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。     

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。     

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。     

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。     

成都平原粉土和粉砂土的土-水特征曲线研究

土体与土中非饱和水之间关系可以用土-水特征曲线(SWCC)来表示。利用压力板仪对成都平原采集的粉土和粉砂土进行SWCC试验,选取3种模型对试验数据进行拟合,分析粉土和粉砂土的水分特征曲线的规律:通过拟合比较,3种模型均可对SWCC曲线进行较好的拟合,其中Fredlund-Xing模型拟合效果最好;两种壤土的残余含水率基本相同,粉粒(细粒)对土体持水能力作用不甚明显。     

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。     

非饱和高液限土土-水特性试验研究

为研究非饱和高液限土土-水特性及其不同条件下土-水特性试验的适用性,分别采用滤纸法、非饱和土固结仪法和现场试验法对公路边坡工程中非饱和高液限土进行测量土-水特征曲线的试验研究。结果表明:滤纸法测得的土-水特征曲线与室内方法存在差距,大部分在室内测得土-水特征曲线的回滞圈内,对曲线进行拟合得到含水率与基质吸力对数呈线性关系;室内非饱和土固结仪法试验得到的土-水特征曲线出现滞回效应,曲线利用VG模型可较好地拟合;现场监测得到的土-水特征曲线(SWCC)与室内试验方法的结果存在差距,但大部分在吸湿曲线和脱湿曲线之间,更接近吸湿曲线,曲线受土体上覆应力影响,上覆应力越大曲线越陡,且基质吸力与含水率成负相关,二者不存在滞后现象,曲线可利用线性函数较好地拟合。     

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。     

考虑滞后效应与吸附作用的非饱和土SWCC分形模型

传统土-水特征曲线(SWCC)模型的研究仅考虑了土壤基质势的毛细组分而忽略了吸附组分,高估了土壤在低饱和度范围的基质吸力。针对该问题,假设土壤孔隙系统可用一簇带有孔喉的毛细管表示,且其孔径分布服从分形规律。在此基础上将土壤中水分运移分为2个阶段,即毛细水与吸附水共同参与水分运移阶段,以及仅吸附水参与水分运移阶段,推导得到了可以反映全基质吸力范围土壤持水特征及滞后效应的SWCC模型。最后采用已有的试验数据与研究结果对得到的本构模型进行验证,结果表明所提出的SWCC模型预测曲线与试验数据吻合良好,且相比已有方法可更好地描述非饱和土SWCC的持水特性,证明了该模型的合理性与可行性。     

侧限条件下原状黄土增湿特性研究

目前,对侧限条件下原状黄土增湿过程中的变形和持水特性研究还较少。以新疆伊犁原状黄土为对象,采用固结仪开展了不同竖向压力作用下的分级增湿试验和湿陷试验。在分级增湿试验中,研究了增湿过程中持水特性以及静止土压力系数的变化规律,提出了侧限条件下土水特征曲线模型以及静止土压力系数的表达式;引入"增湿水平"这一变量描述土体的含水状态,研究了增湿变形与增湿水平的相关关系。最后通过比较增湿试验(单线法)和湿陷试验(双线法)所得到的增湿水平与增湿变形系数关系曲线,验证了两种试验方法在黄土增湿变形研究中的等效性。     

干湿循环对非饱和黄土渗透系数的影响研究

针对不同干密度的重塑非饱和黄土,利用GCTS压力仪研究非饱和黄土在干湿循环条件下的土－水特征曲线,选用van Genuchten模型拟合体积含水量与基质吸力的关系,结合Childs & Collis-Geroge模型预测黄土的非饱和渗透系数,进而分析干湿循环作用及干密度对非饱和渗透系数的影响。研究结果表明：试验地区非饱和黄土的土－水特征曲线拟合相关度高达0.97以上,有良好的适用性;黄土的非饱和渗透系数与干湿循环次数及干密度之间均符合指数函数关系;相同基质吸力条件下,干密度大的黄土非饱和渗透系数大,基质吸力较小时,干密度为1.74 g/cm³的黄土比干密度为1.56 g/cm³的黄土非饱和渗透系数大10²数量级;当干密度保持不变时,随着干湿循环次数的增加,渗透系数逐渐增大,其增幅随体积含水量的增大而增大,随基质吸力的增大而减小;当非饱和黄土试样的体积含水量接近残余含水量时,土体的渗透系数趋于稳定。     

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。     

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。     

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。     

非饱和渗流分析在FLAC3D中的实现和应用

基于FLAC3D内置的FISH语言,对其渗流模型进行了扩展。将实验室测得的原状黄土土水特征曲线,利用MATLAB实现了参数拟合。将拟合参数编写为子程序,在每步渗流分析中加以调用,从而实现非饱和土的渗流模拟。利用该方法与有限元法分别模拟3种边界条件下的一维入渗问题,并比较模拟结果。经验证,结果吻合。其结果对研究非饱和土理论及扩展FLAC3D在非饱和土数值计算方面的应用均具有一定的意义。     

应用一步流动法快速测定土水特征曲线试验研究

实验室常用压力板仪进行常规试验测定粉土土水特征曲线（SWCC）,需耗费数月时间,效率不高。对快速测定粉土SWCC进行了试验研究：采用压力板仪对粉土试样开展一步流动法试验;同时,用Hydrus-1D建立一维水分运移模型;结合模型对干密度为1.78 g/cm3粉土试样中溢出水量随加压时间的关系曲线进行拟合,并得出VG模型中难以实测的参数α和n;根据参数反算出粉土试样SWCC并和压力板仪常规试验的SWCC进行对比。为了消除试验中加载压力过大可能造成的固结对试验结果的影响,还对干密度为1.65 g/cm3的粉土试样进行固结试验使其干密度增大为1.78 g/cm3,再对固结后粉土试样分别进行常规试验和一步流动法试验。对由两种试验得到的固结粉土的SWCC与初始干密度1.78 g/cm3粉土由两种试验实测的SWCC进行了比较。结果表明：① 一步流动法试验拟合的SWCC与常规试验实测的SWCC重合度高;② 一步流动法试验具有快速性和有效性;③ 由Hydrus-1D建立的一维水分运移模型得出的SWCC与常规试验实测的SWCC接近;④ 一步流动法试验结果不会受到固结的影响。     

原状黄土与混凝土接触面特性的大型单剪试验研究

考虑到目前关于土与结构接触面研究当中的土样主要采用的是重塑土,与实际有所差别。利用自制的大型单剪仪对原状黄土与混凝土接触面进行了单剪试验研究。从试验结果中分析原状土与重塑土分别与混凝土接触面特性的差异,从两个方面分析出接触面的厚度。并对其接触面的本构关系进行了研究。