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。     

甘肃Q3原状黄土的微观结构对其土-水特征曲线的影响

为了探究原状黄土土-水特征曲线与土样微观结构之间的关系,对甘肃黑方台不同埋深Q_3原状黄土进行了基本物理指标的测试,张力计法测得其土-水特征曲线,并利用FredlundXing模型对土-水特征曲线进行了拟合。采用光学显微镜和Photoshop合成技术获得了不同埋深土样的微观结构,统计得到孔隙累积级配曲线和分布曲线。结果表明不同埋深Q_3黄土,颗粒组成相同;其土水特征曲线,在饱和区,相同基质吸力下土样埋深(干密度)越大,体积含水率越小;而在过渡区,体积含水率则越大;在残余区,土水特征曲线几乎重合,这种差异主要是由土样的孔隙分布特征所控制。最后根据土样的分布曲线建立了黄土土水特征的本构关系,其预测值同实测值基本吻合。     

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。     

孔隙介质土水特征曲线简化模型研究

考虑残余含气量的毛细滞回内变量模型必须给定三条边界土水特征曲线,即初始脱湿曲线(IDC)、主脱湿曲线(MDC)、主吸湿曲线(MWC)才能对非饱和土的高阶扫描线进行计算。而土水特征曲线的测定需要花费较长时间,费时费力。基于非饱和介质微观理论,研究了孔隙介质的吸/脱湿现象及毛细滞回现象,结合已有经验模型,提出不需要任何参数的经验模型来计算主脱湿曲线。若根据试验数据已知初始脱湿曲线、主吸湿曲线,则该模型不需要任何参数便可直接计算得出主脱湿曲线。最后通过试验数据对模型进行验证,结果表明所提出的模型预测效果较好。     

黏性土粒径分布的多重分形特性及土-水特征曲线的预测研究

土壤粒径分布的分形特性常由单一分维数来描述,这一分形参数可作为土-水特征曲线模型中的常数。但实验证据显示,单一分维数不足以描述某些黏性土在整个粒径范围土粒的分形分布。为了评估粒径分布的多重分形参数预测土-水特征曲线的效能,对3个黏土样实测粒径分布和土-水特征曲线,研究粒径分布的多重分形特性,并利用分形模型预测土-水特征曲线。研究发现,在较为宽泛的粒径范围,土的粒径分布存在3个不同分维数的土粒区域,分维数的大小与土粒区域的粒径大小有关。粒径越大的区域,分维数越大;利用不同区域的分维数预测土-水特征曲线并与实测结果比较,显示模型预测对多重分形参数较为敏感,采用大粒径区域分维数的计算结果与实测数据甚为吻合。虽然多重分形参数精确描述了土粒的分形分布,但在预测土-水特征曲线时应考虑粒径分布分形标度性质的差异。     

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q₃黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明：原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θ_s、α、n变化幅度较小,而参数θ_r随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。     

粉质砂土的土-水特征及一维应力变形试验研究

浅层非饱和土的力学特性与其土-水特征密切相关,研究自重应力作用下土体的土-水特征曲线及一维应力变形对于边坡、基坑等工程的稳定性分析具有重要意义。采用应力相关的压力板仪对西南某地区的粉质砂土进行了干燥试验及k₀固结试验。结果表明:在较低的竖向应力状态下,应力大小变化对粉质砂土的土-水特征曲线影响不大;在一定的净竖向应力状态下,粉质砂土的体积应变随吸力的增加呈线性增大;在一定的吸力状态下,粉质砂土的k₀固结变形是非线弹性的,净竖向应力越大,土体的体积应变越大,孔隙比越小。     

应力作用下非饱和土土-水特征曲线研究

总结有关土-水特征曲线的研究成果,利用非饱和土固结仪进行非饱和重塑粘土试样的土-水特征曲线试验,分析了竖向压力和固结压力对土-水特征曲线的影响,并利用Fredlund 3参数模型对试验数据进行拟合。研究结果表明,竖向压力越高,土-水特征曲线越平缓,空气进入值越大,同吸力下的土体饱和度越大。固结压力的影响与竖向压力相似。     

改性玄武岩残积土土-水特征曲线试验研究

为研究地下水对改性玄武岩残积土的影响,采用经过石灰、粉煤灰和水泥改性处理的两种不同配比及未处理土(对照组)进行土-水特征曲线试验,并对试验数据进行了数学模型拟合.研究结果表明:①土-水特征曲线由下降段和平缓段组成,下降段基质吸力对非饱和土的性质影响显著,平缓段影响不显著;②体积含水率随基质吸力的增大而逐渐减小,同时改性...     

