湿陷性黄土增湿变形分析研究

黄土在我国分布范围广、厚度大、而且具有结构疏松的特点,主要特性之一就是湿陷性.在总结相关试验研究的基础上,概括了湿陷性黄土增湿变形的基本特征,分析试验的原理以及湿陷性黄土的判定方法,并例举了湿陷性黄土在实际工程中的应用,旨在通过对湿陷性黄土认识的基础上,为同类试验研究提供借鉴和参考.     

双孔结构非饱和压实黏土的渗流-变形耦合微观机理

土体中的渗流-变形耦合问题是岩土工程中极为常见但却易被忽视的问题之一,尤其是对于拥有双孔结构的非饱和压实黏土,渗流-变形耦合过程较为复杂,从微观机理上对耦合全过程进行分析,有助于深入理解土体在渗流-变形耦合作用下的内在机制,为建立理论模型及开展进一步的试验研究奠定基础。基于已有的试验研究成果,并结合相关本构模型的建立及预测,以双孔结构土在常应力条件下的干燥过程为例,揭示了双孔结构非饱和压实黏土在不同阶段的渗流-变形耦合规律,以及耦合全过程的微观机理;对初始干密度对非饱和土渗流-变形耦合特性的影响进行对比分析。研究表明:渗流-变形耦合作用在大孔隙渗流阶段表现较为显著,而在小孔隙渗流阶段则不够明显;初始干密度对渗流-耦合作用的影响仅在大孔隙渗流阶段起作用。     

增湿重塑非饱和黄土时水-热运移规律研究

为研究非饱和黄土中水蒸气的吸附与运移规律,采用水蒸气对非饱和黄土进行增湿,分析蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度共同作用下非饱和黄土中水-热运移规律。研究结果表明:在非饱和黄土中,水蒸气和温度的扩散范围近似于一个椭球体。水蒸气在土体中运移时,蒸汽压力沿径向逐渐消散,蒸汽运移速率减缓,土体含水率和温度也逐步降低;当蒸汽气压为0.1 MPa,温度为145 ℃,通气6.5 h后,水蒸气最大增湿半径为80 cm,横向、纵向有效增湿半径分别为60和70 cm;在以通气点为圆心,横向40 cm,纵向50 cm的椭球体内,含水率在12%~17%间变化,接近土体的最优含水率17.08%,增湿效果较好;延长通气时间,增湿范围和增湿程度均将增大;水蒸气增湿时,液态水和气态水迁移共存,但在有效增湿范围内以气态水迁移为主。受到土颗粒的阻碍,沿径向水分运移速率逐渐减小,但温度传导系数在两阶段内接近一个定值。水蒸气增湿法作为土体增湿的新技术与新方法,具有诸多优点,在对土体增湿的工程实践和试验中有着广泛的应用前景。     

非饱和黄土土体水分入渗增湿计算

经典土力学的理论是在土体饱和的前提下构建的,而我们在工程实际中更多遇到非饱和土.降雨后边坡的滑动破坏,堤坝在雨水、洪水渗透作用下发生的破坏等等都是土在非饱和状态下的力学性质和力学行为问题.降雨和渗水常常导致非饱和黄土边坡和基础的破坏.针对上述问题,对其进行理论分析,建立了二维非饱和黄土水分入渗模型,实现了对黄土土体水分入渗含水量变化的预测,结合实例,利用Madab语言编制程序计算,验证了该模型和方法的合理性.     

原状黄土增湿过程中的土水特征曲线模型

黄土增湿过程是黄土持水特性与增湿变形特性相互影响的过程。已有的土水特征曲线模型主要描述土体的含水状态与吸力的相关关系,无法全面反映增湿过程中黄土的持水特性与变形特性。因此在固结仪上开展了新疆原状黄土的分级增湿试验研究,试验中引入能够全面反映土体含水状态和变形情况的"增湿水平"这一变量,并用增湿水平和吸力表征黄土土水特征曲线模型。结果表明:各竖向压力作用下增湿过程中,半常用对数坐标系下原状黄土增湿水平与吸力关系曲线形状相似,均明显的分为初期平缓段和陡降段两个阶段;竖向压力对增湿水平与吸力关系曲线的影响主要体现在初始吸力与陡降段斜率的不同,可以归一化为幂函数形式;为此建立了以增湿水平和吸力表征的土水特征曲线模型。并将该模型用于其他地区黄土,验证了所建模型适用于原状黄土的初始含水率和吸力状态、不同初始含水率的压缩状态,以及重塑黄土在压力作用下的增湿变形状态。     

二元介质模型在黄土增湿变形分析中的应用

在作者建议的二元介质模型中,黄土的变形模量随饱和度的增加而减小,当饱和度与吸力的关系已知时,模量将随孔隙水压力的增大而减小。在此基础上,文中推导了增量型的广义有效压力公式,其孔隙水压力与应力张量成正比,从而不再是标量。文中将上述公式代入平衡方程,推导了不用初应变法而算出湿陷变形的直接算法,并编制了孔隙水压力与土骨架变形的耦合分析有限元程序,用于室内单轴压缩试验和现场荷载板浸水试验的计算,得出了合理的计算结果。     

