土的介电常数模型及其工程运用探讨

土的介电常数模型反映了介电常数和体积含水率之间的关系,建立合理的介电常数模型,通过探地雷达技术测定介电常数就可以预测土的含水状态。而土的含水率与其工程物理特性密切相关,土的液塑限是划分土体工程状态的重要指标。因此,探讨不同土体的介电常数与含水率的关系,根据介电常数来直接判断土的软硬状态,可为岩土工程设计提供方便途径。通过一系列不同含水率的土体的介电常数室内试验,针对不同含砂量的黄土,系统分析和探讨体积含水率和介电常数之间的关系。结合黄土的工程特性,对Topp经验模型、扩散模型、体积混合模型,以及根据电磁场理论推导的多项介质混合模型等介电常数模型进行适用性分析。通过试验结果分析,建立了物理意义明确简化的土体介电常数模型,提出了依据土体介电常数对含水率变化的敏感程度系数来划分土体类别的建议,并通过试验进行了验证,表明结果相符。进一步根据试验结果,深入研究含水状态对土体工程特性的影响,分析并给出黄土的液塑限对应的介电常数,通过建立液性指数与介电常数的关系式,提出了依据介电常数来划分的黄土软硬状态评价指标的建议值。     

非饱和膨胀土的结构模型和力学性质的研究

 博士学位论文摘要　主要研究了膨胀土的结构模型和力学性质, 取得了以下几方面的成果:(1) 建立了膨胀土微结构的数学模型, 运用分形几何理论研究膨胀土的粒度分布和膨胀土微孔隙表面的特征; 建立粒度分布的分维与膨胀土的成因类型、膨胀特性、力学特性的相关关系; 研究了粒度分布的分维与压力(围压) 的关系, 随着围压增加, 粒度分布的分维增大。(2) 根据非饱和膨胀土微结构的分形模型, 导出了其水份特征曲线方程, 并由此得到了非饱和膨胀土的导水规律与含水量的相关公式。(3) 建立了膨胀土的结构性强度理论。根据工程实践提出了结构性凝聚力和结构性内摩擦角的概念,结构性内摩擦角和结构性凝聚力是指原状非饱和膨胀土的内摩擦角和凝聚力。对于膨胀性不强的膨胀土,结构性内摩擦角与饱和膨胀土的有效内摩擦角相等; 结构性强度是由非饱和土的溶质吸力和基质吸力引起的强度。根据非饱和膨胀土的结构模型, 建立非饱和膨胀土的结构性强度理论; 用非饱和土三轴仪研究了非饱和膨胀土的强度特征, 并用试验结果证实了非饱和土的结构性强度理论。(4) 分析了膨胀力与含水量和干密度的相关性, 讨论膨胀力对地基承载力的影响, 修正了太沙基承载力公式, 使之适用于膨胀土地基。(5) 建立了膨胀土的膨胀变形的相关公式。用压缩仪研究了宁夏膨胀变形特征, 建立了膨胀量与压力和初始含水量的相关公式; 膨胀变形的机制是膨胀矿物与水之间的相互作用, 运用这个机制解释了膨胀变形的试验结果; 建立了膨胀变形的物理模型, 很好地解释了膨胀变形的试验结果。(6) 建立了膨胀土的弹塑性本构模型。在饱和土的弹塑性本构关系中增加吸力作为独立的应力状态变量, 从而得到非饱和土的通用弹塑性本构关系; 用椭圆2抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土的应力2应变关系; 用非饱和土的三轴试验研究了非饱和膨胀土的本构模型, 得到非饱和膨胀土的LC 屈服面, P r～ us 屈服面, 用数值模拟方法计算了宁夏膨胀土的应力应变关系曲线, 与试验结果一致。     

非饱和土的渗透特性试验研究

由于非饱和土的复杂性和多变性，其渗透特性明显不同于饱和土，并且试验难度较大。利用特制的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土的渗透特性进行了试验研究，为非饱和土渗透系数的直接测定奠定了基础。根据试验结果，得出了黄河大堤非饱和土土体在不同含水量下的围压．渗透系数关系及其变化规律，以及不同围压条件下质量含水量．渗透系数关系及其变化规律，同时，对其关系曲线模型进行了拟合，得出了相应的拟合函数。     

非饱和土抗剪强度与含水量关系研究

非饱和土的含水量对其的抗剪强度有一定的影响,所以研究非饱和土的含水量与抗剪强度之间的关系有实际的工程意义。以长春重塑粉质黏土为研究对象,通过固结排水试验和不固结不排水试验,研究含水量对非饱和土的抗剪强度指标的影响。结果表明:非饱和土的抗剪强度指标受到含水量的影响,黏聚力随着含水量的增加而升高,存在一个临界含水量,当超过这个含水量时,黏聚力反之降低;内摩擦角随着含水量增加而降低,存在一个临界含水量,超过这个含水量时,内摩擦角反之升高。     

