邯郸非饱和膨胀土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对物理性质不同的4种非饱和膨胀土体结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某一定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明影响,称此基质吸力为缩限吸力。并且不同性质土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试验的饱和度减小到85%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

非饱和重塑土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对砂土、粉土、黏土和软土4种不同类型土体,结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某特定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明显影响,称此基质吸力为缩限吸力。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段3个阶段。并且不同类型土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试样的饱和度减小到90%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

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。     

荆门非饱和压实膨胀土的吸力特征及其本构方程

 吸力与非饱和土的力学性状密切相关,为探讨非饱和膨胀土吸力变化规律,以滤纸法为研究手段,测定6种不同压实度与13种不同重力含水率组合条件下荆门弱膨胀土的总吸力与基质吸力。试验基本覆盖该膨胀土持水状态与密实状态的可能变动范围。研究表明：土体持水状态与密实状态均对压实膨胀土吸力影响显著。相同密实状态下,吸力随持水程度的增大而降低,且变动幅度较大。相同持水状态下,吸力随密实程度的增大而增大。密实度小的试样吸力变化幅度大,密实度大的试样吸力变化相对平缓。在明确吸力变化规律的基础上,构建吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程,数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述压实膨胀土在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。     

脱湿路径下考虑干湿循环和体变影响的膨胀土土水特征

为了研究干湿循环和体积变化对膨胀土土水特征曲线的影响,利用改进的非饱和土真三轴仪,对经历不同干湿循环后的弱膨胀土进行脱湿试验,测得每级脱湿稳定后的质量含水率和孔隙比。试验结果表明：干湿循环次数越大,饱和后的孔隙比越大,而脱湿后的孔隙比越小。干湿循环后膨胀土的含水率和孔隙比随着吸力的增大而减小;在基质吸力的增大作用下,质量含水率–吸力关系曲线、饱和度–吸力关系曲线出现交叉现象,孔隙比–吸力关系曲线出现交叉聚拢现象;干湿循环次数越大,脱湿完成后膨胀土的体积含水率和饱和度越小,体现了干湿循环后膨胀土的土水特征与体变特性的耦合效应。以Fredlund-Xing模型为基础,构建以质量含水率表达的考虑干湿循环影响的SWCC方程,再建立考虑干湿循环影响的膨胀土的体变方程,最后得出以饱和度表达的考虑干湿循环和体积变化影响的SWCC方程,这3个模型均能够很好地描述不同干湿循环后膨胀土的质量含水率、孔隙比和饱和度的变化规律。     

非饱和膨胀土裂隙开展深度影响因素研究

 膨胀土的裂隙性是膨胀土区别于其他土类的重要特征之一,裂隙的存在严重影响着膨胀土体的工程特性。对非饱和膨胀土体的张拉裂隙开展深度进行研究,得出同时考虑非饱和膨胀土体有效黏聚力和内摩擦角的裂隙开展深度的线弹性理论关系式,并采用有效黏聚力折减系数来反映有效黏聚力在诸多因素影响下的折减效果,进一步推导出地表基质吸力开裂值的表达式和膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度表达式。研究结果表明,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度与土体的有效黏聚力、内摩擦角、泊松比、地表基质吸力、地下水位深度以及有效黏聚力折减系数有着密切的关系,但影响程度相对不同;地表基质吸力只有达到地表基质吸力开裂值以后,膨胀土体才会由于基质吸力的作用而产生表面开裂,地表基质吸力开裂值可以作为膨胀土体地表开裂的理论判据之一;当地下水位深度趋于无限大时,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度会达到一个极限值,此极限值可作为膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度值。     

