恒定大气条件下砂土蒸发机制的模型试验研究

 采用大尺寸模型试验对法国枫丹白露砂土的蒸发机制进行研究。利用模型箱进行各种大气条件下砂土上覆水层蒸发试验,验证模型箱的工作性能和蒸发速率的计算方法;而后进行恒定大气条件下的大体积砂土(无上覆水层)水分蒸发试验,研究蒸发过程中大气参数和土体参数的变化,并根据试验结果对砂土蒸发机制和实际蒸发速率进行分析。研究结果表明：模型箱工作性能良好,所采用的蒸发速率计算方法合适;土体温度受土体蒸发过程的影响;土–大气交界面存在2个较大的温度梯度;空气的相对湿度随着蒸发的进行逐渐降低;土体蒸发对土体含水量的影响与蒸发时间和土体阻抗有关;土体浅层基质吸力梯度随蒸发的进行逐渐增大。     

基于红外热成像技术的土体水分蒸发过程研究

蒸发是大气–土体相互作用的主要方式之一,也是改变土体水分场及影响土体工程性质的重要因素。提出采用红外热成像技术对土体水分的蒸发过程进行试验研究,共配置了3组不同厚度和初始含水率的土样,将其置于恒定温湿度条件下干燥,定时称取试样质量变化获得土样的水分蒸发过程,并利用红外热成像仪实时记录土样表面的温度场变化。结果表明:土样的蒸发速率随干燥时间可分为3个典型阶段,即常速率阶段、减速率阶段和残余阶段。作为响应,土表温度变化也呈现3个典型阶段,即恒定低温阶段、升温阶段和稳定阶段,且与蒸发阶段一一对应。基于蒸发过程中大气–土体之间的物质能量交换特征,通过理论推导,建立了土体蒸发速率与大气–土表温度差之间的线性理论关系,并进行了试验验证,发现该理论关系不受土样初始厚度和含水率的影响。研究成果表明,利用红外热成像技术开展土体蒸发特性研究是可行的,为快速掌握气候作用下土体水分蒸发过程及表面水分场的时空演化特征提供了新的技术思路。     

饱和砂土弹塑性动力本构模型研究

利用土体的塑性流动理论,提出了基于SMP破坏准则的土体弹塑性动力本构模型,用于描述饱和砂土的动力反应性质。土体总的变形由3个部分组成:弹性应变、与体积屈服机制相关的塑性应变和与剪切屈服机制相关的塑性应变。土体在初始加载与卸载和重新加载阶段性质的差别通过采用不同的模型参数加以反映。通过将应用该模型模拟计算的结果与试验结果进行对比,表明该模型能够较为准确地描述饱和砂土在循环加载条件下的反应性质,具有较少的模型参数,这些参数都可以通过常规的三轴压缩试验和静水压力试验进行确定。同时,该模型的形式比较简单,可用于数值计算中。     

基于R-N非线性疲劳损伤累积模型的砂土震陷计算方法

构造不同加载次序的阶跃荷载进行应变控制循环单剪试验,并基于R-N模型与传统P-M模型进行土体材料损伤计算,对比分析计算值与试验值,验证R-N模型的有效性;基于R-N模型既能考虑荷载幅值和加载次序的特征,根据R-N非线性疲劳累积损伤理论推导并建立砂土震陷计算方法;利用GCTS测试系统对美国Filter净砂展开研究,进行404组剪应变控制动循环单剪试验,考虑荷载幅值、上覆荷载、砂土特性及地震动特性等影响,测定模型参数,并建立模型参数回归模型;同时,进行202组不同特性的真实地震荷载输入剪应变控制动循环单剪试验,测定不同工况下的砂土试样在地震荷载作用下引起的竖向变形;最后,将基于本文方法预测的砂土震陷时程曲线和累积值与试验值对比分析,验证了该方法的正确性。     

加筋风砂土地基扩展基础的承压性能

进行了下压荷载作用下加筋风砂土地基扩展基础的承载试验,研究了土工格栅及风砂土的剪切与拉拔摩擦特性,进行了14种不同加筋条件下的模型试验,加筋后下压承载力高于未加筋承载力的11.0%～453.0%。相同埋深时,长条形闭口箱型和双层土工格栅的承载力较高,加筋后的抗位移性能增强。加筋风砂土的承载力是由土体的压缩和抗剪能力、格栅与土的相互摩擦、格栅对土体的约束作用产生的。建立了加筋风砂土地基扩展基础承受下压荷载的理论计算公式,计算值与实测值基本吻合。提出了加强风砂土承压性能的有效方法为铺设长条形闭口箱型土工格栅和双层土工格栅。     

