红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。     

全风化泥岩持水特性研究及其预测

以全风化泥岩为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内压实样的脱湿阶段持水特性;压汞试验测试土样的孔径分布,来解释宏观持水现象,并用此分布曲线推算持水曲线;利用瞬态吸湿脱湿系统(TRIM)快速测量土水特征曲线;以BrooksCorey、Van Genuchte和FredlundXing模型为基础进行预测,比较了拟合结果。试验结果表明:全风化泥岩压实样的进气值约为75 k Pa;与经典的持水曲线不同,过度段不是一条直线,中间出现了水平台阶状。基于瞬态理论的TRIM测试方法可以较好地对持水性进行预测。此外,饱和样为单峰孔隙结构,经受过吸力38 MPa的土样为双峰孔隙结构;饱和样孔隙的孔径主要集中在102~103 nm左右,随着吸力的增加,这个孔径范围的孔隙量减少最大。Van Genuchte和FredlundXing模型拟合曲线能很好地与试验数据吻合;其它预测持水曲线在很干和近饱和的状态与试验数据有一定的偏差。     

高吸力下广西重塑红黏土吸力与含水率关系试验研究

吸力对非饱和土的性质有着重要的影响,探讨吸力与非饱和红黏土含水率之间的关系可以有效地服务地方经济。用蒸汽平衡法研究了高吸力段(3~368 MPa)广西贺州红黏土持水特性。研究表明,质量含水率或者饱和度随着控制吸力的增加而减小,随着吸力的降低而增大;本组试验在控制吸力值为21.82 MPa时,曲线存在突变点,此时试样吸排水速率发生比较大的变化;脱湿曲线与吸湿曲线间存在滞回效应,吸力值小于突变点的时候,滞回现象明显。不同初始含水率的土样对应的吸力与含水率间关系曲线基本重合,而吸力与饱和度间关系曲线则不重合,主要与含水率的变化和土体的胀缩变形不成正比有关,孔隙比和吸力间的关系曲线也进一步说明了这一点,因此分析红黏土土水特征时要根据实际情况选用坐标变量。所获结果为当地边坡土体持水特性分析提供了基础数据,有助于该地区工程实践的防灾减灾。     

弱胶结结构性软黏土力学特性的试验研究

对取自不同地区的两种弱胶结结构性软黏土原状(undisturbed)样、重塑(remolded)样和泥浆(reconstituted)样进行了单向压缩和三轴剪切试验,分别得到土样的压缩曲线和应力–应变曲线。试验结果表明:原状样的压缩曲线为陡降型曲线,而不同制样土样的压缩曲线存在明显的差异;由于孔隙比和孔径分布对土体抗剪强度的综合影响,不仅导致相同围压下三轴剪切时孔隙比不同的重塑样和原状样强度差异较大,且孔隙比相近的不同土样的强度也存在不同程度的差异;若同一孔隙比下,两种软黏土的不同制样土样的强度关系均为原状样的强度最高,重塑样的强度最低,并可通过相近孔隙比下孔径大于0.2μm的孔隙体积量和孔径分布均匀性可合理地解释3种制样土样强度高低的关系。由于不同制样土样的孔径分布的差异不会随固结压力的增大而消失,用参考孔隙比e_(10)~*,简单表示土的孔隙比和孔径分布(即组构)参数,对压缩和剪切试验结果进行归一化整理后,发现不同土样的试验结果可归一化为相关度高的e/e_(10)~*-σv曲线和e_f/e_(10)~*-qf曲线,证明结构屈服应力后,不同土样变形和强度差异主要是由孔隙比及孔径分布(即组构)的不同引起的,用参考孔隙比e_(10)~*简单表示土的组构参数是有效的。     

