陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包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;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

原状Q2黄土三轴剪切特性

探讨陕西蒲城电厂原状Q2黄土的变形、强度和屈服特性,并研究吸力对非饱和原状Q2黄土性质的影响.共进行2种12个原状Q2黄土试样的三轴剪切试验,即控制吸力和净围压为常数的非饱和土三轴排水剪切试验与控制初始含水量和围压为常数的三轴剪切试验.研究结果表明,非饱和原状Q2黄土控制吸力为100,300,450 kPa的试验试样呈塑性破坏,而控制初始含水量为4.78%和7.64%的试验试样则呈脆性破坏.原状Q2黄土随着吸力降低(或含水量增大)和固结围压的增大,应力-应变曲线由软化型逐渐向理想塑性及硬化型发展.在试验给出的吸力范围(100～450 kPa)内,非饱和原状Q2黄土的黏聚力随吸力线性增加,而内摩擦角随吸力的变化很小,基本上可以认为是一常数.建议一种确定原状Q2黄土三轴剪切条件下屈服应力的方法,得到的屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大而增大;同一吸力或含水量下屈服偏应力和屈服净平均应力则呈线性关系.     

黄土的非饱和特征参数与结构性的试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。本文首先在控制基质吸力条件下进行了原状黄土和重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标,Fredlund抗剪强度公式中参数b,以及Bishop抗剪强度公式中参数χ的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和χ均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和χ均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压强度试验,测试了不同含水量原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水量下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和χ之间的关系。     

黄土塬地区非饱和结构性黄土的强度特性研究

为了揭示黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的结构性强度特性的有关规律,完善非饱和土的非线性模型,获得关于黄土塬地区非饱和黄土的变形和强度特性及相关参数,以陇东Q3原状及重塑黄土为对象开展试验研究,对不同初始吸力及不同净围压下的非饱和黄土进行了三轴固结排水剪切试验,研究了黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的变形特性、临界状态、强度参数及吸力变化特性。研究结果表明:原状黄土的剪切破坏表现出明显的剪缩现象,重塑土试样的变形出现剪胀和应变软化现象,剪切变形会出现明显的剪切带现象;不同初始吸力下,原状土偏应力与体应变临界状态线均成线性关系,而非饱和重塑黄土体应变受干密度的影响较大,试验过程中,较大干密度的试样出现了先剪缩后剪胀的现象;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随吸力的增大而增大,有效内摩擦角受吸力影响较小,可近似为一常数,非饱和重塑黄土的强度受基质吸力和干密度的影响较大,但对内摩擦角的影响较小;试验得出黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的强度参数,且求得的原状土参数K比重塑土参数K受吸力的影响更大。     

非饱和重塑Q_2黄土的三轴试验研究

对非饱和重塑Q2黄土进行了3种应力路径的三轴试验,即控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验;研究了非饱和重塑Q2黄土的变形、强度、屈服和水量变化等特性。试验结果表明:应力路径对非饱和重塑Q2黄土的变形和水量变化有一定影响。各向同性压缩屈服特性可用非饱和土Barcelona模型的LC屈服线描述;三轴收缩试验的屈服吸力随着净平均应力增大有减小的趋势,但减小幅度不大,可近似用非饱和土Barcelona模型的SI屈服线描述。三轴排水剪切试验应力-应变性状表现出应变硬化的特征,可用双曲线描述;非饱和重塑Q2黄土的凝聚力随吸力线性增加,内摩擦角随吸力的变化较小,可以认为是一常数;水量变化与吸力、净平均应力和偏应力有关。     

非饱和结构性黄土吸附强度的试验研究

 以甘肃永登非饱和结构性黄土为研究对象,通过等吸力三轴试验,研究非饱和黄土在控制吸力条件下的剪切性状,得到基质吸力随含水率及围压的变化规律和基质吸力与吸附强度之间的相互关系,并推导新的吸附强度公式,该公式可预测不同吸力对非饱和黄土抗剪强度的贡献。试验结果表明：非饱和黄土的基质吸力随含水率和围压的增大分别减小,但含水率的变化对基质吸力的改变起着主导作用,在低含水率情况下,基质吸力灵敏度较高,吸附强度随基质吸力的增大而增大,围压对吸附强度的影响较小。本研究为非饱和黄土抗剪强度应用于西部地区黄土工程实践提供了一种新的方法。     

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。     

研究黄土湿陷性的新方法

为了研究吸力对黄土湿陷变形的影响,研制了一套可以控制吸力的非饱和土湿陷三轴仪。该三轴仪底座为二元结构,既能控制吸力又能浸水。将该三轴仪和GDS压力/体积控制器相结合,实现了浸水过程中量测浸水体积的功能,并可施加浸水压力。该设备能精确量测试样体变;控制偏应力;精确量测浸水量。利用该仪器探讨了原状湿陷性黄土控制吸力三轴湿陷试验的方法,并进行了净围压相同吸力不同和吸力相同净围压不同的双线法三轴湿陷试验。结果表明:吸力越大湿陷变形越大,净围压对湿陷变形有显著影响。非饱和土湿陷三轴仪为研究黄土的湿陷特性提供了有力的工具。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