考虑蒸发影响的非饱和土坡渗流分析

运用分形模型理论预测了粘土、粉土与砂土的土-水特征曲线与导水系数曲线。讨论了大气降雨-蒸发作用对非饱和渗流场的变化规律。在大气蒸发作用下,粘土边坡表层土体的负孔压逐渐增大。随着降雨入渗,粘土边坡坡脚处的土体首先达到饱和状态,并出现正孔隙水压。在降雨过程中,粉土边坡与砂土边坡的坡脚处,难以形成正孔隙水压。粘土边坡的实际降雨入渗量较小,且与土体的初始含水量、降雨类型、土体的导水系数等因素有关。非饱和土的实际蒸发量不等于其饱和状态时的土体蒸发能力。当土体达到饱和状态时,两值相等。实际蒸发量与潜在蒸发量的比值是土体表层基质吸力的函数。     

脱湿速率对膨胀土堑坡稳定性的影响分析

以广西南宁膨胀土为研究对象,设置不同温湿度条件引起的脱湿环境,测试不同脱湿速率作用下,膨胀土的收缩特性以及持水能力,预测不同脱湿速率作用下非饱和土体渗透曲线,并对膨胀土边坡雨水入渗过程进行数值模拟计算。试验结果表明,脱湿速率越小,膨胀土收缩变形越大,这说明自然条件下湿度大的气候里,经过缓慢蒸发,表层土体的膨胀潜势会较大。数值计算结果表明,脱湿速率较小时,降雨后边坡雨水入渗的影响深度较大,这说明,湿度大的气候条件下,长期的蒸发过程,会导致更大的降雨入渗深度,从而不利于膨胀土边坡的稳定。     

堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀试验与分析

堤(坝)基中往往存在局部浅层强透水层,其削减水头能力较弱,易发生管涌等侵蚀破坏,其破坏机理仍需深入探究。文中采用砂槽模拟堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀情况,通过改变水位来观测堤(坝)基中砂土细颗粒流失现象,获取渗流量、渗透坡降、土体颗粒级配、锥头阻力等参数。试验表明,水位增至48 cm时浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,破坏过程分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段、较细颗粒流失阶段、管涌破坏扩大阶段。此外还发现,随着砂土中细颗粒砂土的流失,堤(坝)基的锥头阻力降低而发生沉降;细颗粒砂土流失导致其孔隙率和渗透系数增大,渗流场和应力场发生较大变化,研究成果能为堤(坝)基中浅层强透水层情况提供理论支撑。     

平面应变加–卸载试验中砂土的黏性特征及本构模型化

 通过丰浦砂的平面应变循环加载试验,分析砂土在加–卸载条件下相应的黏性特征。试验比较不同加载应变速率下2组砂土的应力–应变响应,进行蠕变加载,着重研究卸载过程中砂土的黏性特征。试验表明砂土的黏性特征与加载速率以及应力水平密切相关,且加载速率变化所引起的砂土黏性会随着加载的继续和应变的增大而逐渐衰减。卸载开始后,砂土垂直应变并未立即降低,而在一段时间范围内仍旧保持增大趋势。卸载过程中的蠕变试验还表明砂土具有“蠕变恢复”的特性。针对砂土的以上黏性特征,基于三要素模型的基本框架,提出瞬时黏性效应(TESRA)模型用以模拟加载和卸载阶段砂土黏性特征。根据试验所得到的砂土应力–应变关系,对第一次加载循环(初始加载–卸载)的砂土应力–应变响应和时程响应进行模拟,并证明瞬时黏性效应(TESRA)模型能够比较精确地模拟砂土在加–卸载循环中的黏性特征。     

考虑大变形条件下的堤坝动力稳定性研究

通过室内动力试验研究了粉砂土的液化特性,得到了相关的计算参数。同时,引入几何非线性考虑大变形对动力响应的影响,采用Mohr-Coulomb弹塑性模型考虑土体的非线性特性,计算了残余孔压增长及其对土体模量的影响,建立二维动力有限元程序对堤坝地震反应进行了分析,研究了可液化粉砂土堤坝的动力稳定特性。     

强硫酸钠盐对饱和砂土动力特性影响的试验研究

为了研究强硫酸盐对饱和砂土动力特性的影响,配制五种不同工况饱和砂土试样。通过动三轴仪对试样土体进行动力特性试验,通过试验得到试样土体的应力曲线、应变曲线、动剪应力应变滞回曲线。结合ANSYS软件,模拟不同工况下饱和砂土的路基模型,分析其在地震荷载下Y轴的应力变化规律。结果表明：当土体达到液化时,含盐饱和砂土较不含盐饱和砂土所需振动次数更多;含盐饱和砂土中,10%含盐饱和砂土较其他三种土体达到液化时所需振动次数更多;当硫酸盐含量适当时,土体的动力特性高于普通砂土,而当硫酸盐含量继续增加时,土体的溶陷特性大于抗液化性能,土体刚度降低,抗液化性能降低。     

