非饱和高液限土土-水特性试验研究

为研究非饱和高液限土土-水特性及其不同条件下土-水特性试验的适用性,分别采用滤纸法、非饱和土固结仪法和现场试验法对公路边坡工程中非饱和高液限土进行测量土-水特征曲线的试验研究。结果表明:滤纸法测得的土-水特征曲线与室内方法存在差距,大部分在室内测得土-水特征曲线的回滞圈内,对曲线进行拟合得到含水率与基质吸力对数呈线性关系;室内非饱和土固结仪法试验得到的土-水特征曲线出现滞回效应,曲线利用VG模型可较好地拟合;现场监测得到的土-水特征曲线(SWCC)与室内试验方法的结果存在差距,但大部分在吸湿曲线和脱湿曲线之间,更接近吸湿曲线,曲线受土体上覆应力影响,上覆应力越大曲线越陡,且基质吸力与含水率成负相关,二者不存在滞后现象,曲线可利用线性函数较好地拟合。     

基于滤纸法的裂隙膨胀土土水特征曲线试验

针对传统测量吸力试验方法存在的缺陷,采用滤纸法进行了裂隙膨胀土的吸力测定试验,得到了裂隙膨胀土的土水特征曲线,该曲线形态与无裂隙膨胀土的基本相同,均可分为3个阶段,为倒“S”形。相同含水率条件下,脱湿路径下制备的试样基质吸力比吸湿路径下的大,存在明显的滞回现象,可用已有的土水特征曲线计算模型进行拟合分析。试验结果表明,滤纸法可获得任意状态下土体的吸力,不干扰土体的初始状态,可作为测量裂隙膨胀土等特殊性土吸力的一种有效方法。     

滤纸法测定尾矿砂基质吸力试验研究

为研究不同含水率时尾矿砂的基质吸力变化规律,在尾矿砂颗粒级配测试的基础上,根据接触式滤纸法,对某尾矿砂吸湿和脱湿2个阶段分别进行了试验,得到了尾矿砂含水率在9%~40%内的12组基质吸力,建立了尾矿砂吸湿和脱湿过程的土-水特征曲线,并分析了其变化特征。试验结果表明:所测尾矿砂试样属于尾粉质黏土类;采用滤纸法可以获得较大吸力范围内的尾矿砂土-水特征曲线,该曲线近似呈倒“S”形;尾矿砂土-水特征曲线可以分为4个阶段,随含水率的增大,基质吸力阶段性减小;滤纸法测得的尾矿坝基质吸力变化范围较大,吸湿过程中为2 711.095~22.459 kPa,脱湿过程中为28.205~3 607.825 kPa。基质吸力在吸湿和脱湿过程中的变化规律基本一致,但变化路径不同,存在明显的“滞回现象”,脱湿过程中的基质吸力高于吸湿过程。     

孔隙介质土水特征曲线简化模型研究

考虑残余含气量的毛细滞回内变量模型必须给定三条边界土水特征曲线,即初始脱湿曲线(IDC)、主脱湿曲线(MDC)、主吸湿曲线(MWC)才能对非饱和土的高阶扫描线进行计算。而土水特征曲线的测定需要花费较长时间,费时费力。基于非饱和介质微观理论,研究了孔隙介质的吸/脱湿现象及毛细滞回现象,结合已有经验模型,提出不需要任何参数的经验模型来计算主脱湿曲线。若根据试验数据已知初始脱湿曲线、主吸湿曲线,则该模型不需要任何参数便可直接计算得出主脱湿曲线。最后通过试验数据对模型进行验证,结果表明所提出的模型预测效果较好。     

