压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

侧限条件下增湿时湿陷性黄土的变形及持水特性

 用改装的非饱和土直剪仪在无应力及净竖向应力作用下对湿陷性黄土进行分级增湿试验,测量增湿过程中变形及吸力的变化,分析增湿前孔隙比(无应力时)及净竖向应力对增湿时湿陷性黄土的变形及持水特性的影响,探讨无应力与净竖向应力作用时增湿持水特性之间的关系,提出力水耦合作用下孔隙比与吸力关系的表达式及以饱和度与吸力关系表征的持水特性模型。研究结果表明：力水耦合作用下,孔隙比与归一化吸力关系可用对数函数来描述,可以用孔隙比的变化来反映净竖向应力对持水特性的影响。无应力及净竖向应力作用时,只要孔隙比相同,则饱和度与吸力间关系相同。吸力小于阈值时,增湿前孔隙比和力水耦合作用所致孔隙比的变化对含水率与吸力间关系皆有较大影响;大于阈值时,几乎没有影响,且可用同一幂函数描述,据此提出考虑孔隙比变化的修正V-G模型,该模型可以预测无应力及净竖向应力作用时湿陷性黄土的增湿持水特性,预测结果与试验结果吻合较好。     

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明:孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比(吸力与脱气值之比)关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。     

三轴剪切应力条件下非饱和原状黄土的土水特征

采用非饱和土三轴仪,对不同含水率的西安非饱和原状黄土在不同静围压下进行了常含水率三轴剪切试验。用轴平移技术量测了无应力和有应力条件下黄土的基质吸力,分析了不同含水率、不同静围压条件下偏应力变化对基质吸力的影响规律,提出了常含水率三轴剪切条件下非饱和原状黄土土水特征曲线的表达式。研究结果表明:含水率一定时,偏应力变化对非饱和原状黄土基质吸力的影响与含水率的大小有关,对于不同的净围压,含水率小于等于23%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后增大;含水率大于等于28%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后减小;不同的含水率与不同的净围压条件下,偏应力变化对基质吸力的影响较小。应力对原状黄土基质吸力的影响规律与应力路径有关。在偏应力变化(含水率一定)及含水率变化(干密度一定)所对应的2种饱和度变化条件下,2类黄土的基质吸力与饱和度关系具有不同的变化特性,含水率变化对应的饱和度变化明显比偏应力变化对应的饱和度变化对基质吸力的影响要大。净围压小于等于400kPa时,偏应力变化对饱和度与基质吸力关系的影响皆较大,对含水率与基质吸力关系的影响皆较小。不同静围压及偏应力作用下,原状黄土的土水特征皆可用无应力条件下呈对数函数的含水率与基质吸力关系来近似地描述。     

侧限压缩条件下非饱和原状黄土的土水特征

 用非饱和土固结仪对不同初始含水率的西安原状黄土进行常含水率压缩试验,最大净竖向应力为1 600 kPa,采用轴平移法测定有、无竖向应力条件下黄土的吸力,探讨侧限压缩条件下应力变化对原状黄土吸力特性的影响。结果表明：含水率一定时,净竖向应力变化对非饱和原状黄土的吸力状态有一定的影响,且影响规律随初始含水率而异,影响程度与应力及初始含水量的大小有关;较低净竖向应力(≤400 kPa)时,应力变化对不同初始含水率原状黄土吸力的影响皆很小;初始含水率大于塑限时,应力的影响较小,小于塑限时,其影响较大。在与应力及含水率相关的二种饱和度变化条件下,吸力与饱和度关系呈现出不同的变化特性。净竖向应力对土水特征曲线的影响与其大小有关,净竖向应力较大(＞400 kPa)时,其影响较大,净竖向应力较低(≤400 kPa)时,其影响很小。为了工程应用简便起见,较低净竖向应力(≤400 kPa)时,原状黄土的土水特征可用无应力条件下含水率与吸力关系来描述,较大净竖向应力(＞400 kPa)时,应分别确定,不同应力作用下的土水特征曲线可用幂函数来描述。     

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。     

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。     

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。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

等向应力下原状黄土的压缩及增湿变形特性研究

 用非饱和土三轴剪切渗透仪,在等向应力条件下对原状黄土进行增湿–加载,加载–增湿及加载–增湿–加载3个系列加载增湿路径试验,分析吸力对压缩变形和加载屈服特性的影响,探讨增湿时应力对变形及屈服特性的影响,通过对单线法及双线法的试验结果对比,确认原状黄土的增湿体积变形与加载增湿路径有关,加载及增湿屈服线不具有唯一性,进而提出等向应力条件下原状黄土的弹塑性体变模型。研究结果表明：吸力及应力分别对屈服前压缩及增湿变形特性指标几乎没有影响,而对屈服后的指标皆有明显的影响;单线法与双线法确定的增湿体积变形皆随应力的增大而先增大后减小,峰值点处应力与吸力丧失程度及加载增湿路径无关,且近似等于天然状态土样的初始屈服应力;增湿变形与加载增湿路径有关,单线法的值比双线法确定的值小,差值随增湿程度增大而减小,增湿至饱和时2种方法确定的湿陷变形近似相等。对于相同的塑性体应变,吸力减小屈服线位于加载屈服线之下方,二者随塑性体应变的增大而耦合联动扩大。提出的弹塑性体变模型可以较好地预测不同吸力下的压缩变形,比采用唯一加载湿陷屈服线的模型更好地预测不同应力下增湿变形。     