高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。     

干湿循环对非饱和土力学性质影响研究

自然界和工程中大多为非饱和土,非饱和土是气态、液态、固态三相互相影响、互相耦合的混合体,特别是气相与液相交接面处的气-液二相水膜具有表面张力,宏观上表现为毛细作用,在微观力学分析中具有不可忽略的作用。文章采用非饱和土三轴仪在降水渗流-蒸发固结循环下进行多次压缩试验,研究了反复干湿循环对非饱和土力学性质的影响。试验成果表明:①干湿循环使非饱和土的SWCC值产生不可逆转的变化,在蒸发固结的脱湿路径中,单位体积含水率相同的条件下,由于RDW1土样内部钙质、矿物质及盐分等溶解、流失导致化学场变化而引起主体结构发生了某些变化,土壤内的孔隙度增加,因此RDW1较型RC1受到更显著的影响,力学参数指标明显下降;②基质吸力在0kPa-1kPa时,孔隙比变化平缓;随着基质吸力的进一步加大且超过一定阈值,试样达到屈服点,以致土体内部结构疲劳,非饱和土样的固结收缩特性发生了不可逆转的变化,在土样到达屈服极限之前各项收缩指数增加,随着基质吸力增加孔隙比均不再变化,孔隙收缩的尺寸效应不甚明显;③经过多次降水渗流-蒸发固结循环后,剪切破坏产生明显剪切滑裂面,土体力学性质降低,抗剪强度参数降低,其中剪应力减少约5%,内摩擦角下降10%。     

非饱和土的基质吸力和张力吸力

首先在既往关于非饱和土分类方法的基础上,根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态,将双开敞非饱和土进一步细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。然后基于热力学原理,提出了另外一个与基质吸力紧密相关而又不同的吸力概念-张力吸力。通过基于水封闭非饱和土的理论计算,得出了张力吸力与基质吸力之间的定量关系,同时利用作者们所提出的等效吸力概念,对比了由基质吸力、张力吸力所产生的等效吸力,从而一方面揭示了张力吸力在非饱和土力学中的重要性,另一方面论证了等效吸力概念的科学性与实用性。     

土体干缩裂隙的形成发育过程及机理

土体干缩开裂(龟裂)是一种常见的自然现象,龟裂的产生会破坏土体的完整性,极大地弱化土体的工程性质。基于室内试验结果,发现龟裂发育过程可分为3个典型阶段,具有很强的时序特征,且新生裂隙一般垂直已有裂隙生长。根据水土相互作用原理和基本土力学理论,建立了土体龟裂概念模型,对实验室和自然界中观测到的相关龟裂现象及其机理进行了分析,得到如下主要结论:(1)土体中存在收缩变形空间是龟裂发育的前提,主要与土质条件有关;(2)龟裂是土体发生张拉破坏的表现形式,孔隙水的表面张力及干燥过程中引起的基质吸力(毛细水作用力)会在土体中形成张拉应力场,这是导致龟裂的主要力学诱因;(3)当张拉应力场的大小超过土体的抗拉强度或土颗粒间的联接强度时,裂隙便会产生,导致局部区域积聚的应变能释放,应力场重新调整。从宏观上看,基质吸力和抗拉强度是控制龟裂发育的两个关键力学指标,但从微观上看,土体材料尤其是结构的非均质性对裂隙发育过程和裂隙网络的几何形态特征均有重要影响。通常情况下,大部分裂隙都是在饱和阶段产生,且裂隙产生时对应的临界含水率有可能高于液限;土体表面上的"杂点"易导致应力集中,裂隙往往率先在"杂点"处产生;(4)受表面和裂隙面张拉应力场的共同作用,表层土体边缘会发生向上卷曲变形,产生"煎饼效应"。此外,土体在收缩过程中还存在收缩核现象。     

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。     

基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型及影响因素分析

含水率变化时膨胀土湿胀干缩引起裂隙开展,裂隙的形态特征影响着膨胀土强度、渗透及变形性能。基于弹性力学理论,采用湿变量代替基质吸力来研究膨胀土的应力和变形特性,推导考虑湿变量的膨胀土湿变应力解析解;结合静力平衡条件和饱和土抗剪强度理论,建立基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型,获得脱湿条件下膨胀土初始裂隙深度、间距和宽度的定量表达式;通过裂隙开展试验结果与模型计算结果对比分析,验证模型的合理性;最后对裂隙间距和宽度与土体弹性模量、收缩系数、湿变分布系数和凝聚力的关系进行了敏感性分析。     

Behavior and characteristics of compacted expansive unsaturated bentonite-sand mixture