荆门压实弱膨胀土孔隙比-含水率-吸力特征的滞回效应

为探讨水力路径对膨胀土土水特征与体变特征影响中的滞回效应,以压实度为90%的荆门弱膨胀土为研究对象,采用轴平移技术和等压湿度控制法,开展了控制吸力条件下的脱、吸湿试验,获得了0~391 000kPa吸力范围内的孔隙比-含水率-吸力关系的滞回效应规律,结论如下：（1）重力含水率-吸力关系的滞回效应显著。吸力小于10 000kPa的区域,脱湿边界线与吸湿边界线间涵盖了较大范围;吸力大于10 000kPa的区域,滞回效应弱化。脱湿与吸湿边界线并不平行,前者拐点处的斜率明显大于吸湿边界线的相应值。Fredlund-Xing模型能够很好描述土水特征的脱湿与吸湿边界线。脱、吸湿边界线均可分别通过2个特征点划分为：边界效应区、过渡区与残余区;残余吸力与进水值均可取为359 100kPa;进气值为72kPa;出气值为10kPa。（2）孔隙比-吸力关系呈现出显著的滞回效应。利用3 参数指数函数可以很好地分别描述主脱、吸湿路径下的孔隙比-吸力关系。（3）孔隙比-重力含水率关系的滞回效应并不显著。采用2参数指数函数可较好地统一描述不同水力路径下的孔隙比-重力含水率关系。（4）饱和度-吸力关系呈现出显著的滞回效应,其脱、吸湿边界线也可用Fredlund-Xing模型分别描述。（5）体变特征的脱湿速率效应显著。     

荆门压实弱膨胀土孔隙比－含水率－吸力特征的滞回效应

为探讨水力路径对膨胀土土水特征与体变特征影响中的滞回效应，以压实度为90 %的荆门弱膨胀土为研究对象，采用轴平移技术和等压湿度控制法，开展了控制吸力条件下的脱、吸湿试验，获得了0～391000 kPa吸力范围内的孔隙比－含水率－吸力关系的滞回效应规律，结论如下：(1) 重力含水率－吸力关系的滞回效应显著。脱、吸湿边界线间涵盖了较大区域；脱湿与吸湿边界线并不平行，前者拐点处的斜率明显大于吸湿边界线的相应值。Fredlund-Xing模型能够很好描述土水特征的脱湿与吸湿边界线。脱、吸湿边界线均可分别通过2个特征点划分为：边界效应区、过渡区与残余区；残余吸力与进水值均可取为359100 kPa；进气值为300 kPa；出气值为8 kPa。(2) 孔隙比－吸力关系呈现出显著的滞回效应。利用3参数指数函数可以很好地分别描述主脱、吸湿路径下的孔隙比－吸力关系。(3) 孔隙比－重力含水率关系的滞回效应不显著。采用2参数指数函数可较好地统一描述不同水力路径下的孔隙比－重力含水率关系。 (4) 饱和度－吸力关系呈现出显著的滞回效应。该滞回效应可利用描述土水特征的Fredlund-Xing模型和描述体变特征的3参数指数函数组合描述。 (5) 体变特征的脱湿速率效应显著。     

重塑非饱和黏土脱吸湿抗剪强度对比

基于压力板仪与非饱和土直剪仪,针对脱湿与吸湿条件非饱和土的抗剪强度特性进行对比试验研究,探讨不同基质吸力、不同竖向压力下非饱和粉质黏土试样的抗剪强度特性。研究结果表明,抗剪强度与基质吸力成正比;基质吸力的变化对抗剪强度的影响主要表现在对黏聚力的影响,对摩擦角影响不大。进行脱湿与吸湿情况下相同含水率的抗剪强度对比,发现脱湿后试样的抗剪强度高于吸湿试样的抗剪强度;脱湿过程中试样的抗剪强度参数高于吸湿试样的抗剪强度参数。     

初始干密度对脱湿红土含水吸力特性的影响

以昆明非饱和红土为研究对象，以脱湿作用作为控制条件，考虑初始干密度的影响，通过滤纸法试验，研究初始干密度对昆明脱湿红土含水吸力特性的影响。结果表明，各脱湿含水率下，脱湿红土的质量含水率、滤纸含水率随初始干密度的增大分别呈缓慢减小、波动减小的变化趋势；各初始干密度下，土-水特征曲线呈现出基质吸力与体积含水率的变化趋势相反的特征；初始干密度一定时，脱湿红土的基质吸力总体上随着体积含水率的增加呈现缓慢减小～快速减小的变化趋势，突变体积含水率为26.5%；体积含水率一定时，随着初始干密度的增大，脱湿红土的基质吸力呈波动升高的变化趋势；基质吸力一定时，脱湿红土的体积含水率随初始干密度的增大亦呈波动升高的变化趋势。初始干密度不同，脱湿过程中红土颗粒的持水能力不同。     