多孔介质中两相流动过程的毛细滞回效应

 含水量大小以及干湿循环变化历史对多孔介质渗流过程有着重要影响。基于多孔介质理论和毛细滞回内变量模型,建立能够考虑含水量变化历史影响的多孔介质两相流动模型,并利用开发的U-DYSAC2有限元程序进行相应的数值模拟。通过模拟结果与试验数据的比较,验证所建数值模型在模拟复杂条件下非饱和多孔介质渗流问题的可靠性与有效性。对干湿循环变化条件下土质边坡渗流过程进行数值分析,结果表明：毛细滞回效应对非饱和土渗流过程具有显著影响,非饱和土水力状态不仅取决于当前含水量或基质吸力大小,而且还与土体所经历的水力历史有关;特别地,如果利用主脱湿线来描述土水特征关系,那么土体中基质吸力的预测结果会偏高,从而使得传统边坡稳定性分析方法高估土体抗剪强度以及坡体安全系数。因此,在模拟非饱和多孔介质复杂渗流问题时必须要考虑毛细滞回效应。     

非饱和膨胀土抗剪强度的试验研究

膨胀土是一种特殊的非饱和土，经典的土力学理论在膨胀土问题中己显得无能为力。因此，用非饱和土力学理论来研究膨胀土问题在理论和实际两方面都具有重大意义。在非饱和土抗剪强度理论中，吸力的量测在工程实际中仍没有一种简单易行的方法。基于这种实际情况，试图通过其他间接的途径来代替吸力的量测，以确定非饱和土的吸附强度。对于膨胀土这种典型的非饱和土，膨胀力是其很重要的性质之一，它的大小受含水量的影响很大；另一方面，膨胀土的抗剪强度也随含水量的变化而不断地变化。进行了大量的膨胀力试验和抗剪强度试验，以确定膨胀土的膨胀力与吸附强度是否有一定的关系。通过对黑山土和梅山土的重塑试样试验得到的试验数据分析发现：膨胀力和含水量之间存在良好指数关系；粘聚力的对数和内摩擦角均随含水量的增大线性减小；非饱和膨胀土的吸附强度与膨胀力之间存在较好的线性关系，并在此基础上优化了非饱和膨胀土抗剪强度公式。     

非饱和粘土路基平衡湿度空间分布特征及预估

通过室内外试验探讨了非饱和粘土路基平衡湿度沿道路横断面的空间分布特征，并基于非饱和土力学基本理论，采用滤纸法测定了不同含水量土样的基质吸力，标定了反映含水量与基质吸力单值函数关系的土水特征曲线模型，建立了大气降水/蒸发影响区以外非饱和粘土路基平衡湿度的预估方法。研究结果表明，近中央分隔带和路肩处的上部路基土的平衡湿度受大气降水/蒸发的影响显著；大气降水/蒸发影响区以外的路基土平衡湿度主要受控于地下水位的影响；Fredlund&Xing模型可较好地表征非饱和粘性路基土湿度和基质吸力的相关关系，模型参数拟合结果具有较高的可靠性；地下水位控制区粘土路基平衡湿度预估结果与试验测试值之间具有较高的一致性，预估方法合理可靠。     

基质吸力与含水量及干密度定量关系研究

 借鉴结晶矿物学/粉体力学与工程中的配位数概念,基于Smith试验公式、Fisher经验公式和Young-Laplace公式,建立含水量、干密度或孔隙比等非饱和土的宏观状态量与两土颗粒之间水环体积、饱和角等微观状态变量之间的对应关系,从理论上推导并给出基质吸力的定量计算公式。计算结果表明：非饱和土基质吸力随含水量的增大而单调减小,二者表现为非线性关系;基质吸力与干密度或孔隙比表现为良好的线性关系,但在低含水量段,基质吸力随干密度的增大而增加的趋势明显,而在高含水量段,基质吸力则基本保持不变。计算结果与已有的试验结果吻合较好。     

循环荷载下非饱和结构性黄土的损伤模型

在边界面弹塑性模型基础上,借助胶结体损伤理论与非饱和土力学,提出一个可以描述循环荷载作用下非饱和黄土力学特性的弹塑性本构模型.在损伤模型中,定义胶结体弹性衰减规律,将结构损伤与应变增量的绝对累计值联系起来;并利用土的持水曲线建立常含水量下吸力与土体应力之间的耦合作用关系.通过与循环三轴试验结果的比较,表明该模型能够较好地模拟非饱和黄土在循环荷载作用下的力学特性.     