原状黄土增湿变形起始屈服函数研究

为研究黄土的增湿变形问题,通过常规三轴剪切试验、等向压缩试验,分别研究了不同初始含水率原状黄土试样的应力-应变关系。通过三轴剪切试验发现,原状黄土的临界状态线近似一条直线且不通过p-q平面的坐标原点,随初始含水率变化沿q轴上下平移。通过三轴压缩试验发现,原状黄土的e-lnp曲线不是一条直线而是折线,且折点处对应的球应力随初始含水率的增大而减小。采用椭圆形屈服轨迹的假设,结合试验规律得出原状黄土试样的起始屈服函数,通过该起始屈服函数可以得出各应力路径下的起始屈服应力和起始含水率。该研究成果是后续建立原状黄土增湿变形本构模型的基础。     

湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究

对陕西张桥的湿陷性黄土和安康的膨胀土分别进行了分级增湿变形试验。根据试验结果分析了这两种土的应力应变关系曲线、增湿变形过程中基质吸力变化特点及增湿变形类型。分析表明，其两者的增湿变形应力应变曲线形态完全不同，湿陷性黄土的应力应变曲线明显分为压缩、湿陷变形和固结压密3段，并且在湿陷变形转变为固结压密时有一个明显的转点。膨胀土的应力则随变形增加呈衰减趋势，并且在增湿变形中以体积变形为主，剪切变形较少。湿陷性黄土和膨胀土在增湿过程中基质吸力变化亦表现出明显的差异，前者随含水率明显变化，随应力变化较小，而后者随含水率和应力的增加均有较大变化。最后提出湿陷性黄土的湿陷起始应力和膨胀土的膨胀应力两个概念，进一步合理分析了两者的特征力。     

不同干密度压实黄土的非饱和渗透性曲线特征及其与孔隙分布的关系

压实黄土在水分入渗条件下容易产生湿陷、不均匀沉降等工程地质问题,因此有必要对其渗透特性进行研究。本文采用基于滤纸法的竖直土柱试验测试了3种不同干密度压实黄土全吸力范围的渗透性曲线。试验结果表明,压实黄土的渗透性曲线随着基质吸力减小分为缓升段、陡升段和饱和段三个阶段,且干密度越小的土三段特征越明显。压实黄土干密度的差异主要影响低吸力段渗透系数,干密度越大,渗透系数越小;基本不影响高吸力段渗透系数。由于渗透系数与孔隙分布密切相关,孔隙越多渗透性越强。因此本文用压汞试验测得了3种土样的孔隙分布曲线。试验表明不同干密度的压实黄土,微孔数量基本相同,对应吸力范围的渗透系数也相同;孔径为1.3μm 相似文献   

增湿路径对非饱和土水气渗透系数的影响研究

对水气运动联合测定的方法，提出了3种渗水稳定时间判定方法及3种渗水驱动势的计算方法。对同一干密度的试样，进行不同增湿路径的渗透试验，分析了不同的渗水稳定时间判定方法、渗水驱动势计算方法对渗水系数的影响，得出考虑渗水驱动势随时间变化的变水头计算方法最为合理和稳定。进而以变水头计算方法为基础，分析了增湿路径对水气渗透系数测定值的影响。结果表明，增湿路径对渗水系数的影响总体不大，而在较高饱和度范围内对渗气系数的影响较大。     

重塑黏土恒压湿化变形试验研究

针对某重塑黏土,通过常规固结仪,研究了恒压下初始孔隙比、应力及初始饱和度对湿化变形的影响。试验结果显示,应力和初始孔隙比e对湿化变形影响明显,低应力下,变形随e的提高逐渐由膨胀变为压缩;高应力下,试样均发生压缩,压缩量随e的增大而增大;定量分析了湿化变形与应力和e之间的关系。试样湿化稳定时间t0受应力和初始孔隙比e影响明显,t0随应力的增加而增大;低应力下,t0随e的增加而增大,高应力下,t0随e的增加先增大后减小。初始饱和度Sr对湿化变形也有较大影响,低压应力下,试样膨胀量随着Sr的增加先减小后增大,可能存在"最优初始饱和度",使得变形量最小;高压应力下,试样压缩量随Sr的增加而减小,二者可近似用直线拟合。     

压实黄土土水特征曲线及孔隙结构分析

采用Ku非饱和导水率测量系统和扫描电镜照片,实测并分析压实黄土土水特征曲线特征,试验结果表明:黄土干密度与土水特征曲线具有密切相关性,并讨论了干密度影响土水特征曲线的微观机理。     