描述黏粒含量对土-水特征曲线影响规律的分形模型

土体黏粒含量越高则吸附能力越强，从而影响土体的持水特性，因此，黏粒含量与土-水特征曲线之间理论上存在特定关系。基于分形理论，建立了质量分维数与黏粒含量的关系式，利用已有试验数据验证了该式的合理性，并从理论上解释了质量分维数随黏粒含量增大的基本规律。在此基础之上，结合Bird等人的研究成果，建立了分形模型描述土体黏粒含量对土-水特征曲线影响规律，该模型预测的土-水特征曲线与已有不同土类样本的试验数据吻合较好，从而证明了该模型的有效性。最后，利用该模型同时预测了不同黏粒含量典型土体的土-水特征曲线，形象的阐明了黏粒含量对土-水特征曲线影响的基本规律。     

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。     

非饱和泥岩土水特征曲线试验及数学模型研究

非饱和土对水分存在吸力,严重影响土体的工程特性。以一高速铁路地基泥岩为研究对象,应用滤纸法研究含水率及压实作用对其吸力的影响。研究结果表明:随着含水率的增加,基质吸力及总吸力呈非线性减小,减小过程分为骤减阶段、速率减小阶段和吸力稳定阶段;在低含水率情况下,土体中水分以气态形式进行迁移,此时接触滤纸量测的吸力为总吸力;接触滤纸的平衡含水率随着土体含水率的增加呈线性增加;干密度对低饱和度下土样的总吸力影响较大,同一饱和度下土样干密度越大,则基质吸力越大;在单对数坐标中,土水特征曲线近似呈"S"形,选用典型的SWCC模型对试验数据进行了拟合,拟合效果良好。试验结果可用于该类土体相关工程特性的预测及建模。     

粉土土水特征曲线影响因素试验及模型验证

土水特征曲线(SWCC)的影响因素有很多,为了探究其主要影响因素,采用压力板仪测定了初始干密度为1.78 g/cm~3的土样A和初始干密度为1.65 g/cm~3、经固结试验后干密度为1.78 g/cm~3的土样B它们的初始脱湿线,发现二者基本重合。这说明在其他条件相同的情况下,是干密度而非固结压力决定了SWCC形态。测定了土样B的主吸湿线和主脱湿线,并采用毛细滞回简化模型计算了土样的主脱湿线,计算所得主脱湿线和试验得到的主脱湿线基本重合,验证了该模型的有效性。     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

堆石混凝土单轴受压应力-应变全曲线试验方法研究

为了研究堆石混凝土应力-应变全曲线,采用碟形弹簧与钢柱组合成附加刚性元件增强压力机的刚性,研究了碟形弹簧并联与串联联结装置的变形量和刚度以及实现单轴受压端部减摩措施,提出了一种堆石混凝土单轴受压应力-应变全曲线的试验方法。在混凝土压力试验机上进行了堆石混凝土立方体试件单轴受压试验,测得了堆石混凝土受压应力-应变全曲线。试件破坏形态表明,采用的端部减摩措施有效,测得的应力-应变曲线下降段验证了碟形弹簧与钢柱组合装置能够吸收试件破坏时混凝土压力试验机存储的变形能。研究结果为在混凝土压力试验机上进行堆石混凝土单轴受压应力-应变全曲线提供了可行、简便、经济的测试方法。     

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。     

重力式码头抛石基床压缩特性和变形参数试验研究

通过对重力式码头抛石基床的块石体进行原型尺度的压缩试验,研究其压缩特性和变形参数。在钢料筒中随机抛填10～80 kg块石,分级施加压力荷载,观测块石的破碎现象,测试块石体的荷载-压缩量曲线及钢料筒的环向应变,结合有限元分析,得到块石体的应力-应变曲线及变形参数。对5组不同初始孔隙比和级配的块石体试样进行了往复加卸载的压缩试验,结合试验现象和测试数据,分析了块石体的颗粒破碎特性、压缩特性和孔隙比变化特性。块石体的泊松比参数介于0.2～0.3之间,其压缩模量参数与加载次数有关,可分为一次加载、二次加载和多次加载的三个压缩模量参数。重力式码头抛石基床中块石体的应力-应变曲线可以以不同加载次数的历史最大应力为分段点,分段选取对应的压缩模量参数来分段线性表达。     

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。