Soil-water characteristics of Gaomiaozi bentonite by vapour equilibrium technique简

Soil-water characteristics of Gaomiaozi (GMZ) Ca-bentonite at high suctions (3–287 MPa) are measured by vapour equilibrium technique. The soil-water retention curve (SWRC) of samples with the same initial compaction states is obtained in drying and wetting process. At high suctions, the hysteresis behaviour is not obvious in relationship between water content and suction, while the opposite holds between degree of saturation and suction. The suction variation can change its water retention behaviour and void ratio. Moreover, changes of void ratio can bring about changes in degree of saturation. Therefore, the total change in degree of saturation includes changes caused by suction and that by void ratio. In the space of degree of saturation and suction, the SWRC at constant void ratio shifts to the direction of higher suctions with decreasing void ratio. However, the relationship between water content and suction is less affected by changes of void ratio. The degree of saturation decreases approximately linearly with increasing void ratio at a constant suction. Moreover, the slope of the line decreases with increasing suction and they show an approximately linear relationship in semi-logarithmical scale. From this linear relationship, the variation of degree of saturation caused by the change in void ratio can be obtained. Correspondingly, SWRC at a constant void ratio can be determined from SWRC at different void ratios.     

压实高岭土干燥收缩特性试验

为研究初始干密度和初始含水率对高岭土干燥收缩行为的影响,探究其干燥收缩机理,采用数字图像相关法来测量环刀试样的径向变形,在设计的干燥收缩试验平台进行了一系列干缩试验,结合试验得到的收缩曲线和相应的土水特征曲线获得吸应力固结曲线。结果表明:饱和高岭土大部分收缩变形发生在进气点之前的饱和状态;试样在干缩过程中以径向变形为主,表现出比较明显的各向异性,这种各向异性的变形特性随初始饱和度的增加而减弱;随着初始干密度增大,试样干燥收缩稳定所需要的时间逐渐减小,稳定时的体积变形也相应减小,然而试样的初始干密度和饱和度对收缩变形稳定时的含水率几乎没有影响;吸应力固结曲线与饱和土的等向固结曲线近似重合的曲线形态表明吸应力和净平均应力对土收缩变形的作用效果是一致的;在等向应力条件下,有效应力是影响土体干缩变形的决定性应力;提出的结合干燥收缩试验和等向固结试验曲线的间接测量土水特征曲线的方法是相对可靠的。     

A New Model for Unsaturated Soil Using Skeleton Stress and Degree of Saturation as State Variables

In this paper, based on experimental results a new constitutive model, using skeleton stress and degree of saturation as independent state variables, is proposed for unsaturated soil, in which the influence of the degree of saturation can be properly described. In the model, a very simple moisture characteristics curve considering moisture hysteresis of unsaturated soil is also proposed. The moisture characteristics curve can not only be applied to secondary drying process but also primary drying process originated from slurry soil. The constitutive model is able to describe not only the behavior of unsaturated soil but also saturated soil because the skeleton stress can smoothly shift to effective stress if saturation changes from unsaturated condition to saturated condition. Meanwhile the overconsolidation, one of the main features of soils that are discussed in the models for saturated soils, is also considered together with the degree of saturation. Other mechanical features such as structure of soil and stress-induced anisotropy can be easily incorporated into the proposed model within the framework of the present research. It is known from the simulation that the main features of unsaturated soil in isotropic consolidation test and triaxial compression test under drained and exhausted condition with different confining stress and suction can be qualitatively described.     

膨胀土增湿过程中吸力–孔隙比–含水率关系

通过不同初始孔隙比条件下的土水特征试验及增湿试验,研究了膨胀土的土水特征曲线拟合参数及体积膨胀曲线拟合参数与初始孔隙比的关系,采用曲面拟合法建立了孔隙比与重量含水率及初始孔隙比的关系曲面、孔隙比与吸力及初始孔隙比的关系曲面、重量含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面、体积含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面。试验结果表明,在重量含水率(或吸力)–初始孔隙比–孔隙比坐标系中的体变曲面由饱和部分及非饱和部分组成;在增湿过程中,曲面由非饱和区进入饱和区的转折点对应的重量含水率随着初始孔隙比的增大而增大,转折点对应的吸力随着初始孔隙比的增大而减小;在吸力–初始孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标恒定的平面曲线;在吸力–孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标在变化空间曲线,它能同时表示初始孔隙比的影响及试验过程中孔隙比的变化。