压实弱膨胀土的膨胀变形特征及计算模式研究

膨胀性是压实弱膨胀土的典型特征,同时是造成膨胀土构筑物破坏的最重要的原因之一,合理地预估压实弱膨胀土在特定条件下的变形量对于减小构筑物的破坏具有十分重要的作用。因此,建立压实弱膨胀土的膨胀变形计算模式不仅显得十分重要而且也十分必要。基于此,在对压实弱膨胀土线膨胀率的相关影响因素进行分析的基础上,以高淳胥河某边坡弱膨胀土为研究对象,进行了不同初始状态下的膨胀土膨胀变形试验,研究了增湿比、压实度及上覆压力等对膨胀土线膨胀率的影响,建立了考虑增湿比、压实度及上覆压力的压实弱膨胀土线膨胀率变化模型,并采用其他学者的试验数据对该模型进行了成果验证,验证结果表明该模型可以较好地拟合压实弱膨胀土的膨胀变形量。     

非饱和黄土抗剪强度特性试验研究

为了研究黄土滑坡的发生机理及剪切破坏特征,用探井法在延安滑坡体取样,进行了室内控制吸力的固结排水剪切试验,本次试验共做了10组(Q3、古土壤各5组)。试验结果表明:两种黄土存在不同剪切破坏面,古土壤颗粒中由于黏粒含量比较高,所以没有明显的剪切面;而Q3黄土由于其大孔隙发育,结构疏松,没有黏滞性,所以剪切面上有擦痕,存在明显的剪切面;抗剪强度参数会随着实验过程中基质吸力的改变而改变,黏聚力随着基质吸力的增加而增加,二者为线性关系;而内摩擦角的变化很小,几乎不随吸力的改变而改变;随着含水率的增加,吸力和黏聚力均呈现下降趋势,吸力的减小降低了土颗粒之间的有效应力,从而使土的抗剪强度降低。     

三轴应力状态下砂砾料浸水变形特性试验研究

利用VJ非饱和三轴仪对砂砾石料进行了各向等压和剪切状态下浸水变形特性试验研究,并对不同应力状态下浸水变形过程中体应变和偏应变增量进行统计分析。假定体积应变增量在试样各向同性和等压固结条件下可分解成两部分,一部分是由于围压σ3引起的,另一部分是由于偏应力引起的;偏应变仅由偏应力引起的。在此假定的基础上建议了一个浸水体应变增量和偏应变增量与应力水平和围压之间的经验表达式以及相应的参数整理方法。     

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。     

非饱和重塑与结构性黄土平面应变试验三维离散元模拟

黄土的宏观力学行为受其微观结构影响显著,为探究非饱和重塑与结构性黄土在平面应变条件下的宏微观力学性质,采用考虑粒间吸引力与化学胶结的非饱和结构性黄土胶结接触模型,开展了非饱和重塑与结构性黄土常含水率条件下的平面应变三维离散元模拟。分析了平面应变条件下不同有效围压对黄土宏观力学行为的影响,并探究其微观机理。模拟结果表明:有效围压对非饱和重塑黄土与结构性黄土应力应变响应影响存在较大差异。非饱和重塑黄土在较小有效围压时呈应变硬化,随有效围压的增大逐步过渡为应变软化,而结构性黄土在不同有效围压下均表现为应变软化,且围压越小,应变软化越显著。在微观尺度上,胶结达到轴向应变2％时开始持续破坏,对于结构性土的峰值应力影响显著;胶结同时会阻碍结构性土各向异性发展。     

非饱和重塑黄土三轴蠕变试验研究

为研究陕西咸阳扶风地区黄土边坡的稳定性,利用SR-60型双联三轴蠕变仪针对非饱和重塑黄土进行了三轴固结排水蠕变试验。试验结果表明:试样含水率、固结围压和偏应力水平对蠕变变形具有明显的影响。表现为:当含水率较大、固结围压较小时,蠕变变形量大,蠕变现象明显;当其他条件一定时,在偏应力水平较大条件下,试样变形大,蠕变现象明显。在数据分析的基础上建立了经验模型,并与Singh-Mitchell和Mesri模型对比后发现,新模型具有精度高、参数少且参数容易获得等优点,能较好地模拟该地区黄土蠕变过程。     

非饱和黄土弹性模量与饱和度关系模型研究

为研究非饱和黄土弹性模量与饱和度的相关性,采用一种基于吸应力理论与粒子图像测速技术相结合的方法对典型非饱和马兰黄土重塑样品的弹性模量随饱和度变化规律进行测试与分析。该方法通过自主研制的多功能摄影测量装置获取饼状土样从饱和状态至干燥过程中的高分辨率数码图像与含水率变化数据,同时使用压力板仪与单轴压缩仪分别测试试样的土水特征曲线与泊松比。结合吸应力理论与极坐标形式应力-应变关系理论计算土样在不同饱和度状态下的弹性模量。3种干密度重塑土样在自然风干过程中的弹性模量变化测试结果表明,马兰黄土的弹性模量随饱和度降低而呈指数增大,提出了拟合弹性模量与饱和度关系的数学模型。