反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究

通过非饱和土三轴仪测试黏土试样经过多次吸湿–脱湿循环路径后的力学特性,研究反复干湿循环对非饱和土变形和强度特性的影响效应。试验成果表明:干湿循环使SWCC产生变化,相同含水率所对应的基质吸力减小;收缩特性亦发生改变,干湿循环后试样在基质吸力增加的开始阶段(收缩屈服前)收缩性增强,屈服后收缩特性基本与循环前一致;非饱和土固结屈服后的压缩指数增高,但增高的幅度随基质吸力增大而降低;有些试样经过干湿循环后,剪切时产生了滑裂破坏面,其应力–应变关系表现有明显峰值和应变软化特征;吸湿–脱湿循环过程不仅使非饱和土有效内摩擦角?′降低,而且对吸力内摩擦角?b值产生一定影响。说明非饱和土经过反复干湿循环的应力路径后,其力学特性将产生不可逆转的变化。     

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。     

基于土体孔径分布的土水特征曲线预测

土水特征曲线(SWCC)是描述非饱和土的吸力与饱和度或含水率关系的一条重要曲线,是分析非饱和土的强度、变形及渗流的重要基础。室内直接或间接测量土体的吸力非常耗时。为了快速准确获取非饱和土体的SWCC,提出了基于土体的孔径分布(PSD)预测SWCC的改进方法。该方法采用压汞试验(MIP)测量土体的PSD,采用滤纸法测量土样的一个吸力值及其对应的饱和度,再根据该点的试验结果对MIP试验测得的土体孔隙体积进行校正,并采用校正后的孔隙体积来计算不同吸力条件下土体的饱和度。该方法可以克服MIP试验测得的孔隙体积偏小的问题。通过对9组土样校正前后预测SWCC与实测SWCC的对比分析,表明了该方法可以较为准确地预测非饱和土体的SWCC。在此基础上,可以方便快捷地得到多组土体的SWCC拟合参数及其概率统计特征。     

非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型

基于土的土–水特征曲线(SWCC)和收缩特征曲线(SSCC)的特点及二者之间的联系,采用三直线的分段SSCC模型及非饱和土的三相比例公式,推导出了反映非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型。为了证实所提出模型的可靠性,采用GDS三轴仪进行了一系列吸力平衡试验,并对所提出模型的理论假设进行了验证。试验结果表明:利用该假设并通过吸力平衡下试样的排水量,可以准确地预测饱和试样在某一基质吸力和净围压共同作用下的体积变化量、进气量和总体变,证明了所提出模型的假设是成立的,且假设中的系数u具有明确的物理意义。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

非饱和土土水特性试验研究

在改进的非饱和土三轴仪上对洛阳地区非饱和土开展了三轴试验,并依此对非饱和土土水特性、试样重塑对基质吸力的影响进行了分析研究。研究表明:试件的基质吸力随围压的增大而非线性减小,基质吸力随饱和度的增大而连续减小,饱和度与基质吸力的关系是连续的。     

宽广吸力范围内弱膨胀土的抗剪强度及其预测

在宽广吸力范围内对不同吸力的非饱和弱膨胀土进行了一系列吸力控制的三轴剪切试验。关于吸力的施加,较低吸力采用轴平移技术;高吸力采用蒸汽平衡法。试验结果表明:在净应力相同的条件下,试样的应力应变关系曲线随着吸力的增大而升高、剪缩量变小,并且随着吸力的增大其偏应力–应变关系和体变明显地表现出类似超固结土的特性。主要原因是试样受到较大的吸力,弱膨胀土试样失水收缩、孔隙比减小均明显,使试样剪切过程中表现出类似超固结黏土的特性。在宽广吸力范围内,吸力所引起弱膨胀性土体积收缩明显,不可忽视。根据压汞试验结果确定的微观饱和度引入有效饱和度中,再将试验结果与修正后的Bishop非饱和土强度公式的预测值进行比较,证明了修正后的Bishop非饱和土强度公式在宽广吸力范围内可较为准确地预测非饱和弱膨胀土的抗剪强度。     

