非饱和黏性土水–力耦合弹塑性组合双面模型

非饱和黏性土在外荷载作用下呈现出复杂的水–力耦合特性。为描述水–力耦合对非饱和土应力–应变特性的影响，基于弹塑性理论，采用提出的循环塑性硬化法则，考虑(p’-q-s)空间内的任意应力路径变化，建立能够描述非饱和黏性土水–力耦合特性的弹塑性组合双面模型。该模型通过平均骨架应力和修正吸力反映应力和吸力的耦合作用，采用2组加载面和边界面组合，分别描述加载、干湿过程中水–力耦合引起的塑性屈服，实现非饱和黏性土水–力特性的全耦合分析和求解。与非饱和黏性土的常规静力三轴剪切试验结果的比较表明，所建模型能较好地模拟非饱和黏性土水–力耦合下的应力–应变特性。     

考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型(GCM)为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。     

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。     

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。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

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。     

考虑变形及滞回效应影响的三维土-水特征曲面模型

为研究变形和滞回效应对非饱和土水-力耦合特性的影响,以边界面理论为基础,建立一个同时考虑变形及滞回效应影响的三维非饱和土土-水特征曲面模型,所建立模型可完整地描述非饱和土的水-力耦合特性。提出的本构方程以吸力和孔隙比为自变量,以饱和度为因变量,建立三维土-水特征曲面模型,通过编程实现了本模型的预测功能。通过程序的预测结果与一系列不同应力和水力路径下的试验结果进行对比,在饱和度-吸力/孔隙比二维平面及饱和度-吸力-孔隙比三维空间中,均验证了所建立模型的适用性及预测精度。     

高放废物地质处置库中非饱和缓冲层的热-水-力耦合数值模拟

作为高放废物地质处置库中的缓冲/回填材料,膨润土在核废料放出的热量和周围天然岩体中地下水共同作用下,其热-水-力耦合作用效果对处置库的稳定性、安全性有着极为重要的影响。以非饱和土多场耦合理论为基础,基于ABAQUS有限元分析平台,建立二维轴对称模型,对高放废物地质处置库中膨润土缓冲层的热-水-力耦合过程开展了有限元模拟,给出了处置库近场缓冲层中不同位置的温度、饱和度、竖向应力及位移、孔隙水压力及吸力的分布及变化规律,并重点分析了温度场的影响,通过与已有研究成果的对比,证实了所计算结果的合理性。     

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。     

OPHELIE回填混合物的热-水-力耦合特征

在以比利时高放废物处置参考设计方案的OPHELIE地面大型试验的框架为背景下，进行了一套完整的固结试验项目以获取回填材料的热-水-力反应特征。缓冲材料是预先经高压压实的土块，其主要成分为60%的FoCa泥岩，35%的砂以及5%的石墨（干燥重量），除了对温度和吸力控制设备的简要描述之外，还将阐述有代表性的试验结果，包括持水特性，不同应力，不同吸力，不同温度下的压缩性，膨胀性能，以及在吸湿，吸热条件下的塌陷现象。     

填土的断裂机理

本文从填土断裂破坏的现象出发,介绍了断裂力学的基本概念。指出断裂力学的基本概念也同样地适用于填土。对在各种应力和试验条件下填土所产生断裂破坏的可能及其原因进行了讨论。     

关于砂井地基超载预压的若干问题

本文结合宁波机场、温州机场砂井超载预压等工程,论述了预压荷载下砂井地基固结有限元分析方法,通过室内外试验探讨了正常固结土的次固结变形特性,说明超载预压对减小土的次固结变形和推迟次固结变形的发生有肯定的效果。本文还提出了一种分析超载卸除后地基残余变形的方法,并建议用有效应力面积比来进行超载设计和卸载控制。     

Combined method of compaction of collapsible soils

The writer proposes a combined method of compaction of collapsible soils. He presents results of investigations carried out to study compacted zones of pads punched (tamped-out) by rammers 10 and 20 tons in mass, as well as a comparative analysis of the pads over against compacted zones obtained by means of plane rammers. The analysis results are illustrated by the “arch effect” on the stress conditions of the soaked soil mass. NIIOSP Institute. Translated from Osnovaniya, Fundamenty i Mekhanika Gruntov, No. 1, pp. 19–21, January–February, 1994.     