基于三轴试验的非饱和土抗剪强度影响因素分析

已有的研究成果表明,含水量和干密度等物性指标对非饱和土的抗剪强度具有较大的影响,因此,有必要从试验的角度探讨含水量和干密度对非饱和土的抗剪强度的影响规律。通过三轴剪切试验,开展了控制含水量和干密度的重塑非饱和土的试验测试,试验结果表明,含水量和干密度是影响非饱和土抗剪强度的重要因素,最佳含水量和最大干密度是应力-应变关系相互转化的临界点。     

随机地震荷载作用下黄土的液化特性

 以场地未来50 a超越概率10%的地震波作为输入激振波,对取自宁夏南部西吉县夏家大路喜家湾滑坡后壁的黄土开展动三轴试验,研究随机地震荷载作用下黄土中孔隙水压力的增长基本特性、影响效应及孔隙水压力增长规律。由试验结果可知,在随机地震荷载作用下,孔隙水压力对输入动荷载的响应具有明显的滞后性,其增长主要集中在地震荷载的有效持时范围内。输入地震荷载的幅值、有效持时以及固结压力对黄土的液化特性有较大的影响,幅值较大、持时较长、固结压力较小时,更有利于孔隙水压力的发展。由于孔隙水压力的增长是源于孔隙的压缩引起的,因此,可以将孔隙水压力比表示为残余应变的函数,据此,可得地震荷载作用下,黄土不同变形情况时孔隙水压力的发展水平及液化程度。     

固结应力比对土样动强度和动孔压发展规律的影响

回顾了初始剪应力对土样动强度和和动孔压发展规律的影响,使用动三轴对某土石坝坝基饱和砂砾石料进行动强度试验,研究固结应力比Kc对土样动力特性的影响。分析试验结果如下:所有土料都存在一个转折点Kc′:KcKc′时动强度随Kc的增大而降低,动变形和动孔隙水压力随Kc的增大有稍许加大趋势。转折点Kc′的具体数值与土料性质及所受应力状态有关。本次试验Kc=0.5～3.0,转折点Kc′为2.8左右。Kc过大后,初始剪应力较高、剩余强度较低而导致动强度降低。偏压固结Kc=0.7～1.3时,试验土料最终孔压值均可达到围压;偏压固结Kc≥1.5后,试样最终孔压值是否可达到围压取决于动应力σd是否大于主应力差(σ1c-σ3c),即σd是否形成拉应力使试件伸长。但当Kc很大后,σ1c和σ3c相差太大,需施加非常大的动应力σd才能使其应力应变反向,试样不可能达到初始液化。     

液化场地-群桩基础-结构体系动力响应分析—大型振动台模型试验研究

进行了液化场地-结构体系动力相互作用大型振动台试验,对土体和桩基的加速度反应、饱和砂土层的孔压反应等进行了测试。重点阐述了土体和群桩基础的加速度地震响应特征和饱和土体的孔压发展规律,并对土体侧向变形规律进行了分析。试验研究结果表明：0.05g拍波输入时,土体和桩基对加速度反应有着明显放大作用,土体各处孔压比增长幅度不大,土体侧向位移较小;0.3g汶川地震卧龙台地震记录输入时,桩基加速度反应规律与土体反应基本一致,土体孔压比增长明显,上部土体完全液化;土体水平侧向变形较大。本文成果可为液化场地-群桩基础动力相互作用研究做对比分析和验证数值模拟工作提供参考。     

重塑膨胀土的电阻率特性测试研究

通过对重塑膨胀土的电阻率进行测试研究,提出了一种饱和/非饱和土的假想电阻率模型。研究表明:膨胀土的电阻率主要与土骨架、孔隙水的电阻率以及膨胀土的含水率、饱和土度和孔隙比等有关。研究提出了用土的水体积比表征膨胀土的电阻率特性,研究建立了电阻率–水体积比与吸力–水体积比(水分特征曲线)之间的关系,以探索研究电阻率的应用。     

冻融与荷载作用下土体内部孔隙水压力、水分变化规律及其模型试验研究

 在季节冻土区,反复冻融作用导致土体孔隙水压力发生变化,进而导致土体中水分的迁移;对土体施加静荷载,土体内部应力场发生变化,土体内的水分和孔隙水压力亦发生变化。通过模型试验,研究无荷载和荷载两种条件下土体内部孔隙水压力和水分场随冻融循环作用的变化规律,试验结果表明：在荷载和无荷载两种条件下,孔隙水压力在初期呈负值稳定变化,然后快速增大,最后呈周期性变化。在无荷载条件下,随着土体深度的增加,孔隙水压力增大,水分含量减小;在荷载条件下,土体上部和中部位置处的孔隙水压力和水分含量都大于荷载两侧。在一个冻融周期内,土体内部孔隙水压力和水分含量都随温度的升高而增大,随温度的降低而减小,而且孔隙水压力和水分含量随温度的变化都具有滞后性。     

