Q3原状黄土与重塑黄土的土水特性研究

黄土土水特征曲线与其强度、渗流及本构关系等密切相关。为研究Q3黄土的土水特性,分别进行了Q3原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线测试,并用经典的B-C模型和V-G模型对试验结果进行拟合,分析孔隙比对Q3重塑黄土土水特性的影响。结果表明:原状黄土土水特征曲线分为快速减小、缓慢减小和稳定3个阶段,进气值为20kPa左右,随土体排水,空气进入孔隙内部,吸力逐渐增大,稳定阶段土体饱和度很低,土体处于大吸力段,孔隙排水不明显;重塑黄土土水特征曲线整体趋势与原状黄土一致,但孔隙比对其影响较明显,当孔隙比较大时,体积含水率降低引起吸力明显增加,进气值较小,孔隙比较小时,随着吸力值增加,体积含水率降低速率较小,随着孔隙比减小,土体进气吸力值逐渐增大;采用B-C模型和V-G模型与原状黄土试验结果进行对比,B-C模型低吸力段拟合效果不佳,高吸力段拟合较好,V-G模型整体拟合效果良好。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

利用瞬态剖面法测定重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试样取自陕西泾阳县泾河南岸黄土塬上部的马兰黄土。用0.5 mm的筛将风干碾碎的黄土样筛入一高2 m的圆形玻璃桶内,上部补给一定量的水,随后按一定时间间隔量测土柱内不同深度的含水率,再根据土的基本物理指标换算为体积含水率。同时配制与模型桶相同密度的土样,用张力计法测定其土-水特征曲线,即不同体积含水率土样的基质吸力。根据土-水特征曲线和模型桶内体积含水率剖面计算得到不同时刻土样的水头剖面,由此可进一步计算出水分在垂直方向的渗流速度和水力梯度,并得出不同体积含水率土样的渗透系数。通过回归分析,获得渗透系数与体积含水率、渗透系数与基质吸力的函数关系,该函数可用于黄土的非饱和渗流分析。     

不同地区原状黄土土水特征曲线试验研究及其在边坡稳定性评价中的应用

我国黄土具有明显的区域分布特征,从空间平面上把握其非饱和特性分布规律具有一定的现实意义。以Ⅰ带—兴县、Ⅱ带—富县和Ⅲ带—西安原状黄土为研究对象,测定了黄土不同含水率条件对应的基质吸力,对试验数据拟合得到土水特征曲线变化规律,并利用干燥过程的土水特征曲线对一维无限边坡稳定性进行研究。结果表明:兴县、富县、西安原状黄土土水特征曲线在地理空间分布上具有一定的规律性;沿兴县—富县—西安,黄土土样进气值逐渐减小,降湿率呈减小趋势,残余含水率呈增加趋势; Van Genuchten模型对黄土原状土样拟合效果比Gardner方程更好,简化的Van Genu-chten模型对各地区黄土均能较好地拟合;随着深度的增加,边坡稳定性系数逐渐降低,同时随着饱和度的降低,边坡稳定性系数逐渐增加;同时兴县黄土边坡较为稳定,主要是兴县黄土的基质吸力项对抗滑力的贡献要明显大于富县和西安黄土。     

微观结构对膨胀土土-水特征曲线的影响

为了探究膨胀土吸湿过程土-水特征曲线与微观结构变化的关系,采用渗析法和气相法对南阳原状膨胀土的持水特性进行研究,获得了土样在全吸力(0.01~309 MPa)范围内的土-水特征曲线。利用Van Genuchten模型对试验结果进行拟合;采用扫描电镜试验和压汞试验测定吸湿过程中土样微观结构的变化,从微观的层面对膨胀土土-水特征曲线的趋势进行分析。研究表明:在吸湿过程中,膨胀土的微孔隙和大孔隙体积含量增多,小孔隙体积含量减少;吸湿过程中小孔隙和微孔隙体积含量的动态变化使得膨胀土表现出在土-水特征曲线没有拐点的情况下持续增湿的特性;大孔隙体积含量的变化只影响土-水特征曲线的边界效应段,但是影响较小。     

竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

为了探讨竖向压力对兰州非饱和重塑黄土土柱压缩湿陷特性、入渗过程及土-水特征的影响,利用一维土柱渗透仪开展了不同竖向压力作用下非饱和重塑黄土土柱的常水头渗水试验,得到其压缩湿陷曲线,浸润峰、入渗量、体积含水量时程曲线与监测截面土-水特征曲线。研究结果表明:(1)土柱压缩性与湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异;尺寸效应不影响试验黄土结构强度,对其湿陷起始压力影响不大;(2)土柱增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小;增湿过程中土柱在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉现象,且竖向压力越大入渗速率变化范围越小;(3)竖向压力作用改变了渗水路径,从而影响了监测点体积含水率的变化;(4)竖向压力作用对土-水特征曲线的三个阶段均有影响,压力作用时土柱饱和度皆大于无压力作用,且随着压力增大饱和度逐步增大,当吸力趋于0时,土样未完全饱和。最后利用经典Van Genuchten模型对不同竖向压力下土-水特征曲线进行拟合,模型拟合效果较好。通过试验及分析,为兰州新区建设提供相关参考依据。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律,开展了一系列完整的脱湿阶段试验,获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率一吸力曲线有交叉与聚拢现象;体积含水率一吸力曲线的交叉现象更为显著;而饱和度一吸力曲线未出现交叉,相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度,体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果,从土的基本体积一质量关系出发,以初始孔隙比与吸力为变量,在一个统一的框架内,构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的土水特征曲线方程,该方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

孔隙比-含水率对黄土湿陷性影响分析

针对湿陷性黄土地区因黄土的湿陷性所引起的工程灾害问题,结合河南省荥阳市豫龙镇金地公园的具体项目,从项目地取自不同埋藏深度的原状黄土土样,通过WG型单杠杆双联固结仪来测试不同深度土样的湿陷性,通过室内试验来测定土样的基本物理指标-孔隙比、含水率,来研究该地区黄土孔隙比、含水率,不同埋藏深度与湿陷性之间的关系,试验结果表明,随着埋藏深度越深,黄土的孔隙比减小,湿陷性减弱;随着深度不断增加,黄土的含水率逐渐增大,黄土的湿陷性逐渐减弱,黄土的湿陷性与深度、含水率呈负相关,由于黄土是在干旱及半干旱等特殊的气候条件下形成的,从宏观上也可以更好地解释孔隙比、含水率、埋藏深度、湿陷性之间的关系。     

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。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

考虑体积变化的非饱和膨胀土土水特征

为探讨吸力作用下膨胀土体变特征对土水特征的影响规律,开展了一系列完整的脱湿阶段试验,获得了5种不同初始孔隙比的荆门压实膨胀土各级吸力下的重力含水率与体积变化。试验结果表明：不同初始孔隙比下的重力含水率－吸力曲线有交叉与聚拢现象;体积含水率－吸力曲线的交叉现象更为显著;而饱和度－吸力曲线未出现交叉,相同吸力下初始孔隙比大的土样具有更低的饱和度,体现出土水特征与体变特征的耦合效应。基于试验成果,从土的基本体积－质量关系出发,以初始孔隙比与吸力为变量,在一个统一的框架内,构建了吸力作用下的体变方程、分别用重力含水率与饱和度表征的SWCC方程,方程能够描述任意初始孔隙比条件下膨胀土干缩过程中重力含水率、孔隙比与饱和度随吸力的变化规律。     