常吸力下非饱和粗粒土率相关力学特性试验研究

为研究山区高填方路基的时效变形特性,针对路基粗颗粒填料,开展了粗颗粒填料持水特性和一系列常吸力作用下的率相关力学特性试验,采用三种不同剪切速率对试样进行剪切,分析围压、基质吸力及剪切速率对土体强度和变形特征的影响。试验结果表明：粗颗粒填料的土水特征曲线未出现残余吸力值;不同围压下粗颗粒填料的峰值强度可表示为基质吸力的函数,基质吸力越大,非饱和粗粒土的剪切强度越高,且体积剪缩变形越小;非饱和粗粒土的强度与体积变形均受剪切速率的影响,且变化趋势表现出高度一致性,剪切速率越大,试样强度越高,对应的体积变形越小。     

制样方法对非饱和土力学特性的影响

以一种非膨胀性黏土为试验材料,对孔隙比相近的非饱和压实试样和预固结试样进行一系列等吸力控制下的等向压缩试验和三轴剪切试验,研究了制样方法对非饱和土的压缩特性和剪切特性的影响。由等吸力等向压缩试验结果表明:初始孔隙比相近的预固结样和压实样在等向净应力20 k Pa条件下进行等吸力平衡,平衡过程中预固结试样的孔隙比明显减小而压实样的变化不大;其原因是两种试样的初始吸力和土结构存在差异。此外,预固结样和压实样在吸力150 k Pa条件下,预固结样的含水率随着等向净应力的增大而减小,而压实样的含水率几乎不变。上述变形特性可用SFG弹塑性模型说明。在净围压和吸力相同条件下对剪切前孔隙比相同的两种试样进行了三轴剪切试验,试验结果表明:在剪切前的密度、剪切时的吸力和净围压相同条件下,预固结样的偏应力–应变曲线和强度明显高于压实试样的曲线和强度。其原因可用两种试样的孔隙尺寸分布不同来解释。     

三轴剪切应力条件下非饱和原状黄土的土水特征

采用非饱和土三轴仪,对不同含水率的西安非饱和原状黄土在不同静围压下进行了常含水率三轴剪切试验。用轴平移技术量测了无应力和有应力条件下黄土的基质吸力,分析了不同含水率、不同静围压条件下偏应力变化对基质吸力的影响规律,提出了常含水率三轴剪切条件下非饱和原状黄土土水特征曲线的表达式。研究结果表明:含水率一定时,偏应力变化对非饱和原状黄土基质吸力的影响与含水率的大小有关,对于不同的净围压,含水率小于等于23%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后增大;含水率大于等于28%时,基质吸力随偏应力的增大先基本不变后减小;不同的含水率与不同的净围压条件下,偏应力变化对基质吸力的影响较小。应力对原状黄土基质吸力的影响规律与应力路径有关。在偏应力变化(含水率一定)及含水率变化(干密度一定)所对应的2种饱和度变化条件下,2类黄土的基质吸力与饱和度关系具有不同的变化特性,含水率变化对应的饱和度变化明显比偏应力变化对应的饱和度变化对基质吸力的影响要大。净围压小于等于400kPa时,偏应力变化对饱和度与基质吸力关系的影响皆较大,对含水率与基质吸力关系的影响皆较小。不同静围压及偏应力作用下,原状黄土的土水特征皆可用无应力条件下呈对数函数的含水率与基质吸力关系来近似地描述。     

红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。     

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。     

考虑孔隙比和水力路径影响的非饱和土土水特性研究

以非膨胀性黏土为试验研究的对象,利用压力板法研究了初始孔隙比对不同水力路径下非饱和压实土土水特性的影响。试验结果表明,不同初始孔隙比土水特征曲线均存在明显的滞洄现象;当吸力大于某一值时,以含水率与吸力关系表示的话,不同初始孔隙比主脱湿土水曲线几乎重叠;以饱和度与吸力关系表示,初始孔隙比对土水特征曲线存在较大的影响。还提出归一化处理全吸力范围内不同初始孔隙比土水特征曲线的方法。最后,在归一化的处理方法基础上,提出了考虑初始孔隙比影响的非饱和土滞洄特性的模拟方法,并利用相关实测数据加以验证。     

