研究非饱和土的抗拉强度特性,对平卧式土体抗拉强度试验装置中侧壁倾角的设计值进行了理论推导,基于此分析对传统的土体抗拉强度试验装置进行了改进,并以非饱和细砂为研究对象,运用等速率单轴拉伸方法开展了不同干密度和含水率条件下的非饱和土抗拉强度试验研究,探讨了土体抗拉强度随干密度和含水率的变化规律,结果表明:非饱和细砂的抗拉强度随干密度的增大而增大,随含水率变化呈现"增-减-增"变化规律。     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗透函数

准确确定非饱和土的渗透系数非常重要,而湿度和密度均会对非饱和土的渗透系数产生较为复杂的影响,因此对于对水敏感的非饱和黄土,如何将湿度和密度的影响综合引入渗透函数中,就值得深入研究。基于此认识,利用非饱和土水气运动联合测试方法,对1.4~1.67g/cm3之间几种干密度的非饱和黄土试样进行不同增湿级数的浸水渗透试验,结果表明试样在一定干密度范围内,增湿级数对其渗水系数测定值的影响较小,最大测定值与最小测定值的差值在2倍左右。在此基础上,将不同干密度下渗透系数比与饱和度的关系曲线进行分析,提出了考虑湿度和密度的渗透函数,并通过试验验证了该函数在一定条件下的合理性。     

基于BP神经网络的重塑黄土冻融过程渗透特性研究

冻融循环导致黄土渗透特性的变化规律十分复杂,传统单一因素评价方法难以确定冻融过程黄土渗透系数与多因素之间的量化统计关系。基于此,首先对西安Q3重塑黄土进行冻融过程三轴渗透试验,得到不同干密度、含水率、围压及冻融次数下的渗透系数;然后采用BP神经网络算法对试验数据进行学习训练,建立各因素与渗透系数间的预测模型。研究结果表明:重塑黄土渗透系数变化规律,随围压增大,其值逐渐减小,且减小幅度先快后慢;随干密度和初始含水率增大,其值先增大后减小;随冻融次数增加,其值逐渐增大,且上升幅度先急后缓。冻融过程黄土渗透系数神经网络模型预测值和试验值之间相对误差较小,表明该方法具有较好的预测精度,能够综合描述诸因素与渗透系数的量化关系。     

水泥土渗透系数变化规律试验研究

为了深入探讨水泥土渗透系数的变化规律,采用室内试验研究方法,对不同干密度、水泥掺量和龄期的水泥土进行了室内渗透试验研究。结果表明:水泥土渗透系数与水泥土的干密度、水泥掺量、龄期密切相关;在干密度和龄期一定条件下,渗透系数随水泥掺量增大而增大;在标准击实功干密度和龄期一定条件下,渗透系数随水泥掺量增大而减小;在标准击实功干密度和水泥掺量一定条件下,渗透系数则随龄期的延长而减小。结论不仅对水泥土的渗透理论研究具有积极的探索意义,而且对采用水泥土施工或加固的岩土工程建设也具有一定的现实意义。     

不同酸度渗透溶液对重塑黄土渗透特性影响研究

通过对杨凌黄土进行三轴渗透试验和常规渗透试验,分析了不同干密度的重塑黄土分别在pH=7.0的无气纯水及pH=3.0, 4.0, 5.0的乙酸溶液渗透下渗透系数的变化规律,研究了黄土在含酸渗透水流作用下的劣化性质,为分析黄土在酸溶液渗透作用下强度变化以及黄土构筑物的稳定变化特性提供依据。试验结果表明：①饱和黄土的渗透系数随着干密度的增加而减小。②在一定的干密度下,黄土的渗透系数随围压的增大而减小。③饱和黄土在pH=3.0酸溶液短期渗透下的渗透系数最大,随着酸溶液pH值的增大,渗透系数随之减小,因为酸溶液中的氢离子溶解了黄土中的难溶盐形成了新的渗流通道;而纯水pH=7.0渗透下土样的渗透系数介于pH=3.0和pH=4.0渗透下土样的渗透系数之间,是因为纯水采用的是煮沸过的无气水,相比之下试验配置的酸溶液本身存在少量的气体,从而影响了渗透系数的大小。④渗透系数随时间的增加而出现减小的趋势。试样进行三轴渗透和常规渗透,得出渗透系数都有随时间的延长而减小的规律。     

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。     

非饱和黄土的动剪模量与阻尼比

本文对陕西杨凌地区的非饱和黄土在不同湿度条件下进行动扭剪试验，测定了非饱和黄土的动剪切模量和阻尼比。结果表明，非饱和黄土的动剪切模量随动剪应变的增加而减小，但减小的幅度愈来愈小；在其它条件相同时，最大动剪切模量随含水率的减小而增大，随固结应力的增大而增大；非饱和黄土的动剪切模量与黄土的结构状态及密实状态有关。在相同含水率、固结应力比和固结应力条件下，原状黄土的最大动剪切模量比重塑黄土的稍大，重塑黄土最大动剪切模量随试样干密度的增大而增大；非饱和黄土的阻尼比受含水率、固结应力比、周围压力、干密度等因素的影响，可以反映在其与动剪应变的关系上，在半对数坐标系中动剪切模量与动剪应变具有较为良好的线性关系。     

富水黄土隧洞加固方式对其力学响应的影响

依托某富水黄土隧洞,应用有限元分析软件对常水位作用不同工况下洞周围岩渗流场和位移场进行了模拟,对开挖过程中不同加固方式对洞周围岩的响应(渗流场、应力场和位移场)进行了研究。结果表明:洞周加固体的渗透性能对围岩的渗流路径、孔隙水压力和流速都有较大影响,对隧洞周围土体位移也有影响。在进行富水黄土隧洞注浆加固材料设计时,既要考虑材料的阻水效果,同时还要考虑加固体阻水后导致的土体孔隙水增加引起的土体抗剪强度的降低效应。     

向家坝水电站左岸近坝边坡抬升变形数值模拟

为深入认识向家坝水电站左岸近坝边坡的抬升变形现象,利用流固耦合数值试验研究了岩体的扩容变形机理,在此基础上采用流固耦合数值分析方法对向家坝水电站左岸近坝边坡的抬升变形过程进行了数值模拟,得到了近坝边坡抬升变形的空间分布,并对泄压孔泄压对抬升变形的控制效果进行了评价。结果表明:岩体扩容体积应变随岩体渗透系数增大而增大,随变形模量增大而减小,岩体初始应力对抬升变形的影响微弱;渗流场改变是引起近坝边坡抬升变形的直接诱因,边坡抬升变形是岩土体内渗流场和应力场相互作用的结果,采用流固耦合理论揭示近坝边坡的抬升变形机制是合理的;深层泄压孔可以有效控制近坝边坡的抬升变形量。