全吸力范围红黏土干湿循环土–水特征曲线

采用轴平移法、滤纸法以及饱和盐溶液蒸汽平衡法3种方法相结合,对单峰(泥浆土)和双峰(压实土)孔隙结构的重塑红黏土土样进行了一系列室内试验,研究了全吸力范围内(0～286.7 MPa)孔隙结构和初始孔隙比对土–水特征曲线(SWCC)的影响,分析了干湿循环下两种土的滞回性及体积变化规律。试验结果表明:不论泥浆土还是压实土,初始孔隙比对SWCC的影响均主要体现在低吸力阶段;孔隙结构对SWCC影响显著,压实土和泥浆土的SWCC分别呈现"双台阶"和"单台阶"特征;初始孔隙比相同时,泥浆土的进气值更大,持水性能更好;干湿循环下压实土的滞回性明显小于泥浆土,但泥浆土的体变更大。     

人工冻融软黏土微观孔隙变化及分形特性分析

为探讨软黏土融沉及压缩特性的微观机理,以宁波地区软黏土为研究对象,采用冻融、压缩和压汞试验,对冻融和压缩前后的软黏土微观孔隙分布及变化进行了研究。取原状土、融土、压缩原状土、压缩融土4种土样分别进行压汞试验,提出孔径划分方法,结合分形理论对冻融软黏土微观孔隙变化进行分析,研究了软黏土的孔隙分布特征,并采用容量维数对孔体积分布和孔表面积分布进行计算,分析了冻融及压缩前后颗粒接触及孔隙变化。研究结果表明:软黏土冻融后孔体积和孔表面积均增大;原状土和融土压缩后孔体积和孔表面积均减小,软黏土的孔体积和孔表面积80%以上分布于微孔和超微孔中;软黏土冻融及压缩前后孔体积和孔表面积存在分形特性。     

红黏土在原状及重塑状态下的力学性质试验研究

土的结构性是土中颗粒或颗粒集合体及孔隙之间的大小、形状、排列组合及联结等综合特征。不同围压下固结不排水三轴压缩试验表明,贵阳原状和重塑红黏土应力应变曲线、有效应力路径、抗剪强度指标、破坏形态等宏观力学行为明显不同。考虑红黏土结构性,通过SEM电镜扫描测试,指出红黏土矿物颗粒单元间接触和联结状态,对比分析原状和重塑土样在颗粒形态、孔隙结构与分布等微观差异,研究结构性红黏土宏观强度与变形特性的细微观机理。研究成果对于正确认识红黏土的结构性具有重要作用,可为结构性红黏土工程设计与施工提供理论依据和技术指导。     

高温后上海软黏土的土-水特性及微观机理试验研究

土-水特征曲线(SWCC)是揭示非饱和土性状的主要本构关系,但对于100℃以上高温环境下软黏土的土-水特性研究很少。针对上海软黏土的常温(20℃)土样和105℃,150℃和200℃等高温加热4 h后的土样,采用气相法研究了高温作用后上海软黏土的土-水特征曲线随温度的变化,同时,通过扫描电镜(SEM)试验研究了高温后软黏土的土-水特性随温度变化的微观机理。试验结果表明100℃以上高温环境下上海软黏土的土-水特征曲线随温度升高呈逐渐下降趋势,说明随温度升高软黏土的持水能力下降,吸力降低,进气值减小。分析各温度下土样的SEM图像发现,土的总孔隙数量减少,但少量孔隙的孔径增大,从微观特征上说明了土-水特性随温度升高的变化趋势和变化机理。说明,孔隙数量和孔隙结构随温度升高发生的变化是导致软黏土的土-水特性随温度升高而变化的根本原因。     

关于持水特性曲线研究的几个问题

对持水特性当前的研究中存在的3个问题进行了分析讨论，指出持水特性是非饱和土的本构关系之一，它不能代替其他本构关系；用研究本构关系的观点、理论和方法探索持水特性可提升研究水平；不同类别、不同地区土的持水特性曲线形态差异很大，用现有文献中的任一经验公式都难以描述，用试验方法确定具体对象的持水特性曲线是有效可靠途径；通过改进测试吸力技术和试验方法可以显著缩短测定持水特性曲线的历时；工程中经常遇到的填土、黄土、膨胀土、红黏土等在工作环境下的实际吸力不超过1500k Pa，而对土的变形和强度影响比较显著的吸力范围就更窄，没有必要花费很长的时间去测定全吸力范围的完整持水特性曲线。     

