膨胀土开挖边坡吸力和饱和度的研究

为了研究非饱和膨胀土开挖边坡中吸力变化对边坡的影响及边坡体不同部位饱和度的变化规律,在湖北某高速公路的开挖边坡上埋设热传导探头和含水率探头进行观测。监测数据与自然边坡的监测结果表明开挖边坡的吸力变化幅度较大,对膨胀土开挖边坡的稳定产生不利的影响,边坡的不同位置的大气影响深度不同。野外获得的土-水特征曲线能真实反映吸力和饱和度的变化,它能为非饱和膨胀土中基质吸力引起的强度提供了相应的参数,大大简化计算,避免计算不同饱和度情况下的强度。从土-水特征曲线还能获知非饱和膨胀土的渗透参数,对工程具有一定的指导意义。     

某公路弱膨胀土土水特征与非饱和渗透特性

文章对湖北某高速公路某高路堑边坡弱膨胀土的土-水特征进行了试验研究,吸力量测采用气相法与渗析(液相)方法,并获得了吸力范围为0.01～309MPa的土-水特征曲线;并根据Fredlund和Xing的对数函数形式表达的数学模型对试验结果进行了拟合分析;在此基础上,利用Childs等人建立并多次修改的预测模型,预测了试验土样的相对渗透系数.土样土-水特征曲线的减饱和过程具有明显边界效应段和过渡段,但残余段不够明显,其非饱和相对渗透系数随吸力(含水量)变化呈非线性变化,吸力增加(含水量降低)渗透性快速降低.     

膨胀土边坡的现场吸力量测

论述了膨胀土边坡现场吸力量测的方法和成果。研究认为,膨胀上边坡的基质吸力沿深度呈指数函数分布,且边坡中存在一个吸力“临界深度”,在此深度以上,基质吸力受土质、气候、温度等环境因素影响较大;在此深度以下至地下水位以上,吸力一般较小但并不为零。比较挖方和填方边坡的观测成果可知填方边坡的基质吸力比相同深度控方边坡的基质吸力大１～２倍,这主要是因为填方边坡密度、含水量均较低。根据实测吸力与含水量的关系,本文还绘制了现场土一水特征曲线。研究成果为非饱和土理论应用于实际工程探索了经验。     

野外土-水特征及其工程意义

为了研究非饱和土边坡的土-水特征，在香港某人工边坡坡顶1，2，3，4m等不同深度同时安装了含水量计及吸力计。根据土体体积含水量和吸力值的野外监测结果，得出了边坡坡顶土体不同深度的野外土-水特征曲线。同室内土-水特征曲线明显的滞后性相比，野外土-水特征曲线的滞后性可以忽略。野外土-水特征曲线滞后性可以忽略的原因可能是由于边坡坡顶土体在暴雨期间的非平衡效应或者是体积含水量和吸力在野外和在实验室内测定方法不同的缘故。此外，对野外土-水特征曲线的工程意义进行了探讨。     

全吸力范围内不同干密度膨胀土的强度特性

干密度和饱和度是影响非饱和膨胀土强度和变形特性的重要因素。为研究干密度和饱和度对非饱和膨胀土抗剪强度的影响,以南阳膨胀土为试验材料,对不同饱和度和干密度的南阳膨胀土的压实样进行直剪试验,得到了不同干密度及饱和度下的抗剪强度;利用滤纸法试验测得了南阳膨胀土在不同初始干密度下的土水特征曲线,并利用Fredlund-Xing方程进行全吸力范围内的拟合。通过土-水特征曲线将饱和度换算成吸力,得到了不同密度和吸力下南阳膨胀土的抗剪强度。结果表明:低吸力范围内非饱和膨胀土的强度随吸力的增大而增大;而高吸力时随着吸力的增大,土的强度变化趋势与干密度和应力大小有关,竖向压力较大和干密度较小时,强度随吸力增大而增大。     

土水特征曲线试验研究及影响因素分析

土水特征曲线是非饱和土理论的重要内容,对于进一步研究非饱和土边坡具有重要意义。通过对交河古城遗址试验研究,得出了饱和度与基质吸力的关系,对土水特征曲线影响因素的分析,为工程实践提供了指导性结论,文中EXCEL的使用,使得数据处理更便捷、准确。     

