基于变截面孔隙模型描述岩土介质的渗透及持水特性

为研究孔隙变截面特征对岩土介质渗透及持水特性的影响,先构建了圆柱形孔喉–大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型。其次,假定孔径分布服从分形分布,基于构建的变截面孔隙模型推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论表达式。最后,利用已有文献中4种砂岩、8种土的饱和–非饱和渗透试验以及3种土的减、增湿持水试验(含一种黏土的补充持水试验)结果分别验证了理论表达式在表征饱和渗透率与孔隙率关系、相对渗透系数与有效饱和度关系以及滞回持水特性时的有效性,通过计算饱和渗透率及相对渗透系数的预测值与其实测值之间的均方根偏差,发现理论表达式在描述4种砂岩和8种土的饱和–非饱和渗透特性时优于Kozeny-Carman公式和Assouline模型。     

湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗气渗水函数

饱和度和密度都会对非饱和土的渗透系数产生影响,而准确确定非饱和土的渗透系数在饱和/非饱和土体渗流分析中非常重要。利用改进的非饱和土水气运动联合测定仪,对重塑非饱和黄土试样进行不同增湿级数和初始干密度条件下的渗透试验,研究饱和度、干密度、渗气系数及渗水系数间的关系,建立湿度和密度双变化条件下的渗气渗水函数,并通过试验验证该函数的适用性和准确性。研究表明,该函数既可用于确定渗水系数,又可用于定量描述非饱和土孔隙中水气运动之间的相互影响,其在非饱和土固结分析、稳定分析及饱和非饱和渗流分析中具有较强的应用前景。     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。     

气体压力和孔隙对垃圾土体气体渗透系数影响的研究

垃圾土的非饱和气体渗透系数是填埋场气体运移分析和抽气井设计的重要参数,孔隙比、有机物含量、饱和度等是影响垃圾土渗透特性的主要因素。通过研制的垃圾土非饱和渗透试验仪,进行了不同影响因素下的非饱和垃圾土气体渗透试验,发现渗透系数随渗透压力呈现非线性特性,可以用Forchheimer非达西渗流方程较好地拟合。孔隙比增加,渗透系数增大,非达西系数Ba逐渐减小,分界点的气体压力减小;有机物含量越高,渗透系数越小,分界点气体压力越大;片状分布有机物使有效连通的渗透路径减少是垃圾体气体渗透特性降低的原因;饱和度越高,垃圾土的渗透系数越小,分界点气体压力越大;在试验的有效孔隙范围内,渗透系数、分界点气体压力与有效孔隙呈现较好的相关关系、非达西系数变化不大。     

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明:孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比(吸力与脱气值之比)关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。     

基于持水曲线预测非饱和土相对渗气系数的新方法

准确模拟非饱和土中的水、气运移规律需合理地描述其孔隙中的持水特性以及水、气两相的流动特性。借鉴预测相对渗水系数的已有方法,提出了基于持水曲线预测相对渗气系数的新方法,认为幂指数aη随孔隙尺寸分布系数?(由持水曲线确定)增大呈指数递减趋势。随后,利用已有文献中22种试样和5种试样(从砂土至粉质黏壤土)的持水及渗气试验结果分别标定和验证该方法,结果表明:新方法在表征相对渗气系数与有效气相饱和度的关系时优于已有预测方法。     

基于动态多步流动法的非饱和土水力特性测试研究

非饱和土水力特性在非饱和土的研究中起重要作用。鉴于传统的测试方法耗时较长,提出能够快速测定非饱和土水力特性的动态多步流动方法。该方法基于WeiDewoolkar提出的多孔介质热动力学混合物理论模型,推导出能够描述非平衡态的非饱和土饱和度的演化方程,通过对粉土和粉质黏土两种试样开展动态多步流动试验,并根据动态试验结果求解饱和度演化方程,得出试样处于平衡状态时的土水特征曲线和渗透函数。该方法不需要求解初边值问题,仅仅需要动态多步流动的试验数据求解饱和度的演化方程,进而得出试样的水力特性参数,与其它方法相比,该方法更加简单有效。     