非饱和Q_3原状黄土及其重塑土的持水特性研究

为研究黄土结构性变化对其持水特性的影响规律,以兰州和平镇非饱和Q3原状黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和四联固结仪和压力板仪,对28个环刀试样进行了施加竖向应力和吸力的固结排水试验,以获取原状黄土和重塑黄土的土—水特征曲线。研究结果表明:固结试验中,竖向应力对黄土的持水特性有着明显影响。在同一竖向应力和吸力作用下,重塑土的固结排水要大于原状土;原状黄土的进气值和残余含水率均要略高于重塑土;吸力在20~80k Pa范围内,随着吸力的增大,原状土饱和度的减小趋势要强于重塑土;在吸力80~1000k Pa范围内,在同一吸力条件下,原状土饱和度要大于重塑土。低吸力作用下,原状黄土特殊结构有利于其排水;而高吸力作用下,对于原状黄土,其大孔隙和竖向孔洞中气体抑制水分排出,使得原状土排水减小,重塑土的排水增大。通过分析原状黄土和重塑黄土持水特性的差异,可为黄土结构性的研究提供一种新思路。     

平行试样土水特征曲线及其力学性质的试验研究

基于压力板仪对相同制样参数的8个三轴试样进行SWCC试验,对比试样土水特征曲线的差异,并对试验完成后的7个有效三轴试样进行无侧限抗压强度试验。通过对比研究剪切力与剪切位移关系、峰值强度与饱和度关系等内容,对试样的力学性质进行研究,并通过饱和度时程曲线对其结果进一步分析。研究结果表明:即便是相同条件制备的试样,其SWCC之间也会存在差异性,并与一定基质吸力范围相对应,但随着基质吸力增大,SWCC趋于一致;在SWCC试验后,由于高基质吸力下试样的平衡饱和度差异极小,试样的峰值强度与平衡饱和度没有必然联系;在一定基质吸力范围内,饱和度时程曲线相近的试样,最终的力学特性也相近,考虑这一基质吸力范围对应的孔隙在试样中占主导地位,因此这段时程曲线可以为试样均一性的研究提供一定思路。     

考虑孔隙比和水力路径影响的非饱和土土水特性研究

以非膨胀性黏土为试验研究的对象,利用压力板法研究了初始孔隙比对不同水力路径下非饱和压实土土水特性的影响。试验结果表明,不同初始孔隙比土水特征曲线均存在明显的滞洄现象;当吸力大于某一值时,以含水率与吸力关系表示的话,不同初始孔隙比主脱湿土水曲线几乎重叠;以饱和度与吸力关系表示,初始孔隙比对土水特征曲线存在较大的影响。还提出归一化处理全吸力范围内不同初始孔隙比土水特征曲线的方法。最后,在归一化的处理方法基础上,提出了考虑初始孔隙比影响的非饱和土滞洄特性的模拟方法,并利用相关实测数据加以验证。     

脱湿路径下重塑膨胀土的体变修正与土水特征

采用南水北调中线工程河南南阳试验段重塑中膨胀土为试验土样,完成了5种不同初始干密度试样的脱湿试验和平行收缩试验,推导给出了更为合理的体积修正公式。试验结果表明,膨胀土脱湿路径下的体积收缩对其土水特征曲线（SWCC）影响较大,同一基质吸力状态下,体积修正后的试样饱和度/体积含水率明显高于修正前的饱和度/体积含水率,在吸力越高的区域,差别越明显。以Fredlund-Xing模型和试验结果为基础,建立了能考虑膨胀土体积变化的SWCC模型,并结合前人的试验成果深入分析了初始孔隙比对模型参数的影响规律。最后探讨了反映含水率-吸力-孔隙比关系的土水特征曲面的特性,考虑膨胀土试样体变修正时,孔隙比与含水率之间的函数关系为一个三次多项式,而不是线性关系。     