重塑粘性土的基质吸力与土水分及密度状态的关系

非饱和土的基质吸力与其中水一气体系的温度、孔隙水的密度和孔隙气的相对湿度有关。测试了23组不同水分状态和密度状态的重塑非饱和粘性土三轴试验土样的温湿度，计算了相应的基质吸力。数据分析表明：基质吸力与干密度的关系在不同的含水量段具有不同的特点；基质吸力与含水量呈强非线性关系；在土的水分状态和密度状态空间，基质吸力的分布为一变形的W型折曲面。该曲面左翼陡立上翘，位于低水分状态，表征强非饱和土，右翼水平伸展，位于高水分状态，表征弱非饱和土，中心部位是一个“A”型折面，位于中等水分状态，表征典型非饱和土。首次提出了孔隙充水结构的概念，藉以从孔隙结构和毛细凝结两方面来准确理解非饱和土的水气界面效应，从而利于认识和把握非饱和土中基质吸力的变化规律。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

非饱和黄土的强度特征

以初始基质吸力为条件，根据大量的试验测定和分析，得到了非饱和黄土的粘聚力与基质吸力的相关关系；阐述了非饱和黄土的抗剪强度随基质吸力的变化特征；给出了临界基质吸力的计算式。为进一步采用控制吸力试验，揭示非饱和黄土抗剪强度的基本规律作了初步探索     

非饱和重塑黄土强度与屈服特性试验研究

为研究非饱和重塑黄土的强度与屈服特性,在控制吸力的条件下以黄土三轴剪切试验为基础,研究了重塑黄土的应力-应变曲线、强度与屈服特性。试验结果表明：在试验控制吸力条件下,重塑黄土的破坏形式均呈塑形破坏;在同一吸力、不同净围压作用下,重塑黄土从理想塑形破坏（或弱硬化型）向强硬化型发展;在p-q面内,强度包线几乎呈直线;黏聚力c随吸力增大而增大,但内摩擦角φ变化较小;不同吸力作用下,重塑黄土的εr-log（q／p）关系曲线呈三阶段分布,得到了非饱和重塑黄土的屈服应力（ps,qs）。     

重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性

共做了３种应力路径的三轴试验,即：控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验。研究结果表明：应力路径对土的变形和水量变化有较大影响;土－水特征曲线依赖于净平均应力;与净法向应力相关的摩擦角在各种吸力下近似等于饱和土的有效摩擦角;剪切强度与吸力的关系是非线性的;三轴剪切条件下的水量变化指标接近常数;屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大;在净平均应力不变的条件下屈服吸力是一常数但不一定等于土样在历史上曾受过的最大吸力。根据试验资料,提出了一个新的吸力增加屈服条件,并建议了一个确定三轴剪切条件下的屈服应力的新方法。     

三轴剪切下黄土结构特性试验研究

为了研究原状黄土结构性,在控制吸力的条件下以黄土三轴剪切试验为基础,研究了原状与重塑黄土的应力—应变曲线和结构强度qs的变化规律。试验结果表明:重塑黄土与控制吸力为50kPa的原状黄土呈塑性破坏,而吸力为100kPa、200kPa的原状黄土试样则呈脆性破坏;三轴剪切条件下,黄土结构强度发挥曲线分为三个阶段,当轴向应变ε1为2%左右时,瞬时结构强度τε达到峰值,即为原状黄土结构强度qs。含水量w是影响黄土结构性的主要因素,吸力s是非饱和土中重要的应力变量,利用数学函数拟合,分别建立了黄土结构强度qs与含水量w、黄土结构强度qs与吸力s的数值关系。     

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。     

A Three-Dimensional Elastoplastic Model for Unsaturated Compacted Soils with Hydraulic Hysteresis

This paper presents a three-dimensional elastoplastic model for predicting the hydraulic and stress-strain-strength behaviour of unsaturated soils. The model is generalized using the transformed stress method to three-dimensional stress states by assuming that the shapes of the failure surface and the yield surface in the deviatoric plane of the average skeleton stress space are given by the SMP criterion. Hydraulic hysteresis in the water-retention behaviour is modeled as an elastoplastic process with the elastic region of the saturation degree decreasing with increasing suction in the S_r-log s plane. The effect of void ratio on the water-retention behaviour is studied using test data obtained from controlled-suction triaxial tests on unsaturated compacted clay. The effect of change in degree of saturation on the stress-strain-strength behaviour and the effect of change in void ratio on the water-retention behaviour are taken into consideration in the model, in addition to the effect of suction on the hydraulic and mechanical behaviour. Model predictions of the stress-strain and water-retention behaviour are compared with those obtained from triaxial tests on unsaturated soil along isotropic compression, triaxial compression and triaxial extension stress paths with or without variation in suction. The comparisons indicate that the model has well predicting capabilities to reproduce the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated soils under three-dimensional stress states.