黄河大堤非饱和土土水特征曲线研究

利用改进的非饱和土三轴仪，对黄河大堤重塑非饱和土进行了试验研究，分析了其渗透特性，并选用Van Genuchten模型拟合了试样的土水特征曲线，对不同围压下的土水特征曲线进行了比较。结果表明：①随非饱和土含水量的增大，基质吸力减小，非饱和土的工程性质向弱性变化；②在高含水量下，基质吸力随含水量变化的变化幅度很小，在低含水量(天然含水量)下，基质吸力随含水量的增大而迅速减小；③对某一类土而言，在低吸力下土的基质吸力主要随含水量而变化，在高吸力下其大小除取决于含水量外还受黏粒含量、矿物成分等因素的影响；④相同体积含水量的土壤的基质吸力随着围压的增大而减小，相同基质吸力的土壤的含水量随围压的增大而增大。同时指出，对于黏性较强、有机质含量较高的黄河大堤非饱和土的土水特征曲线，还需要进一步研究。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律,开展了一系列完整的脱湿阶段试验,获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率一吸力曲线有交叉与聚拢现象;体积含水率一吸力曲线的交叉现象更为显著;而饱和度一吸力曲线未出现交叉,相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度,体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果,从土的基本体积一质量关系出发,以初始孔隙比与吸力为变量,在一个统一的框架内,构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的土水特征曲线方程,该方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

考虑滞后效应与吸附作用的非饱和土SWCC分形模型

传统土-水特征曲线(SWCC)模型的研究仅考虑了土壤基质势的毛细组分而忽略了吸附组分,高估了土壤在低饱和度范围的基质吸力。针对该问题,假设土壤孔隙系统可用一簇带有孔喉的毛细管表示,且其孔径分布服从分形规律。在此基础上将土壤中水分运移分为2个阶段,即毛细水与吸附水共同参与水分运移阶段,以及仅吸附水参与水分运移阶段,推导得到了可以反映全基质吸力范围土壤持水特征及滞后效应的SWCC模型。最后采用已有的试验数据与研究结果对得到的本构模型进行验证,结果表明所提出的SWCC模型预测曲线与试验数据吻合良好,且相比已有方法可更好地描述非饱和土SWCC的持水特性,证明了该模型的合理性与可行性。     

滨海盐渍土土-水特征曲线试验研究

针对黄骅港滨海非饱和盐渍土,采用滤纸法对不同含盐量、不同含水率土样的吸力进行试验研究,分析其土-水特性及含盐量与各吸力之间的关系,以及吸力的影响因素及变化规律,并拟合建立基质吸力与体积含水率,渗透吸力与含盐量、体积含水率的数学模型。结果表明:含盐量的改变对总吸力和渗透吸力影响较大;基质吸力与体积含水率呈指数关系;拟合得到的渗透吸力与含盐量、体积含水率模型具有较高的拟合优度。研究成果可为分析非饱和盐渍土工程特性提供参考。     

南阳膨胀土冻融循环后的土水特征试验研究

南水北调中线工程的膨胀土渠道容易遭受季节性冻融的影响。为探究冻融作用对膨胀土土水特征的影响规律,以南阳膨胀土为试验对象,采用滤纸法测定经历不同冻融次数的膨胀土土样的总吸力和基质吸力,绘制其试验散点图,并分别采用VG模型和幂函数模型对基质吸力及总吸力与土体含水率的关系进行拟合。结果表明:随着冻融循环次数的增加,基质吸力和总吸力土水曲线整体向左下方偏移,进气值逐渐减小,持水性能降低;渗透吸力在含水率增大时逐渐减小,但不同冻融次数的渗透吸力数值并无显著差别;采用VG模型和幂函数模型分别拟合本试验中的基质吸力土水曲线和总吸力土水曲线,相关系数高,形式简单,模型参数在冻融循环中逐渐趋于稳定值。研究成果可供处在季节性冻土区的膨胀土工程建设及维护提供参考。     