非饱和土土水特征曲线特性研究

土水特征曲线是岩土工程界的热点问题。土水特征曲线是土的含水率或饱和度随基质吸力变化的一个特征曲线。饱和土是由气态、液态、固态三相比例指标组成。饱和土体土水特征曲线研究基本成熟,非饱和土体土水特征曲线特性研究还有不足。文章利用英国欧美GDS三轴仪测得围压值不变但基质吸力变化下的非饱和土土水特征曲线的试验数据,并绘制土水特征曲线,结果表明,基质吸力小于100 kPa,粘聚力与基质吸力是非线性增长,增长曲线逐渐变缓;基质吸力大于100 kPa,粘聚力与基质吸力呈线性增长。     

非饱和膨胀土总强度指标随饱和度变化规律

建立在有效应力基础上的非饱和土强度理论公式参数测试复杂、不便于工程应用,而包含吸附强度的总强度指标也能反映非饱和土的强度特性且易于获取。为此,以土水特征曲线为理论依据,采用抽气饱和、风干脱水法控制试样的饱和状态,用常规直剪仪对不同状态下的宁明膨胀土进行固结快剪试验,得到其总强度指标随含水量、饱和度的增大而衰减的变化规律。其中,黏聚力、内摩擦角的对数和含水量之间以及内摩擦角与饱和度之间成线性关系;黏聚力随饱和度的变化可用二次抛物线描述。对该规律的普遍性还用廖世文、卢肇钧同类试验结果的分析来加以检验。此外,针对膨胀土路堑边坡滑坍的特点,对如何将非饱和膨胀土总强度指标用于边坡稳定性分析进行探讨,研究结果可为工程应用提供参考。     

非饱和土的滞水试验及其在垃圾填埋场防渗层中的应用

根据大量室内不同试验方法的滞水试验,给出了两种非饱和膨胀土的水力特征曲线,揭示了其含水量与吸力的关系.对同一种土样,在吸力较低时,采用不同试验方法可得到不同的S-W曲线.试验结果还说明采用非饱和粘土,特别是非饱和膨胀土作为垃圾填埋场的防渗隔离层,可以更有效地防止垃圾填埋场周围的土壤和地下水遭到污染.在防渗隔离层的设计中,控制防渗层非饱和土材料的吸力大小具有重要意义.     

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。     

考虑孔隙比和水力路径影响的非饱和土土水特性研究

以非膨胀性黏土为试验研究的对象,利用压力板法研究了初始孔隙比对不同水力路径下非饱和压实土土水特性的影响。试验结果表明,不同初始孔隙比土水特征曲线均存在明显的滞洄现象;当吸力大于某一值时,以含水率与吸力关系表示的话,不同初始孔隙比主脱湿土水曲线几乎重叠;以饱和度与吸力关系表示,初始孔隙比对土水特征曲线存在较大的影响。还提出归一化处理全吸力范围内不同初始孔隙比土水特征曲线的方法。最后,在归一化的处理方法基础上,提出了考虑初始孔隙比影响的非饱和土滞洄特性的模拟方法,并利用相关实测数据加以验证。     

平行试样土水特征曲线及其力学性质的试验研究

基于压力板仪对相同制样参数的8个三轴试样进行SWCC试验,对比试样土水特征曲线的差异,并对试验完成后的7个有效三轴试样进行无侧限抗压强度试验。通过对比研究剪切力与剪切位移关系、峰值强度与饱和度关系等内容,对试样的力学性质进行研究,并通过饱和度时程曲线对其结果进一步分析。研究结果表明:即便是相同条件制备的试样,其SWCC之间也会存在差异性,并与一定基质吸力范围相对应,但随着基质吸力增大,SWCC趋于一致;在SWCC试验后,由于高基质吸力下试样的平衡饱和度差异极小,试样的峰值强度与平衡饱和度没有必然联系;在一定基质吸力范围内,饱和度时程曲线相近的试样,最终的力学特性也相近,考虑这一基质吸力范围对应的孔隙在试样中占主导地位,因此这段时程曲线可以为试样均一性的研究提供一定思路。     

红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。     

高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。     

考虑净正应力影响的膨胀土土–水特征曲线试验研究

工程建设中,具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特殊性质的膨胀土多处于非饱和状态和复杂变化的外加应力环境下,对膨胀土进行考虑应力状态的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验研究,定性描述和定量表征膨胀土在一定应力状态下的土水特征,具有工程实践意义。采用GEO-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪(SDSWCC-H)测定了河南南阳膨胀土在4个不同净正应力下(0,40,99,199 kPa)的土–水特征曲线,并利用试验数据对提出的能明确考虑净正应力影响的膨胀土SWCC表征方程进行验证。结果表明:(1)由于土体的间断级配,南阳膨胀土呈现出双峰土–水特征曲线(bimodal soil-water characteristic curve);(2)净正应力会对膨胀土的持水能力与进气值产生影响,具体表现为在10~100 kPa基质吸力范围内,净正应力会显著影响膨胀土在脱湿过程中水分排出的速度;净正应力也改变了双峰SWCC第二个波峰的进气值;(3)已提出的SWCC模型曲线拟合精度较高,拟合结果良好,模型可以很好地表征南阳膨胀土在恒定净正应力下基质吸力与持水量的关系。     

伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型

新疆伊犁黄土具有湿陷性强烈、易溶盐含量高的特点,描述其非饱和土应力状态中的吸力参量时,须同时考虑总吸力和基质吸力两个参量。为此,通过滤纸法开展了不同含盐量下伊犁黄土的土水特征曲线试验,测量了不同含盐下伊犁黄土的总吸力与基质吸力,计算了不同含盐量下土样中溶液浓度,分析了含盐量对湿陷的影响,基于Gardner模型,提出了可以考虑易溶盐含量影响的伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线的拟合模型。研究结果表明:含盐量对新疆伊犁黄土的基质吸力有一定影响,对总吸力与渗透吸力影响较大;土样溶液浓度随着含盐量的增大而增大,总吸力与溶液浓度之间呈线性关系;随着土样内易溶盐含量的增加,土样湿陷系数明显增大;提出的土水特征曲线模型可以考虑易溶盐含量的影响,可以统一描述伊犁黄土总吸力和基质吸力随含水率、易溶盐含量变化的规律。     

脱湿路径下重塑膨胀土的体变修正与土水特征

采用南水北调中线工程河南南阳试验段重塑中膨胀土为试验土样,完成了5种不同初始干密度试样的脱湿试验和平行收缩试验,推导给出了更为合理的体积修正公式。试验结果表明,膨胀土脱湿路径下的体积收缩对其土水特征曲线（SWCC）影响较大,同一基质吸力状态下,体积修正后的试样饱和度/体积含水率明显高于修正前的饱和度/体积含水率,在吸力越高的区域,差别越明显。以Fredlund-Xing模型和试验结果为基础,建立了能考虑膨胀土体积变化的SWCC模型,并结合前人的试验成果深入分析了初始孔隙比对模型参数的影响规律。最后探讨了反映含水率-吸力-孔隙比关系的土水特征曲面的特性,考虑膨胀土试样体变修正时,孔隙比与含水率之间的函数关系为一个三次多项式,而不是线性关系。     

Prediction of lateral swelling pressure behind retaining structure with expansive soil as backfill

Lateral swelling pressure (LSP) develops in expansive soil when the volume expansion associated with water infiltration is restrained in the horizontal direction due to a rigid infrastructure. Various types of testing techniques, used to determine the LSP from both laboratory and field studies, are critically reviewed by focusing on two key factors, namely, the boundary conditions and the saturation path. Most testing techniques are capable of reasonably simulating the stress state of a soil element behind a retaining structure by applying a fixed boundary condition in the horizontal direction and a stress boundary condition in the vertical direction. However, they are only used to determine the LSP following a simple path, which is from an initially unsaturated state to a fully saturated state. In other words, these tests fail to provide information on the variation in LSP with respect to changes in the degree of saturation, the water content or the matric suction during the infiltration process. Furthermore, the literature review suggests that a reliable model for the prediction of the LSP during the infiltration process is not available. For this reason, a model is proposed in this paper to estimate the lateral earth pressure (LEP) considering the variation in LSP behind fixed rigid retaining structures with respect to the matric suction during the infiltration process. The proposed model is simple and only requires information, which includes the soil water characteristic curve (SWCC) and a limited number of soil properties. Data from one large-scale model test and two field case studies from published literature are used to illustrate and verify the proposed model. Reasonable comparisons are made between the predictions and the measured data. The proposed model will be a valuable tool for use in conventional engineering practice for the quick prediction of the increasing LEP behind retaining structures with expansive soils as backfill due to the development of LSP associated with water infiltration.     

Water retention of geosynthetics clay liners: Dependence on void ratio and temperature

The dependence of the geosynthetic clay liners (GCLs) soil-water characteristic curve (SWCC) on temperature and overburden stress are characterised experimentally. It is shown that changes in void ratio and temperature alter the relationship between suction and moisture content and new forms of existing SWCC equations are developed. To cover a wide suction range, the SWCCs are measured using axis-translation and dew point methods. Based on the available experimental data, both proposed SWCCs are shown to perform well in predicting the effects of void ratio on SWCC along the drying path when compared to the experimental results. It is found that the air-entry value increases as the net vertical stress increases for the experiments under the same temperature. In addition, elevation of temperature reduces retention capacity of the GCL.