干湿循环作用下原状黄土宏-微观参数关系研究

为探明不同干湿循环条件对原状Q₂黄土宏观力学性能与微观结构的影响,明确宏观力学参数与微观结构参数的定量关系,开展了干湿循环试验、三轴压缩试验和扫描电镜试验,分析了干湿循环过程中原状黄土宏观强度和微观结构的变化规律,基于综合结构势思想,利用宏观力学参数定义了原状黄土可变性参数表达式,推导了用以描述黄土微观孔隙结构特征的孔隙特征参数,建立了原状黄土宏-微观参数关系表达式。结果表明：干湿循环作用下,原状黄土孔隙面积比和分形维数呈增长趋势,黄土峰值偏应力和黏聚力持续减小,干湿循环幅度越大,下限含水率越高,黄土孔隙结构的扩张和宏观强度的衰减越快,但内摩擦角变化不大;原状黄土的可变性可用宏观峰值偏应力与土体黏聚力的比值表征,即可变性参数,随着干湿循环次数的增加,原状黄土可变性参数整体呈非单调增长趋势变化;原状黄土的微观孔隙结构特征可用孔隙面积比和孔隙分形维数的乘积表征,即孔隙特征参数,其与可变性参数的变化关系和三角函数接近;原状黄土峰值偏应力与孔隙特征参数的比值随黏聚力的变化规律服从指数函数关系,经验证,该函数关系可较为合理地描述原状黄土宏观和微观参数间的数量关系。     

新疆某黄土的土水特征及其分形描述

本研究采用新疆某引水渠道边坡的黄土填料进行土水特征曲线试验,研究压实度和应力水平对土料的土水特征的影响规律。针对试验结果,本研究首先采用经典的van Genuchten模型进行曲线拟合。然后采用分形理论进行土水特征曲线的比较分析。结果表明:(1)随着压实度的增加,土水特征曲线向下移动;随着轴向应力的增加,土水特征曲线也会有所下移;(2)相应于孔隙分布,该土料的土水特征曲线具有明显的分形特性;(3)在相同压实度下,不同应力水平的SWCC分形拟合基本平行。采用本文所述的分形方法,在已知不同应力水平下的孔隙率时,可较为合理的从一个应力水平下的土水特征曲线推求其它应力水平下的土水特征曲线。     

压缩变形影响下的土-水特征曲线及其简化表征方法

非饱和土的本构关系研究需获得任意压缩变形条件下的土-水特征曲线,但试验测量往往只能给出特定状态下的土-水特征曲线。压缩变形改变土体孔隙分布特性,从而影响其土-水特征曲线。采用压汞技术、核磁共振技术、扫描电镜研究压缩变形条件下土体孔隙孔径分布的变化规律,基于实测及已有试验数据研究土-水特征曲线变化规律,通过孔径分布变化规律阐释压缩变形影响土-水特征曲线的机制。研究结果表明：在不同的压缩变形条件下,土体（单位颗粒质量）的累计孔隙体积分布整体上呈现“扫帚型”分布,质量含水量表示的土-水特征曲线也呈现相似的分布,二者变化规律较为一致,从而揭示了土-水特征曲线随压缩变形变化的内在机理。在此基础上,建议了一种压缩变形影响下的土-水特征曲线简化表征方法,其描述的土-水特征曲线与试验结果吻合较好。     

重塑黄土崩解特性试验研究

为研究重塑黄土的崩解特性及其与影响因素之间的关系,利用自制崩解试验仪对32种不同干密度、不同初始含水率的黄土试样进行崩解试验,分别得出了试样崩解速率与干密度、初始含水率、有效空隙率的关系曲线,并以土-水特征曲线为基础,分析了试样孔隙结构对其崩解性能的影响。试验结果表明,同一初始含水率下,随着干密度的增加,试样崩解速率呈指数函数形式衰减且衰减速率随初始含水率的增加而近线性增加;同一干密度下,随着初始含水率的增加,试样的崩解速率有降低趋势,但下降趋势并不显著。通过分析干密度、初始含水率与崩解速率的关系,结合试样土水特征曲线,讨论了孔隙结构对崩解速率的影响,并研究了试样崩解速率与有效空隙率的关系,试样崩解速率的分布以有效空隙率等于8%,22%为分界线明显分区,研究认为由于试样制备压实过程中,形成了不同的孔隙结构。     