砂土区间地铁盾构施工土体参数反演及其验证

在地铁砂土区间盾构法施工过程中,由于盾构机的掘进和注浆填充对周围的土层有一定的扰动作用,该土层的力学参数产生了一定变化。现场原位试验很难准确测得土体的参数。根据工程重要性和施工的信息化要求,土体的部分力学参数需要利用施工过程中地表沉降监测数据进行位移反演得出。结合沈阳某砂土区间盾构施工监测,利用改进的遗传优化的神经网络算法对其土体参数进行反演,得出较为准确的土体参数,并将其代入数值模型中进行计算验证。结果表明,数值计算结果与监测数据基本吻合。     

水泥混凝土塑性阶段表面蒸发速率研究

试验研究了高温低湿环境下新浇筑水泥混凝土在塑性阶段的表面蒸发速率;在自由水蒸发速率模型基础上,通过对混凝土表面蒸发速率相对于自由水蒸发速率随时间变化的数值分析,得到混凝土表面蒸发速率公式.该公式可以较为准确地对一定环境条件下的混凝土表面蒸发速率进行模拟.结果表明:混凝土表面被泌水覆盖时,混凝土表面蒸发速率等于自由水蒸发速率;泌水被逐渐蒸发的过程中,混凝土表面蒸发速率与自由水蒸发速率之比值随时间的增加以一定规律减小.     

土体干缩开裂过程的边界效应试验与离散元模拟

为了探究土体干缩开裂过程的边界效应问题,采用不同底面粗糙度的容器开展了多组干燥试验,发现干缩裂隙存在从顶面向下和从底面向上两种典型的发育形式。并且,裂隙发育程度与土样/容器界面接触条件密切相关,从而验证了裂隙发育过程的边界效应。通过理论分析,阐明了上边界的蒸发条件及下边界的接触条件对裂隙发育形式的控制作用。为了能更深入地理解土体干缩开裂边界效应的内在机制,在试验的基础上建立离散元模型,创新性地引入了沿深度的失水速率梯度参数,模拟土样上边界的蒸发条件变化。通过设置底面摩擦系数,模拟土样下边界的接触条件变化。将模拟结果与试验结果进行了对比分析,发现二者具有较好的吻合度。总体上,土体干缩裂隙的发育过程是顶面蒸发失水与底面摩擦两种边界条件共同作用的结果。当底面摩擦系数相对较小时,裂隙发育由蒸发失水主导,大部分裂隙由顶面向下发育。随着底面摩擦系数的增加,底面接触条件对裂隙发育过程的主导作用逐渐增强,由底面向上发育的裂隙数量所占比重也相应增加。     

土体干缩开裂过程的边界效应试验与离散元模拟

为了探究土体干缩开裂过程的边界效应问题,采用不同底面粗糙度的容器开展了多组干燥试验,发现干缩裂隙存在从顶面向下和从底面向上两种典型的发育形式。并且,裂隙发育程度与土样/容器界面接触条件密切相关,从而验证了裂隙发育过程的边界效应。通过理论分析,阐明了上边界的蒸发条件及下边界的接触条件对裂隙发育形式的控制作用。为了能更深入地理解土体干缩开裂边界效应的内在机制,在试验的基础上建立离散元模型,创新性地引入了沿深度的失水速率梯度参数,模拟土样上边界的蒸发条件变化。通过设置底面摩擦系数,模拟土样下边界的接触条件变化。将模拟结果与试验结果进行了对比分析,发现二者具有较好的吻合度。总体上,土体干缩裂隙的发育过程是顶面蒸发失水与底面摩擦两种边界条件共同作用的结果。当底面摩擦系数相对较小时,裂隙发育由蒸发失水主导,大部分裂隙由顶面向下发育。随着底面摩擦系数的增加,底面接触条件对裂隙发育过程的主导作用逐渐增强,由底面向上发育的裂隙数量所占比重也相应增加。     

土工布加固软土地基的机理试验研究

土工布与土体的界面摩擦力是衡量其对土体加固效果的关键因素,本文首先根据土工布与土体拉拔摩擦试验的机理,设计并制作了界面剪切测试仪,该试验测试仪具有试验精度高、应用广泛和操作步骤简单的特征,然后采用此测试仪对土工布与砂土的界面摩擦力进行了试验研究,试验参数包括不同的竖向压力、土工布层数和砂土含水率。试验结果表明:增加竖向压力能够显著提高土工布与土体的界面摩擦力;相同竖向压力作用下,土工布层数超过2层时,对其界面摩擦力提高并不显著;相同条件下,当砂土含水率超过5%时,提高砂土含水率能够显著降低土工布与土体界面摩擦力。这些研究结果可为土工布加固土体的设计和施工提供依据。     