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。     

压剪作用下压实黏土断裂破坏机理及断裂准则

土体既有裂缝的开裂问题通常被认为是拉剪应力导致,而实际工程中压实黏土多处于压剪应力状态,为探究压剪作用下压实黏土中既有裂缝的起裂机理,对压剪闭合裂缝应力场和断裂准则进行了理论分析,开展了含中心裂缝压实黏土单轴压缩试验,研究了裂缝倾角、裂缝长度及裂缝形态对压剪断裂性状的影响,揭示了压实黏土中闭合裂缝压剪张拉断裂机理,充分验证了闭合裂缝压剪张拉断裂准则在压实黏土中的适用性。根据试验结果与理论预测曲线对比分析,本文压实黏土的临界尺寸rc为2mm左右,明显小于常用经验公式估算值12mm,讨论了rc经验估算公式存在的问题。此外,尝试性地引入T应力,建立了非闭合裂缝的压剪–张拉断裂准则,解释了闭合裂缝和非闭合裂缝的差异化起裂行为,并说明了其局限性及其产生原因。     

Zu Verformungsverhalten und Rissgefährdung einer mineralischen Abdichtung im Deponiebau – infolge gekoppelter zyklischer hydraulischer und mechanischer Beanspruchung

Deformation behaviour and crack initalisation of clay liner related to landfills – due to cyclic hydraulic and mechanic actions. Settlement and swell/shrink behaviour of clay liner under influence of environment are major topics of many research studies focussing expansive soil behaviour related to landfill applications. Depending on magnitude of surcharge pressure acting on the liner and wetting‐drying behaviour of the soil, settlement, together with swelling and shrinkage, may result in cracks or contrastly may close initial cracks induced by mechanical compaction in the field. In this paper, an analysis of the effects of field swelling and shrinkage of a compacted polymer‐enhanced bentonite‐sand mixture is presented. The analysis performed was based on field suction measurement data. Two different approaches; namely, single‐valued effective stress concept and two‐independent stress state variable approach for unsaturated soils were adopted in the analysis and comparison is presented in this paper.     

生态边坡的水力和力学特性分析:试验研究

植物护坡是一种新型的护坡方式,是很多边坡防治灾害的首选方案。然而在降雨过程中植物的根系可能会诱发沿根系的优势流,使得坡体内孔隙水压力升高,从而降低土体的抗剪强度。另一方面,植物的根系在土中相互缠绕,可增强浅层土体的抗剪强度。在植物护坡过程中到底哪种效应占主导地位目前尚无定论。通过现场试验联合室内三轴试验综合评价植物土体的水力特性和力学特性。首先在室外建立香根草覆盖区、狗牙根草覆盖区和无植被裸土区,在经历一年半自然状态下的干湿循环之后监测3种覆盖区的体积含水率和基质吸力,并计算3个区域的非饱和渗透系数。其次研制取样器并对现场区域的3种土体进行取样,利用现场土样进行三轴剪切试验,研究室外裸土、含狗牙根草土体和含香根草土体的应力–应变关系和抗剪强度指标。同时为了与上述经历干湿循环的土体进行对比,也测量了重塑土的渗透系数和抗剪强度。结果为生态边坡的稳定性研究提供了必要的数据和基础。     

The use of recycled tire chips to minimize dynamic earth pressure during compaction of backfill

The backfill areas of concrete culverts constructed in roads have been subjected to differential settlement due to poorly compacted soils. Dynamic compaction rollers cannot be fully utilized to compact the backfill soils near the culverts because the high earth pressure induced by dynamic loading frequently results in cracks in the culvert walls. In this study, two cushion materials, recycled tire chips and expanded polystyrene (EPS) boards are applied on the culvert walls in backfill areas to reduce the dynamic earth pressure induced by the compaction loading as well as to improve the characteristics of compacted soils. A numerical analysis is carried out to study the effects of the cushion materials on the stress variation with soil depth in the backfill areas. The numerical analysis shows that a cushion material with low elastic modulus and high damping ratio can effectively reduce the dynamic earth pressure. Field tests are also performed to study the performance of the two cushion materials. It is found from the field tests that the both cushion materials reduce the dynamic earth pressure acting on the culvert wall. However, the recycled tire chips are more efficient in reducing the dynamic earth pressure because of its relatively high damping ratio and low stiffness values compared to the EPS.     

非饱和膨胀土变形和强度特性的三轴试验研究

为了研究吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响,利用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪,进行一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土,采用静力压实方法制备试样。试验成果表明:该非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性,因此验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。在等向压缩固结过程中,该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增加而增大,而屈服后的压缩系数随吸力增大而减少,表明吸力对土体具有硬化作用。该非饱和膨胀土的有效内摩擦角不随吸力变化而变化,吸力对抗剪强度的贡献(似凝聚力)随吸力呈非线性增加,吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献明显高于压实高岭土和砂性土。