Limited studies dealt with the expansive unsaturated soils in the case of large-scale model close to the field conditions and therefore,there is much more room for improvement.In this study,expansive(bentonite-sand(B-S) mixture) and non-expansive(kaolin) soils were tested in different water contents and dry unit weights chosen from the compaction curve to examine the effect of water content change on soil properties(swelling pressure,expansion indices,shear strength(soil cohesion) and soil suction)for the small soil samples.Large-scale model was also used to show the effect of water content change on different relations(swelling and suction with elapsed time).The study reveals that the initial soil conditions(water content and dry unit weight) affect the soil cohesion,suction and swelling,where all these parameters slightly decrease with the increase in soil water content especially on the wet side of optimum water content.The settlement of each soil at failure increases with the increase in soil degrees of saturation since the matric suction reduces the soil ability to deform.The settlement observed in B-S mixture is higher than that in kaolin due to the effect of higher swelling observed in B-S mixture and the huge amount of water absorbed which transformed the soil to highly compressible soil.The matric suction seems to decrease with elapsed time from top to bottom of tensiometers due to the effect of water flowing from top of the specimen.The tensiometer reading at first of the saturation process is lower than that at later period of saturation(for soil sample B-S3,the tensiometer #1 took 3 d to drop from 93 kPa to 80 kPa at early stage,while the same tensiometer took 2 d to drop from 60 kPa to 20 kPa).     

膨胀土边坡的现场吸力量测

论述了膨胀土边坡现场吸力量测的方法和成果。研究认为,膨胀上边坡的基质吸力沿深度呈指数函数分布,且边坡中存在一个吸力“临界深度”,在此深度以上,基质吸力受土质、气候、温度等环境因素影响较大;在此深度以下至地下水位以上,吸力一般较小但并不为零。比较挖方和填方边坡的观测成果可知填方边坡的基质吸力比相同深度控方边坡的基质吸力大１～２倍,这主要是因为填方边坡密度、含水量均较低。根据实测吸力与含水量的关系,本文还绘制了现场土一水特征曲线。研究成果为非饱和土理论应用于实际工程探索了经验。     

滤纸法测定南阳中膨胀土土水特征曲线试验研究

介绍了滤纸法量测非饱和土吸力的工作原理,以及滤纸接触法量测土体基质吸力和非接触法量测土体总吸力的试验方法和注意事项。利用NaCl盐溶液法建立了国产“双圈”No.203型滤纸的总吸力率定曲线,得到了总吸力率定曲线的双线性表达式。分析了“双圈”No.203型滤纸的总吸力率定曲线和王钊等率定得到的基质吸力率定曲线的关系特性。应用滤纸法分别测试了不同含水率下南阳中膨胀压实土的总吸力和基质吸力值,分别给出了含水率介于16~30%之间的南阳中膨胀压实土的总吸力和基质吸力土水特征曲线。     

膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析

膨胀土在膨胀过程中会产生膨胀应力,收缩过程中亦会产生收缩应力。探究膨胀土在干燥过程中收缩应力的变化规律对理解收缩变形机制有重要意义。为了掌握膨胀土在干燥过程中内部收缩应力与含水率及吸力之间的关系,在控制相对湿度条件下开展了一系列干燥试验。试验中共配置了3组初始饱和的泥浆样,将试样分别置于装有不同过饱和盐溶液的保湿器中,并在恒温20℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率的变化。此外,在试验过程中,通过在试样内部植入微型压力传感器来测定土体收缩应力随干燥时间的变化。试验结果表明:①在不同相对湿度条件下,土体内水分蒸发特性不同,如相对湿度越小,土体水分蒸发的越快,且蒸发结束后,土体残余含水率越低;②干燥过程中,土体内收缩应力呈现明显的阶段性变化特征。干燥前期,收缩应力随时间的推移增加缓慢,但当达到临界时间点ts或临界含水率ws以后,收缩应力随着干燥的持续开始急剧增加,并且蒸发速率越大,ts和ws越小;③干燥结束后,土体内部收缩应力与环境相对湿度呈负相关,与对应吸力呈正相关。