干–湿循环过程中吸力与强度关系研究

针对膨胀土干–湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征,开展试验研究。采用体积压力板仪实现脱湿和吸湿并制备不同吸力的试样,通过直剪试验测试不同吸力下的抗剪强度。试验成果显示:①土水特征曲线是不稳定的,它与土体含水率的变化路径有关;②在干湿循环过程中,相同的吸力具有不同的强度贡献。     

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。     

脱湿路径下考虑干湿循环和体变影响的膨胀土土水特征

为了研究干湿循环和体积变化对膨胀土土水特征曲线的影响,利用改进的非饱和土真三轴仪,对经历不同干湿循环后的弱膨胀土进行脱湿试验,测得每级脱湿稳定后的质量含水率和孔隙比。试验结果表明：干湿循环次数越大,饱和后的孔隙比越大,而脱湿后的孔隙比越小。干湿循环后膨胀土的含水率和孔隙比随着吸力的增大而减小;在基质吸力的增大作用下,质量含水率–吸力关系曲线、饱和度–吸力关系曲线出现交叉现象,孔隙比–吸力关系曲线出现交叉聚拢现象;干湿循环次数越大,脱湿完成后膨胀土的体积含水率和饱和度越小,体现了干湿循环后膨胀土的土水特征与体变特性的耦合效应。以Fredlund-Xing模型为基础,构建以质量含水率表达的考虑干湿循环影响的SWCC方程,再建立考虑干湿循环影响的膨胀土的体变方程,最后得出以饱和度表达的考虑干湿循环和体积变化影响的SWCC方程,这3个模型均能够很好地描述不同干湿循环后膨胀土的质量含水率、孔隙比和饱和度的变化规律。     

非饱和膨胀土强度及土水特性室内试验研究

依托某浅埋膨胀土隧道工程,制备不同含水率的土样进行直剪试验,建立了膨胀土强度参数随含水率变化的经验公式,采用滤纸法测得膨胀土在吸湿过程中基质吸力随含水率的变化规律,并依据试验数据对土—水特征曲线按V-G模型进行拟合并确定拟合参数,结果表明:现场膨胀土属于低压缩性土,具有中等膨胀潜势,土体摩擦角随含水率的增加呈线性减小,黏聚力随含水率的增加呈二次抛物线形减小,土—水特征曲线与V-G模型拟合程度较好。     

基于各向等压压缩和土的收缩试验预测脱湿路径下的土水特征曲线

由于土水特性试验需要专门的仪器且耗时，所以土水特征曲线在工程设计中的应用尚未普及。以粉质砂土、黏性土和膨胀土为研究对象，通过开展室内饱和土的各向等压压缩和土的收缩试验，提出一个预测脱湿路径下低吸力范围内SWCC的简单方法。研究结果表明：基于有效应力与变形的统一关系，可以构建饱和土和非饱和土之间的联系；针对不同初始干密度下土的收缩特征曲线，利用曲率公式并结合所提均值法，可定量获得残余含水率；利用所提方法预测的低吸力范围SWCC与试验数据具有良好的一致性。该研究结果可以确保在进行必要的常规饱和土试验时，能够间接获得非饱和水力参数。     

脱湿状态对膨胀土膨胀变形和强度特性的影响

非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。     

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。     

基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型及影响因素分析

含水率变化时膨胀土湿胀干缩引起裂隙开展,裂隙的形态特征影响着膨胀土强度、渗透及变形性能。基于弹性力学理论,采用湿变量代替基质吸力来研究膨胀土的应力和变形特性,推导考虑湿变量的膨胀土湿变应力解析解;结合静力平衡条件和饱和土抗剪强度理论,建立基于湿变量的膨胀土初始裂隙模型,获得脱湿条件下膨胀土初始裂隙深度、间距和宽度的定量表达式;通过裂隙开展试验结果与模型计算结果对比分析,验证模型的合理性;最后对裂隙间距和宽度与土体弹性模量、收缩系数、湿变分布系数和凝聚力的关系进行了敏感性分析。     

