非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明: 在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q-p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K₀线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

陇东地区非饱和原状黄土的三轴力学特性

为获得陇东地区非饱和原状黄土的变形和强度特性及相关参数,对不同基质吸力及不同净围压下的非饱和原状黄土进行了常含水率三轴剪切试验,研究常含水率下陇东地区非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、强度参数及基质吸力变化特性。研究结果表明:不同基质吸力下,偏应力与体应变临界状态线均呈线性关系;p-q平面内的原状黄土强度包线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,有效内摩擦角受基质吸力的影响较小,可近似为一常数;并对不同基质吸力下陇东地区非饱和原状黄土的弹性模量进行拟合。     

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。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

 利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

非饱和结构性黄土的强度特性试验研究

黄土既有非饱和性,又有结构性。首先在控制基质吸力的条件下进行了原状黄土与重塑黄土的非饱和直接剪切试验,分析了两种结构性状非饱和土的基质吸力对净应力强度指标、Fredlund抗剪强度公式中参数b、以及Bishop抗剪强度公式中参数的影响。表明两种土的黏聚力随基质吸力的增大而增大,b和均随基质吸力的增大而减小;在相同基质吸力条件下,原状黄土的黏聚力、b和均大于重塑黄土。其次,通过无侧限抗压试验,测试了不同含水率原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的单轴抗压强度,得到了不同含水率下原状黄土和重塑黄土的构度值。最后,探讨了非饱和黄土的构度与基质吸力、净应力强度指标、参数b和之间的关系。得到非饱和黄土的b和值随构度分别有单调的变化规律;相同构度值条件下,原状黄土的b和值均大于重塑黄土的值,反映了两种非饱和土结构性状的差异。     

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。     

Q_3原状非饱和黄土的水量变化和临界状态特性

用双室非饱和土三轴仪,对Q3原状黄土进行一系列控制吸力的各向均等压缩及同时控制吸力和净围压的三轴排水剪切试验,分析了吸力,净围压及应力路径对非饱和原状黄土临界状态及水量变化特性的影响,提出了各向均等压缩及三轴剪切应力条件下水土体积比与净平均应力关系的表达式、偏应力与净平均应力临界状态关系模式。研究结果表明:应力路径对非饱和原状黄土水量变化的影响显著,随着净平均应力增大,等向压缩应力条件下处于排水状态,剪切应力条件下视吸力及净围压的大小可能处于吸水或排水状态,不同试验条件下水土体积比与净平均应力或其增量之间对数关系呈二段直线。吸力对偏应力与净平均应力临界状态线的影响皆随着净围压增大而减小,不同吸力(大于0)下水土体积比与净平均应力的对数关系临界状态线皆近似为平行直线。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

重塑非饱和黄土的变形、强度、屈服和水量变化特性

共做了３种应力路径的三轴试验,即：控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验。研究结果表明：应力路径对土的变形和水量变化有较大影响;土－水特征曲线依赖于净平均应力;与净法向应力相关的摩擦角在各种吸力下近似等于饱和土的有效摩擦角;剪切强度与吸力的关系是非线性的;三轴剪切条件下的水量变化指标接近常数;屈服净平均应力和屈服偏应力随吸力增大;在净平均应力不变的条件下屈服吸力是一常数但不一定等于土样在历史上曾受过的最大吸力。根据试验资料,提出了一个新的吸力增加屈服条件,并建议了一个确定三轴剪切条件下的屈服应力的新方法。     

非饱和重塑Q_2黄土的三轴试验研究

对非饱和重塑Q2黄土进行了3种应力路径的三轴试验,即控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的三轴收缩试验和同时控制吸力与净室压力的三轴排水剪切试验;研究了非饱和重塑Q2黄土的变形、强度、屈服和水量变化等特性。试验结果表明:应力路径对非饱和重塑Q2黄土的变形和水量变化有一定影响。各向同性压缩屈服特性可用非饱和土Barcelona模型的LC屈服线描述;三轴收缩试验的屈服吸力随着净平均应力增大有减小的趋势,但减小幅度不大,可近似用非饱和土Barcelona模型的SI屈服线描述。三轴排水剪切试验应力-应变性状表现出应变硬化的特征,可用双曲线描述;非饱和重塑Q2黄土的凝聚力随吸力线性增加,内摩擦角随吸力的变化较小,可以认为是一常数;水量变化与吸力、净平均应力和偏应力有关。     

基于不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析

首先通过渗透试验和压力板仪试验获得不同渗透持时的黄土的土水特征曲线,在此基础上利用van Genuchten模型对土水特征曲线进行拟合,最后利用拟合参数结合van Genuchten渗透模型进行不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析。研究发现,随着渗透持时的增加,非饱和黄土的渗透系数一直在减小,减小幅度超过50%。渗透持时相同的条件下,非饱和黄土渗透系数随着体积含水率的增加而增加,且在接近饱和状态时,增加的幅度开始减缓。结合扫描电镜试验结果发现,黄土渗透系数减小的重要原因系由于随着渗透持时的增加,黄土中大孔隙减少而中小孔隙增加造成。     