干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力响应规律研究

非饱和土基质吸力与其微观孔隙结构息息相关。为探究在干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力的响应规律, 以重塑黄土坡滑坡滑带土为研究对象, 采用压汞法分析干湿循环过程中孔隙大小分布规律, 得到不同干湿循环次数下滑带土孔隙分布曲线。在此基础上, 结合分形原理, 将滑带土孔隙划分成三类(大孔隙、中孔隙和小孔隙); 结合毛细管模型, 间接推算出滑带土的土-水特征曲线(SWCC)。研究结果表明:反复干湿循环作用使小孔隙逐渐转化成大孔隙, 颗粒孔隙转化成团粒孔隙; 不同干湿循环次数对应的土-水特征曲线均存在一个共同的拐点, 拐点上侧, 含水率相同时, 随着干湿循环次数增加, 基质吸力逐渐增大, 下侧反之。研究成果有利于深入了解滑带土的干湿循环效应, 可用于库岸滑坡演化机理研究。     

原状黄土冻融过程渗透特性试验研究

通过对西安Q_3原状黄土在冻融作用下的电镜扫描和三轴渗透试验,研究了原状黄土冻融过程渗透特性变化机理及规律。试验表明:冻融过程中由于土体内部冰晶生长及冷生结构形成导致原状黄土微观结构发生显著变化,融化后的黄土在一定程度上增大了渗透性;基于图像处理软件,计算得到孔隙面积比随冻融次数增加呈指数增加趋势,反映出冻融作用一定程度上破坏原状黄土结构强度,使土体渗透性增强,但多次冻融后结构强度和渗透特性趋于稳定。冻融过程试样表面产生不规则裂缝,且含水率越高,土体表面特征破坏越严重,是渗透性增强的主要原因。渗透系数随围压增大呈指数下降趋势,且高围压时渗透系数差异较小;渗透系数随初始含水率增加近似呈抛物线变化规律,但高围压下渗透系数与初始含水率抛物线变化规律不明显;渗透系数随冻融次数增加近似呈指数增加趋势,但低含水率试样渗透系数变化幅度较小。基于试验数据规律性,进一步得到了考虑围压、初始含水率及冻融次数影响的西安Q_3原状黄土渗透系数多变量预测模型。     

延安Q2黄土三轴蠕变特性试验研究

对延安地区Q₂黄土进行了三轴蠕变试验,通过试验得到了延安Q₂黄土不同含水率及不同围压条件下应变-时间曲线和应力应变等时曲线。经过曲线分析发现,应力水平、围压及含水率对延安Q₂黄土的蠕变特性具有较大影响,且当应力水平高于试样的屈服应力时,Q₂黄土表现出显著的非线性蠕变特性。根据蠕变试验结果及模型原理,利用类比法建立了三维应力状态下的黏弹塑性蠕变模型。在此基础上,建立了考虑瞬时损伤的黄土蠕变本构模型,并运用拟牛顿法对模型中的各项参数进行拟合,结果表明：该本构模型适用于延安地区Q₂黄土的蠕变研究,同时,期望该研究成果能为黄土高原其他地区岩土工程设计提供理论及实践意义。     

非饱和原状黄土三轴试验方法研究

作者用组装的非饱和土三轴仪，以武功黄土为研究对象，探讨了非饱和原状黄土三轴压缩试验方法，并通过对５种饱和度、在５个围 压下的三轴压缩试验成果，初步分析了非饱和黄土破坏时水气演化规律。     

结构性对黄土抗剪强度的影响研究

为揭示结构性对原状黄土和重塑黄土抗剪强度的差异影响,以国道Ｇ310三门峡西至豫陕界段的黄土路基为研究背景,对具有相同含水率和干密度的原状黄土和重塑黄土进行一系列直剪试验和扫描电镜试验,对比分析了原状黄土与重塑黄土在抗剪强度和微观结构的差异及其机理。直剪试验结果表明:剪切过程中原状黄土的应力应变关系呈应变软化而重塑黄土的应力应变关系呈应变硬化;原状黄土的应变软化现象随着垂直压力的增大逐渐减弱;原状黄土的抗剪强度参数比重塑黄土的大。原状黄土和重塑黄土的抗剪强度均随黄土黏粒含量的减少而降低。微观试验结果表明:原状黄土具有清晰的骨架颗粒、明显的支架孔隙、密集的接触处胶结物,其完整的原生结构是使其抗剪强度高于重塑黄土的主要原因。