干湿循环后膨胀土力学特性的真三轴试验研究

为了研究原状膨胀土经过反复干湿循环稳定后的力学性状,利用非饱和土真三轴仪对经历不同干湿循环后的膨胀土进行了一系列脱湿-吸湿试验、常吸力等向固结试验和常吸力真三轴剪切试验,研究干湿循环对膨胀土土-水曲线、胀缩特性、压缩特性和强度特性的影响。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,脱湿曲线和吸湿曲线形成的滞回圈越来越小,甚至发生了逆向回滞;脱湿速率和吸湿速率随着循环次数的增加而增大。脱湿—吸湿过程中体变性状皆呈明显的屈服特性,验证了膨胀土本构模型中SI和SD屈服包线的存在,脱湿屈服吸力均大于吸湿屈服吸力,且二者皆随着循环次数的增加而减小。在低围压和低吸力条件下,干湿循环对膨胀土的压缩特性影响较大,而在高围压和高吸力条件下影响较小。干湿循环使膨胀土的黏聚力和内摩擦角降低,干湿循环后膨胀土的黏聚力随着吸力和中主应力的增大而增大,内摩擦角随着中主应力的增大而减小。在低吸力范围内(s≤200 kPa),干湿循环后的膨胀土的吸力摩擦角φ_b是一个变量。经历3次干湿循环后膨胀土的强度逐渐趋于稳定,其吸力摩擦角可看作是一个常量,其值随着b值的增大非线性增大。     

脱湿速率对膨胀土堑坡稳定性的影响分析

以广西南宁膨胀土为研究对象,设置不同温湿度条件引起的脱湿环境,测试不同脱湿速率作用下,膨胀土的收缩特性以及持水能力,预测不同脱湿速率作用下非饱和土体渗透曲线,并对膨胀土边坡雨水入渗过程进行数值模拟计算。试验结果表明,脱湿速率越小,膨胀土收缩变形越大,这说明自然条件下湿度大的气候里,经过缓慢蒸发,表层土体的膨胀潜势会较大。数值计算结果表明,脱湿速率较小时,降雨后边坡雨水入渗的影响深度较大,这说明,湿度大的气候条件下,长期的蒸发过程,会导致更大的降雨入渗深度,从而不利于膨胀土边坡的稳定。     

南阳膨胀土变形与强度特性的三轴试验研究

对南阳膨胀土做了4种应力路径的三轴试验，即控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的收缩试验、控制净平均应力的膨胀试验、同时控制净室压力和吸力的排水剪切试验，结果表明：膨胀土各向同性压缩屈服特性仍可用一般非饱和土的LC屈服线描述；不同围压下的收缩路径的屈服吸力随围压增大而减小，且屈服后的收缩指数接近各向同性压缩屈服后的压缩指数；非饱和状态下的内摩擦角近似等于饱和状态下的有效内摩擦角，总粘聚力随吸力增加而线性增大；在各向同性压缩试验和三轴剪切试验过程中，土样含水量随净平均应力的变化都近似为线性关系。     

膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析

膨胀土在膨胀过程中会产生膨胀应力,收缩过程中亦会产生收缩应力。探究膨胀土在干燥过程中收缩应力的变化规律对理解收缩变形机制有重要意义。为了掌握膨胀土在干燥过程中内部收缩应力与含水率及吸力之间的关系,在控制相对湿度条件下开展了一系列干燥试验。试验中共配置了3组初始饱和的泥浆样,将试样分别置于装有不同过饱和盐溶液的保湿器中,并在恒温20℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率的变化。此外,在试验过程中,通过在试样内部植入微型压力传感器来测定土体收缩应力随干燥时间的变化。试验结果表明:①在不同相对湿度条件下,土体内水分蒸发特性不同,如相对湿度越小,土体水分蒸发的越快,且蒸发结束后,土体残余含水率越低;②干燥过程中,土体内收缩应力呈现明显的阶段性变化特征。干燥前期,收缩应力随时间的推移增加缓慢,但当达到临界时间点ts或临界含水率ws以后,收缩应力随着干燥的持续开始急剧增加,并且蒸发速率越大,ts和ws越小;③干燥结束后,土体内部收缩应力与环境相对湿度呈负相关,与对应吸力呈正相关。     