饱和度变化对弹性波在非饱和砂岩表面反射和透射的影响

通过将等效流体模型和非饱和土Darcy定理引入Biot-Geertsma-Gassmann方程，研究弹性波由饱和孔隙介质向非饱和孔隙介质传播时，饱和度变化对弹性波反射系数、透射系数，以及弹性波携带的能量分配的影响。分别推导了振幅反射系数、透射系数以及能流密度的反射系数、透射系数的理论表达式，并在此基础上给出数值算例。计算结果表明，饱和度的轻微变动不仅对波的反射系数、透射系数产生巨大的影响，还将极大地影响到入射波的能量分配。得出的结论一方而在理论上揭示了土动力学研究中应更加重视饱和度变化的影响，另一方面以对工程地震勘探中常用的地震反射波法、地震折射波法以及声波测井数据处理何实际工程意义。     

非饱和土中热湿盐多场耦合过程分析

以多孔介质理论为基础研究了非稳态条件下非饱和土中温度–水分–盐分多场耦合问题。考虑到非饱和土中孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维非稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和含盐量以及其梯度作为状态变量,得到问题的状态方程组。利用Laplace变换将时域上的状态方程转换到频域上,在给定的边界条件下,采用打靶法求解该强耦合的非线性变系数微分方程组。基于Hausdorff矩问题的稳定化算法将频域上的数值解转化到时域上,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例与参数,分析了压力梯度、温度梯度、孔隙率等条件对非饱和中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

一维稳态流下非饱和土静止土压力系数的铅直分布

对一维稳态流下非饱和土静止土压力系数铅直分布开展研究,根据非饱和土上覆应力微分方程,推导一维稳态流条件下土的重度和上覆应力铅直分布表达式,并基于此对非饱和土静止土压力系数铅直分布表达式进行修正。研究结果表明:重度的铅直分布函数近似呈幂函数;上覆应力的铅直分布函数为一线性函数和一定积分函数的叠加;修正后静止土压力系数表明该系数除了受土的物理性质影响之外,还与流动条件有关。最后通过算例计算和分析在不同流动方向和比流量情况下均质非饱和黄土层内土的重度、上覆应力和静止土压力系数的铅直分布。算例的结果表明:非饱和黄土层内土的重度铅直分布规律对流动方向和比流量的变化敏感,土的重度在入渗条件下最大,静水条件下次之,蒸发条件下最小;入渗条件下土的重度随比流量的增大而增大;蒸发条件下,则相反;上覆应力沿铅直方向近似呈线性分布;静止土压力系数在入渗条件最大,静水条件次之,蒸发条件最小;入渗条件下静止土压力系数随比流量的增大而增大;蒸发条件下,则相反。     

考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数方程

基于饱和度随孔隙比变化的增量关系以及利用非饱和土土水特征曲线（SWCC）预测渗透系数的方法,建立了一种考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数间接预测方法。在非饱和土SWCC方程基础上,该方法只需增加一个参数,即可对某一种土在不同初始孔隙比条件下的相对渗透系数进行预测,通过与试验结果的对比,证实了所建立的预测模型的正确性。     

考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型(GCM)为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。     

非饱和砂土及黏土的水-力耦合双屈服面模型

使用精细的本构模型来同时分析非饱和砂土和黏土水力耦合特性依旧是一个挑战。提出了一种包含加载湿陷及剪切滑移双重塑性机制的水-力耦合模型。力学模型中选取Bishop应力作为应力变量,采用孔隙比和有效饱和度作为状态变量。模型中给出了孔隙比-平均土骨架应力的半对数坐标系内依赖于有效饱和度的临界状态线的表达式,其与剪切滑动屈服面的非关联流动准则的结合保证了模型可以更合理地预测非饱和土（包括砂土和黏土）的剪胀和剪缩性质。通过模拟粉砂和高岭土的三轴试验,对该模型预测非饱和土主要特征的能力进行了分析。     

Liquefaction of Unsaturated Sand Considering the Pore Air Pressure and Volume Compressibility of the Soil Particle Skeleton