非饱和土的理论土-水特征曲线

基于热力学理论建立了规则等直径圆球土颗粒之间的弯液面方程,运用迭代法对这一高度非线性方程组进行了求解,进而确定了理论意义上的基质吸力。文中考虑了基质吸力的作用面积,提出了等效基质吸力和广义土-水特征曲线的概念。分析表明,饱和度为0时等效基质吸力为0,随着饱和度的增大,等效基质吸力逐渐增大,并在某一饱和度处达到最大,此时土的强度最高。针对等直径土颗粒松散排列方式进行了具体计算与讨论。计算表明,与基质吸力相比,等效基质吸力随饱和度的变化并不十分显著,而无论基质吸力还是等效基质吸力均随颗粒空间排列间隙的增大而迅速减小,由此所得到的两种土-水特征曲线强烈地依赖于接触角的变化。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。     

膨胀土开挖边坡吸力和饱和度的研究

为了研究非饱和膨胀土开挖边坡中吸力变化对边坡的影响及边坡体不同部位饱和度的变化规律,在湖北某高速公路的开挖边坡上埋设热传导探头和含水率探头进行观测。监测数据与自然边坡的监测结果表明开挖边坡的吸力变化幅度较大,对膨胀土开挖边坡的稳定产生不利的影响,边坡的不同位置的大气影响深度不同。野外获得的土-水特征曲线能真实反映吸力和饱和度的变化,它能为非饱和膨胀土中基质吸力引起的强度提供了相应的参数,大大简化计算,避免计算不同饱和度情况下的强度。从土-水特征曲线还能获知非饱和膨胀土的渗透参数,对工程具有一定的指导意义。     

基于饱和土总应力强度指标的非饱和土强度 理论及其应用

 实际工程中求解和测定吸力比较困难,特别在不排水条件下,吸力并非常量,从而难以确定。而饱和度相对容易确定,选择饱和度代替吸力,建立关于饱和度的非饱和土的抗剪强度公式有着重要的实用价值。提出不排水(等含水量)条件下的基于饱和土总应力强度指标的抗剪强度公式,克服了以往相关模型只适合于较小范围的缺陷,能够实现从非饱和土状态到饱和状态的平稳过渡,同时更能反映土体的工程特性;结合非饱和土的土水特征曲线试验及常含水量三轴剪切试验成果,确定适用于云南红黏土的相关拟合参数;将所得抗剪强度公式应用于地基承载力分析中,得到地基承载力随饱和度的减少接近线性增加的结论。     

非饱和原状黄土增湿条件下力学特性试验研究

利用FSY30型应变控制式非饱和土三轴仪采用常含水率试验,研究陕西泾阳县某边坡原状黄土在不同含水率(无偏应力条件下增湿)、不同固结围压下的强度和变形特性,求得Fredlund双应力状态变量抗剪强度公式中b?值并利用含水率建立了工程中实用的抗剪强度公式;再将天然原状土在不同偏应力水平下增湿饱和后继续剪切,观察其力学特性。两种增湿条件下试验结果表明:该地区黄土应力应变曲线关系呈剪切硬化型;含水率与初始基质吸力呈双曲线关系,剪切过程中基质吸力无明显变化,抗剪强度指标黏聚力随着含水率的增大显著降低而内摩擦角所受影响较小;有偏应力条件下试样浸水饱和后破坏强度显著降低,但对应力应变关系影响较小,增湿时偏应力水平越低,土样饱和后的稳定偏应力值越小。     

伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型

新疆伊犁黄土具有湿陷性强烈、易溶盐含量高的特点,描述其非饱和土应力状态中的吸力参量时,须同时考虑总吸力和基质吸力两个参量。为此,通过滤纸法开展了不同含盐量下伊犁黄土的土水特征曲线试验,测量了不同含盐下伊犁黄土的总吸力与基质吸力,计算了不同含盐量下土样中溶液浓度,分析了含盐量对湿陷的影响,基于Gardner模型,提出了可以考虑易溶盐含量影响的伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线的拟合模型。研究结果表明:含盐量对新疆伊犁黄土的基质吸力有一定影响,对总吸力与渗透吸力影响较大;土样溶液浓度随着含盐量的增大而增大,总吸力与溶液浓度之间呈线性关系;随着土样内易溶盐含量的增加,土样湿陷系数明显增大;提出的土水特征曲线模型可以考虑易溶盐含量的影响,可以统一描述伊犁黄土总吸力和基质吸力随含水率、易溶盐含量变化的规律。     

非饱和重塑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。针对砂土、粉土、黏土和软土4种不同类型土体,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特定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明显影响,称此基质吸力为缩限吸力。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段3个阶段。并且不同类型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,当试样的饱和度减小到90%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。