桩端刺入的离心机试验研究

采用可视化模型箱,进行桩端刺入离心模型试验。考虑纯砂土、分层介质两种土体情况,研究上覆软弱夹层对桩端刺入的桩侧摩阻力和桩端阻力的发挥性状及阻力随沉降的发展模式的影响。试验表明:分层介质中达到极限桩端阻力所需的桩端刺入量约为纯砂土中的一半,且当桩土相对位移很小时,桩端附近的土体的横向位移和沿深部方向的影响范围基本形成,桩端砂土有比较明显的椭球孔形扩张态势。     

砂土中隧道施工条件下管土相互作用的室内模型试验研究

为分析砂土中隧道施工条件下管线与土体相互作用的机理,利用室内模型试验,自制模型箱,以江砂为填料,选取高密度聚乙烯管材进行试验。结果表明:在砂土中,与穿既有管线轴线相垂直的下穿隧道施工过程中,管线中间部位主要受下拉效应影响,而上拱效应则支配着管线两侧的变形;管线的存在对土层位移的影响范围约为水平向距管线轴线3倍的直径;随着地层损失量的增大,管线与土层的变形曲率比值逐渐减小,管线的弯矩与应变相应增大;隧道施工条件下管线上覆荷载有增大的趋势,管线中间部位管底土压力逐渐趋于零,管线与土层分离区宽度随着地层损失量的增大逐渐增大并趋于一恒定值;通过对管土相互作用机理的探讨,明确了沉降槽宽度系数i、中心最大沉降量smax以及管线埋深与管径比值H/D等因素对管土相对刚度的影响,基于室内模型试验结果提出了管土相对刚度的计算式。     

考虑风速影响的土表蒸发计算方法

土表蒸发是土体与大气相互作用的主要方式之一。由于土表蒸发与环境因素和土体性质密切相关,目前准确计算土表蒸发量仍存在困难,而其中的难点便是确定蒸发过程转折点的影响因素和表征方法。针对风速对蒸发过程的影响规律,新研发了一套控制气候的非饱和土蒸渗试验装置,可综合控制空气温度、相对湿度和风速等气象参数。蒸发试验选取了3种不同的土样,分别设置12种不同的气候条件进行。试验结果表明风速越大,即空气动力阻滞系数越小,蒸发过程出现转折点时的临界含水率越大。理论推导和试验分析表明单纯用含水率单变量不能准确预测土表蒸发量,还应考虑不同土体性质和风速等额外变量。结合理论推导,提出一种计算土表蒸发量的新方法,它将表层1cm的土体含水率作为变量,同时利用田间持水率和空气动力阻滞系数来表征土性和风速的影响。     

南江红层地区缓倾角浅层土质滑坡降雨入渗深度与

2011年“9.16”特大暴雨诱发四川省南江县发生数以千计的缓倾角浅层土质滑坡,该类典型滑坡具有滑体厚度集中在1～5 m区域,且总是沿呈“光面”的基覆界面顺层滑动的特殊性。通过设计室内降雨入渗试验、建立G-A入渗模型及考虑大气对土坡的影响计算得大气影响深度,分析滑坡降雨入渗深度,研究滑体厚度分布成因;并根据非饱和土强度理论分析天然状态下及降雨条件下浸润峰分别位于土层中与基覆界面时的斜坡稳定性,研究滑坡沿基覆界面滑动成因。结果表明：南江县红黏土渗透性极低,短时间的强降雨下降雨入渗深度十分有限,一般仅入渗50 cm左右。研究区的大气影响深度为5.37 m,在该深度范围内,雨水易入渗,但随着深度的增加,土体风化程度逐渐减弱,土体孔隙比、渗透性逐渐降低,入渗逐渐困难,直至下覆基岩,降雨过程中雨水入渗深度是导致缓倾角浅层土质滑坡厚度主要集中在1～5 m的原因。在降雨条件下,当浸润峰深度小于土层厚度,潜在滑面位于浸润峰处时,斜坡保持稳定,当浸润峰深度等于土层厚度,潜在滑面位于基覆界面时,界面滞水,水位上升,孔压产生,同时界面岩土体发生软化和润滑作用,界面效应是导致滑坡沿基覆界面这一“光面”顺层滑动的主要原因。