非饱和土强度的吸力贡献形式研究

在三级法向应力条件下,分别对处于饱和与最优含水率状态时的4种土样进行直剪实验。所得结果表明,基质吸力会转化为土样的一种黏聚力,并以这种形式来增强土样的强度。与此同时,吸力对土样内摩擦角所造成的影响却是很微小的。分别用同种土样来进行持水特性试验,得到了每种土样处于吸湿与脱湿过程时的土–水特征曲线。对土–水特征曲线进行分析后可知,同种土样的强度特征与其所经受的水力路径是息息相关的;另一方面,与饱和土相比,促使非饱和土强度得以增加的因素是多样的,基质吸力只是占主导地位的因素。依据分析所得结果,可将Fredlund等人提出的非饱和土抗剪强度公式表述为更为直观的形式。     

压实高岭土干燥收缩特性试验

为研究初始干密度和初始含水率对高岭土干燥收缩行为的影响,探究其干燥收缩机理,采用数字图像相关法来测量环刀试样的径向变形,在设计的干燥收缩试验平台进行了一系列干缩试验,结合试验得到的收缩曲线和相应的土水特征曲线获得吸应力固结曲线。结果表明:饱和高岭土大部分收缩变形发生在进气点之前的饱和状态;试样在干缩过程中以径向变形为主,表现出比较明显的各向异性,这种各向异性的变形特性随初始饱和度的增加而减弱;随着初始干密度增大,试样干燥收缩稳定所需要的时间逐渐减小,稳定时的体积变形也相应减小,然而试样的初始干密度和饱和度对收缩变形稳定时的含水率几乎没有影响;吸应力固结曲线与饱和土的等向固结曲线近似重合的曲线形态表明吸应力和净平均应力对土收缩变形的作用效果是一致的;在等向应力条件下,有效应力是影响土体干缩变形的决定性应力;提出的结合干燥收缩试验和等向固结试验曲线的间接测量土水特征曲线的方法是相对可靠的。     

非饱和膨胀土的三轴试验研究

用改装可测吸力的三轴仪，研究了宁夏膨胀上的变形性质和强度特性。试验结果表明，含水量（吸力）决定了上样的变形行为，并影响了土样的强度；随着含水量增加，土样的塑性应变量增加，强度减小。文中还研究了随吸力的变化规律及非地和上强度理论中的状态变量的选取方法。     

路基非饱和土抗剪强度的吸力效应

从宏观的吸力控制型直剪试验和微观的土体颗粒结构2方面入手,对路基非饱和土抗剪强度的吸力效应进行了研究.在不同吸力和不同法向应力条件下完成4组剪切试验,并选取2种不同含水量的同类型土样进行结构扫描.研究结果表明,与粘性土不同的是,当粉质砂土含水量逐渐降低时,土体基质吸力对土体抗剪强度的贡献效果并不是一直增加的,而是存在一...     

邯郸非饱和膨胀土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对物理性质不同的4种非饱和膨胀土体结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某一定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明影响,称此基质吸力为缩限吸力。并且不同性质土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试验的饱和度减小到85%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

膨胀土收缩开裂过程及其温度效应

温度作为主要的外部环境因素之一,对膨胀土水-力学性质有重要影响。为了了解膨胀土在不同温度条件下的干缩开裂特性,开展了一系列干燥试验。试验中共配制了9组初始饱和的泥浆试样,干燥环境温度分别为22℃,60℃和105℃。在干燥过程中,实时监测试样的含水率变化及表面裂隙的演化过程,利用数字图像处理技术,对裂隙图像进行了定量分析,获得了表面裂隙率R_sc;采用填充法,测量了裂隙的体积。结果表明：在干燥初期,试样中水分蒸发速率为常数,且随温度的增加而增加,试样达到残余含水率所需时间随温度的增加而减小;裂隙出现时对应的临界含水率w_IC受温度的影响非常明显,当温度从22℃增加到105℃时,w_IC从38.0%增加到90.9%;在裂隙发展前期,R_sc增速较缓,随后进入快速发展期,较小的含水率变化可导致R_sc迅速增加;当含水率接近终期临界含水率w_FC或缩限时,裂隙发展趋于稳定,且w_FC基本不受温度的影响;在高温环境下,膨胀土的裂隙发育程度较低温环境高,存在明显的温度效应。