非饱和残积土土-水特性研究及基质吸力估算

残积土在我国南方分布十分广泛,是工程建设及地质灾害评估中主要遇到的土体之一。非饱和状态下,残积土边坡土体的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态,还与土中的吸力密切相关;土-水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系,是非饱和土研究的重要内容之一。选取福建省有典型代表的凝灰质砂砾岩残积土、凝灰岩残积土以及花岗斑岩残积土3种类型土作为试验土样,测定土样完整的脱湿、吸湿循环过程的土-水特征曲线。鉴于基质吸力测量困难,在Barden非饱和土分类方法的基础上,通过分析具有实际工程意义的含水量情况(饱和度介于50%~90%),总结出的利用饱和度预测基质吸力的简易方法具有针对性和实用性。     

基质吸力对非饱和黏土抗剪强度的影响

通过直剪试验,探讨了基质吸力与非饱和黏土抗剪强度的关系,结果表明:含水量对非饱和黏土基质吸力的影响较大,随着基质吸力的增大含水量减小,这种减小的趋势在基质吸力小于400 kPa时较明显;非饱和黏土抗剪强度与基质吸力之间的关系是非线性的,且存在转折点;基质吸力对非饱和黏土抗剪强度的提高有限。     

考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

红黏土是一种具有高度水敏性的典型特殊土,而土水特征曲线(SWCC)是研究红黏土工程性质的重要依据。红黏土在含水率变化时会发生明显的胀缩效应,现有SWCC测试往往缺乏对此效应的考虑,导致所测得的结果具有一定的误差。本文通过压力板仪法和滤纸法,量测了湖南某地区红黏土在不同含水率下所对应的基质吸力,并根据收缩试验掌握了红黏土在不同含水率下的体积变化特征并获取了相应的收缩系数,推导了体积变化修正公式,对SWCC进行了体积变化修正,最后利用V-G模型对修正后的SWCC进行了拟合,探讨了模型参数与初始孔隙比(压实度)的关系,建立了红黏土改进V-G模型。结果表明:红黏土在含水率改变时的体积变化对其SWCC影响很大,同一基质吸力状态下,体积变化修正后红黏土试样的体积含水率和饱和度明显高于修正前的值,且基质吸力越高该差别越明显。对于体变修正后SWCC的V-G模型,模型参数受初始孔隙比的影响较大,其中表征进气值的参数a和孔隙大小分布的参数n与初始孔隙比呈幂函数关系,而表征残余含水率的参数m与初始孔隙比接近线性关系。     

冰水沉积粉质黏土非饱和强度特征与细观机理研究

为弥补当前对非饱和粉质黏土细观结构研究的欠缺,基于Fredlund双应力变量理论、Fredlund-Xing土-水特征模型,通过室内试验从细观结构、矿物成分至非饱和力学特性方面展开对冰水沉积粉质黏土的系统研究,查明非饱和抗剪强度及参数变化特征,深入分析细观作用机理。研究表明:冰水沉积粉质黏土非饱和抗剪强度随基质吸力增大而提高,增长速率逐渐降低,内摩擦角φ′与含水率构成对数函数关系,内聚力c_total1具有峰值特征,峰值点含水率约为10.24%。土中的矿物组分遇水发生的水解、离子置换等作用对土体结构造成较大影响,在低基质吸力条件下造成宏观非饱和抗剪强度的损伤,根据其作用特征将非饱和抗剪强度随基质吸力的变化过程划分为3个阶段,建立了适用于冰水沉积粉质黏土的三维破坏包络面的概化模型。与此同时,分析发现材料参数φ^b在低基质吸力段并不为常数,以某一初始值逐渐减小,变化曲线呈反“S”形,最终无限趋近于0。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律，开展了一系列完整的脱湿阶段试验，获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率－吸力曲线有交叉与聚拢现象；体积含水率－吸力曲线的交叉现象更为显著；而饱和度－吸力曲线未出现交叉，相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度，体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果，从土的基本体积－质量关系出发，以初始孔隙比与吸力为变量，在一个统一的框架内，构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的SWCC方程，方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。