蒙自重塑膨胀土膨胀变形特性与施工控制研究

利用普通固结仪,进行了蒙自重塑膨胀土浸水、浸盐、浸酸的膨胀变形试验,系统研究了不同初始状态下膨胀土膨胀变形特性。利用Does Response模型较好地模拟了膨胀土浸水膨胀时程规律。通过膨胀土变形三元回归分析,得出了蒙自膨胀土膨胀变形与上覆压力、初始含水率、初始干密度的定量关系。膨胀土浸盐、浸酸膨胀变形规律与浸水时相似,但由于盐溶液的渗透压力,使得浸盐膨胀变形率降低;酸溶液浓度越高,其膨胀变形率越大,稳定时间越长。膨胀土膨胀变形规律的研究,为工程设计、施工与边坡稳定性评价提供了重要指标。     

Effect of clogging of stone column on drainage capacity during soil liquefaction

Stone columns act as vertical drains, and due to their high permeability, allow for the quick dissipation of earthquake induced excess pore water pressure. When water flows through a loose sandy soil, it washes away fine soil particles. The fine sand particles get detached when the hydrodynamic force applied on the soil particles breaks the inter particle bonds between soil grains. These detached soil particles are then migrated by the seepage water. Based on the concentration of the soil particles in the seepage water, these may be captured at the pore constriction of gravels during the flow of water through the stone column. Thus, the clogging of stone column initiates which reduces of the permeability of column. The rate of dissipation of pore water pressure during earthquake is affected due to the clogging of column. In this paper, a mathematical model is proposed to determine the rate of dissipation of pore water pressure of stone column-reinforced ground by considering the clogging effect of column. The result obtained from the proposed model is verified with the available in-situ experimental data. A parametric study is also performed to investigate the effect of different parameters of the proposed model on the clogging of stone column. It is observed that when the permeability ratio, compressibility ratio and area ratio decrease, the possibility of clogging increases. The peak value of the excess pore water pressure ratio can increase up to around 50% due to clogging.     

由土-水特征曲线预测非饱和混合填料渗透系数

在分析总结由土-水特征曲线预测非饱和土渗透系数方法的基础上,根据Childs和Collis-George利用充水孔隙空间形状提出的、并经多次修改的预测渗透系数模型,预测了陇南民用机场混合填料相对渗透系数。混合填料的相对渗透系数随着吸力的改变,呈现出非线性的变化过程。随着含水率的降低(吸力增加),渗透性以很快的速度降低。相对于不同配合比的填料,在吸力较低的阶段,填料配合比的不同对渗透性影响不明显;但是随着吸力的增加,土体饱和程度的不断减小,土石比为2:8的填料渗透系数的衰减速度明显大于土石比4:6的填料,而在减饱和过程后期,这种差异又逐渐减小。     

融雪与降雨入渗下含盐土遗址的冻融劣化研究

采用含水率、电导率、弹性波速及无侧限抗压强度等指标,结合试样表观及微结构变化研究了含盐土遗址在融雪或降雨入渗的初始条件下经历冻融循环的劣化机制.结果 表明:在冻融循环过程中,试样含水率因融雪与降雨入渗的水分补给及蒸发散失而先增加后减小并趋于稳定,盐分随水分迁移后分别在试样高度5,3.5 cm处富集;水分入渗增加了土粒间...     

Estimation of elastic wave velocity through unsaturated soil slope as function of water content and shear deformation

The objective of this study was to estimate the elastic wave velocity of an unsaturated soil slope, and to verify its applicability. The elastic wave velocity in a silty sand was measured. The individual influence of the volumetric water content and the tilt angle on the normalized wave velocity through unsaturated soil were investigated through a series of varied slope model tests. The relationship function of the normalized wave velocity-volumetric water content-tilt angle was established. To verify the proposed estimation function, a series of fixed slope model tests was carried out. The relationship functions were used to estimate the behaviors of the wave velocity in rainfall-induced slope failure model tests. The applicability of the proposed relationship functions for the wave velocity behaviors was also presented. It was found that the estimation function is highly consistent with the measurements for the wave velocity behaviors through unsaturated soil slope in the presented test conditions. In addition, the effects of the rainfall duration/initial water content, density, slope angle and surface layer thickness on the decrease rate of the normalized wave velocity with the volumetric water content and the tilt angle within the test conditions in this study were seen to be small.