黄土土水特征曲线试验研究

论文基于试验研究了兰州附近地区原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线。研究发现,原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线与Williams模型比较接近。研究数据的拟合表明,体积含水量和基质吸力之间存在对数函数关系。但是,相对与原状黄土,重塑黄土因不存在结构性影响,数据离散性更小,规律更显著。并且利用不同干密度的重塑试样进行了干密度对黄土土水特征曲线影响的研究,结果表明基质吸力随干密度的增加线性增长。     

填埋场内垃圾的持水特性和孔径分布研究

土-水特征曲线(SWCC)描述了含水率和基质吸力的关系,并在一定程度上反映了孔隙组成,然而生活垃圾具有大孔隙特性,采用常规的压力板仪试验难以准确获得大孔隙对应的低基质吸力范围内的数据点。通过压力板仪试验确定小孔隙对应的数据点,通过水分穿透试验,基于Poiseuille定律和Young-Laplace方程,对大孔隙对应的数据点进行补充,之后,基于Van Genuchten方程,提出具有双峰孔隙分布特征垃圾的SWCC模型,进一步分析得到垃圾的孔径分布规律。结果表明,改进的SWCC方程可更好反映垃圾持水特性及孔径特征;垃圾饱和含水率和残余含水率较高,浅层、中层、深层垃圾的田间持水率分别为38.5%,42.2%和45.8%,对应的基质吸力约为3~8 k Pa,随着埋深和龄期的增加,垃圾的有效含水率区间和给水度减小;以基质吸力1 k Pa对应的孔径为界限,垃圾中孔隙可分为大小两组,孔径概率密度呈双峰分布,随着埋深和龄期的增加,垃圾的大孔隙占比减小,大孔隙平均孔径减小,小孔隙占比增加,小孔隙平均孔径减小。     

Effects of Dry Density and Grain Size Distribution on Soil-Water Characteristic Curves of Sandy Soils

The soil-water characteristic curve (SWCC) of soil plays the key roll in unsaturated soil mechanics which is a relatively new field of study having wide applications particularly in Geotechnical and Geo-environmental Engineering. To encourage the geotechnical engineers to apply unsaturated soil mechanics theories in routine practice, numerical methods, based on the SWCC and saturated soil properties, have been developed to predict unsaturated permeability function and unsaturated shear strength properties which are expensive and time consuming to measure in laboratories. Further, several methods have been proposed to predict the SWCC in order to avoid difficulties in measuring the SWCC in laboratories. It is time consuming and it may require special techniques or apparatus to measure the SWCC in laboratories. However, it is important to have laboratory measured data of SWCCs to enhance and verify the proposed numerical methods. Hence, employing a Tempe pressure cell apparatus, the present study aims to investigate the effects of dry density and grain-size distribution on the SWCCs of sandy soils. Drying and wetting SWCCs were obtained for four sandy soils with different dry densities. The test data were best-fitted using the Fredlund and Xing (1994) equation and found that the fitting parameter, a, increases linearly with increasing the air-entry value of the SWCC and the fitting parameter, m, decreases with increasing the residual suction of the SWCC. The results revealed that soils with a low density have lower air-entry value and residual suction than soils with a high dry density. Further, the maximum slope of drying SWCC and hysteresis of drying and wetting SWCCs decrease with increasing density of soil. The air-entry value, residual suction, and hysteresis (the difference between the drying and wetting SWCCs) tends to decrease when the effective D₁₀ of the soil increases. A soil with uniform grain-size distribution (the steeper slope in grain-size distribution) has a less hysteresis and a greater slope of drying SWCC than those of a non-uniform soil.     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。