降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验研究及其渗透系数求解

 为研究降雨条件下一维土柱的入渗规律及求解非饱和土体的渗透系数,开发一套模拟降雨条件下一维土柱垂直入渗模型试验装置,对非饱和重塑黄土土柱做了4组不同降雨强度下的一维垂直入渗试验,得到不同降雨强度下垂直土柱的入渗率时程曲线、浸润峰深度时程曲线及监测点体积含水率的变化规律;提出计算非饱和土体渗透系数的新方法,并结合试验结果,得到试验土样非饱和渗透系数与基质吸力的关系曲线。结果表明：(1) 降雨强度对垂直土柱的入渗影响较大,当降雨强度小于土柱最小入渗能力时,入渗率等于降雨强度;当降雨强度大于土柱最小入渗能力时,入渗率时程曲线呈无压入渗、有压入渗和饱和入渗3阶段变化。(2) 不同降雨强度下,土柱出现积水点和饱和点的历时不同,降雨强度越大出现积水点和饱和点的时间越短,有压入渗阶段越长。(3) 在同一降雨强度下,监测点距土柱上表面越远,其体积含水率时程曲线越密集;而同一监测点,降雨强度越大,其体积含水率时程曲线越稀疏。(4) 非饱和重塑黄土渗透系数随基质吸力的增大而减小,且渗透系数的对数与基质吸力呈线性变化。     

黄土土水特征曲线试验研究

论文基于试验研究了兰州附近地区原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线。研究发现,原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线与Williams模型比较接近。研究数据的拟合表明,体积含水量和基质吸力之间存在对数函数关系。但是,相对与原状黄土,重塑黄土因不存在结构性影响,数据离散性更小,规律更显著。并且利用不同干密度的重塑试样进行了干密度对黄土土水特征曲线影响的研究,结果表明基质吸力随干密度的增加线性增长。     

考虑干密度影响的人工压实非饱和黄土渗透系数的试验研究

首先室内配制不同干密度的压实黄土土样，采用水平土柱入渗法测得到不同干密度黄土水分扩散率与体积含水量的关系。结果显示：当含水量较大时，干密度对黄土扩散率的影响非常显著；当含水量较小时，土体水分主要以结合水形态存在，干密度对黄土扩散率几乎无影响。然后采用高速离心机法测试得到不同干密度黄土土-水特征曲线，并分析确定非饱和黄土比水容。进一步回归得到黄土水分扩散率与干密度的关系及考虑干密度影响的非饱和黄土渗透系数的确定方法。最后分析非饱和黄土渗透系数随干密度和含水量的变化规律，结果表明，渗透系数随着含水量的增大而单调加速增大，密实黄土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

从变形、水量变化和强度三方面验证非饱和土的两个应力状态变量

为了验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测体变和含水率的精度;用加荷器施加轴向荷载,可以方便地控制偏应力。在笔者前期用各向等压试验验证非饱和土的两个应力状态变量的基础上,使用改进的非饱和土三轴仪和重塑Q_3黄土做了两类验证试验:第一类是两组控制净围压、偏应力和吸力的固结不排水剪切试验,第二类是3组控制净围压和吸力的固结排水剪切试验。在第一类试验中,等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压、吸力和偏应力本身不发生变化,发现试验过程中土样的体积变化和含水率变化均非常小,可以忽略不计。第二类试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验,其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验,另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验,发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化、排水量和广义剪应变都分别十分接近,可以认为两两相等。研究结果从变形(包括体应变和剪应变)、水量变化和强度3个方面说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,进一步夯实了非饱和土力学的应力理论基础,为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。     

三轴应力条件下原状黄土的吸湿渗水特性

以原状黄土为研究对象,用改装的非饱和土三轴剪切渗透仪,在三轴应力条件下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,分析了相同净平均应力p下偏应力q变化、相同应力比η下净平均应力p变化及饱和度Sr变化时对渗水系数的影响。研究结果表明:偏应力q、净平均应力p及饱和度Sr对渗水系数皆有较大的影响,且影响程度存在差异性。p,q一定,随着Sr增大渗水系数呈先快速后缓慢增大的趋势。Sr一定,随着q增大(p相同)或p增大(η相同)渗水系数皆呈近似线性减小趋势,前者的斜率与p大小有关,而与Sr大小无关;后者的斜率与η大小无关,而与Sr大小有关,且皆小于前者。不同净平均应力下饱和渗水系数与应力比之间皆可用指数函数描述,且仅一个参数随着净平均应力而变化。不同应力状态下相对渗水系数与饱和度关系可近似归一,无法用VG-M模型来描述,但可用本文提出的模型描述。该模型直接把净平均应力与应力比作为变量,便于实际工程应用。模型预测与试验结果吻合较好。