A series of cyclic triaxial tests of unsaturated soils was conducted to get a better understanding of the general liquefaction state of unsaturated soils. In the tests, cyclic shear strain was applied to fine clean sand with the same dry density but different initial suction states under the undrained condition. During cyclic shear, the volume change of the soil particle skeleton, the pore air pressure and the pore water pressure were measured continuously. Having used the effective stress defined by Bishop (Bishop et al., 1963), where the net stress and suction contribute to the effective stress, our test results showed that unsaturated sand specimens with quite a low degree of saturation lose their effective stress due to cyclic shear. At a zero effective stress state, unsaturated specimens behaved similarly to liquids in much the same way as saturated specimens. From experimental and theoretical considerations, the zero effective stress state (i.e., liquefaction) for unsaturated sand was found to have been established when both the pore air and water pressures build up to the point where it is equal to the initial total pressure. A volume change of pore air under the undrained condition, if a volume change of pore water is negligible, is equal to that of the soil particle skeleton. Therefore, it can be concluded that the liquefaction of unsaturated soil generally depends on the volume compressibility of the soil particle skeleton and the degree of saturation. On the other hand, according to the ideal gas equation of Boyle-Charles law, the volume change required to bring about a zero effective stress state can be calculated from the initial pore air pressure (usually the atmospheric pressure) and the final pore air pressure (the initial confining pressure). Therefore, the liquefaction of unsaturated soils also depends on the initial confining pressure. Based on this concept, the liquefaction potential of unsaturated soil can be evaluated by comparing the volume compressibility of the soil particle skeleton and the volume change of the pore air required to bring about a zero effective stress state.     

非饱和土的修正SFG模型研究

从非饱和土的有效应力出发,对SFG模型进行了修正,将饱和度的影响引入到了模型当中,使得模型在不增加参数的同时可以反映更多的实验现象。首先简单介绍了SFG模型。然后以功的表达式推导得到的非饱和土有效应力为基础给出了非饱和土的体变方程,在饱和阶段该方程可以自动退化为饱和土的体变方程。结合土水特征曲线方程,推导得到了修正模型的加载湿陷屈服面方程,由此得到的屈服面方程不仅是吸力的函数,同时也是饱和度的函数。屈服面可以连续光滑地从饱和状态过渡到非饱和状态,并可以预测干燥时出现塑性变形的现象。此外它还可以反映SFG模型无法反映的现象,即考虑饱和度的影响,对于吸力相同饱和度不同的土样,给出的屈服应力将不同。最后利用已有试验数据对修正模型进行了验证,说明了修正模型与试验结果是相符的。     

A New Model for Unsaturated Soil Using Skeleton Stress and Degree of Saturation as State Variables

In this paper, based on experimental results a new constitutive model, using skeleton stress and degree of saturation as independent state variables, is proposed for unsaturated soil, in which the influence of the degree of saturation can be properly described. In the model, a very simple moisture characteristics curve considering moisture hysteresis of unsaturated soil is also proposed. The moisture characteristics curve can not only be applied to secondary drying process but also primary drying process originated from slurry soil. The constitutive model is able to describe not only the behavior of unsaturated soil but also saturated soil because the skeleton stress can smoothly shift to effective stress if saturation changes from unsaturated condition to saturated condition. Meanwhile the overconsolidation, one of the main features of soils that are discussed in the models for saturated soils, is also considered together with the degree of saturation. Other mechanical features such as structure of soil and stress-induced anisotropy can be easily incorporated into the proposed model within the framework of the present research. It is known from the simulation that the main features of unsaturated soil in isotropic consolidation test and triaxial compression test under drained and exhausted condition with different confining stress and suction can be qualitatively described.     

Cyclic resistance of two unsaturated silty sands against soil liquefaction

The changes of the cyclic resistance of two silty sands under unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions are examined based on a series of undrained cyclic tests conducted using triaxial test apparatus specially equipped for testing unsaturated soils as well as ordinary triaxial test apparatus for testing partially saturated and fully saturated soils. Based on the observations of volumetric strain, pore air and pore water pressures of unsaturated soil specimens, the possibility of soil liquefaction triggering under different degrees of saturation is examined and discussed. The changes in the cyclic resistance under different degrees of saturation are then examined. Those two unsaturated silty sands with different grain size compositions are found to give rise to different responses on the volumetric strain as well as pore air and pore water pressure developments during undrained cyclic loading, leading to different relations between cyclic resistance and degree of saturation, covering unsaturated, partially saturated and fully saturated conditions.     

确定非饱和土渗透特性的一种新方法

用水–气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验,结果表明,一定含水量、不同干密度的土样浸水后,渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律,即具有在起初浸水后的短时间内减小,然后逐渐增大,最后趋于稳定的过程。另外,土的渗水和渗气系数随干密度的增大而降低,且干密度越大,降低的幅度也越大。在高饱和度时增湿路径对非饱和土的渗透系数影响不大,而在低饱和度时增湿路径对渗透系数影响较显著。