非饱和原状土与重塑土土-水特征曲线对比研究

土-水特征曲线(SWCC)是反映非饱和土工程特性的重要表现形式。由于原状土的取土及试验过程较为繁琐,所以现有非饱和土分析大多用重塑土,而重塑土的土-水特征曲线与原状土的特征曲线的对比研究还不充分。通过对石家庄地区非饱和原状土与同条件下的重塑土土-水特征曲线的测定,分析抽气饱和过程对SWCC的影响,对比原状土与重塑土的进气值、排水速率、排水量大小、残余饱和度对应的基质吸力、固结时间的量化差异。研究结果表明:抽气饱和对SWCC影响不大;原状非饱和土的进气值要低于重塑土的进气值;试验中由于原状土中有历史形成的大孔隙,土-水特征曲线的斜率比重塑土大,排水速率在试验前期大于重塑土;但原状土的排水量没有因这些大孔隙而比重塑土大;原状土达到残余饱和状态时的基质吸力比重塑土小;原状土比重塑土达到残余状态早、达到残余饱和度所需时间短。在此基础上,得到了更适合于石家庄地区区域性非饱和土土-水特征曲线的三参数拟合方程。     

非饱和膨胀土的结构模型和力学性质的研究

 博士学位论文摘要　主要研究了膨胀土的结构模型和力学性质, 取得了以下几方面的成果:(1) 建立了膨胀土微结构的数学模型, 运用分形几何理论研究膨胀土的粒度分布和膨胀土微孔隙表面的特征; 建立粒度分布的分维与膨胀土的成因类型、膨胀特性、力学特性的相关关系; 研究了粒度分布的分维与压力(围压) 的关系, 随着围压增加, 粒度分布的分维增大。(2) 根据非饱和膨胀土微结构的分形模型, 导出了其水份特征曲线方程, 并由此得到了非饱和膨胀土的导水规律与含水量的相关公式。(3) 建立了膨胀土的结构性强度理论。根据工程实践提出了结构性凝聚力和结构性内摩擦角的概念,结构性内摩擦角和结构性凝聚力是指原状非饱和膨胀土的内摩擦角和凝聚力。对于膨胀性不强的膨胀土,结构性内摩擦角与饱和膨胀土的有效内摩擦角相等; 结构性强度是由非饱和土的溶质吸力和基质吸力引起的强度。根据非饱和膨胀土的结构模型, 建立非饱和膨胀土的结构性强度理论; 用非饱和土三轴仪研究了非饱和膨胀土的强度特征, 并用试验结果证实了非饱和土的结构性强度理论。(4) 分析了膨胀力与含水量和干密度的相关性, 讨论膨胀力对地基承载力的影响, 修正了太沙基承载力公式, 使之适用于膨胀土地基。(5) 建立了膨胀土的膨胀变形的相关公式。用压缩仪研究了宁夏膨胀变形特征, 建立了膨胀量与压力和初始含水量的相关公式; 膨胀变形的机制是膨胀矿物与水之间的相互作用, 运用这个机制解释了膨胀变形的试验结果; 建立了膨胀变形的物理模型, 很好地解释了膨胀变形的试验结果。(6) 建立了膨胀土的弹塑性本构模型。在饱和土的弹塑性本构关系中增加吸力作为独立的应力状态变量, 从而得到非饱和土的通用弹塑性本构关系; 用椭圆2抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土的应力2应变关系; 用非饱和土的三轴试验研究了非饱和膨胀土的本构模型, 得到非饱和膨胀土的LC 屈服面, P r～ us 屈服面, 用数值模拟方法计算了宁夏膨胀土的应力应变关系曲线, 与试验结果一致。     

非饱和土的土水特征曲线

土水特征曲线是解释非饱和土工程现象的一项基本的本构关系,土-水特征曲线特性的研究,有助于解决工程实践中非饱和土的试验研究既费时又费力的问题.上海地区的软土地层虽然常年地下水位较高,但对于地下工程施工过程中的降水作业区、地下水面以上的路基堤坝、以及沿江近海地段的因潮汐等引起的地下水位波动带等,非饱和土仍大量存在.在上海软土地区开展非饱和土的研究,同样具有重要的实际意义.本文在介绍非饱和土特征曲线的基本特征的基础上,对上海地区软土的土水特征进行了分析研究.     

原状黄土土水特征曲线预测方法研究

为了探究原状黄土的土水特征,采用Soilvision软件对宝鸡、岐山和杨凌3个地区的原状黄土的土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)进行了预测研究,并和室内压力板减湿试验结果进行了对比。结果表明:Arya&Pais、Scheinost和Tyler&Wheatcraft 3种方法并不适合预测原状非饱和黄土的土水特征曲线;Fredlund and Wilson方法基于庞大的土工试验数据库,适合预测原状非饱和黄土的土水特征曲线。最后,建议了一种可以在无试验条件时预测土水特征曲线的工程实用预测公式。     

原状膨胀土剪切损伤演化的定量分析

根据原状膨胀土在非饱和三轴剪切试验过程中的CT扫描结果，定义了一个基于CT数据的原状膨胀土的结构损伤变量，建立了剪切过程中膨胀土的损伤演化方程。     

郑开下穿越工程非饱和土强度特性试验研究

利用气相法和渗吸法获取了郑开工程由于降水施工引起的非饱和砂质粉土和粉质黏土的土-水特征曲线,特征曲线显示,两种非饱和土的减饱和过程都具有明显的阶段特征.然后根据土-水特征曲线,对两种非饱和土进行了直剪试验研究,得到如下结论:在低吸力范围内非饱和砂质粉土和粉质黏土的抗剪强度与吸力基本上呈线性增长关系,并得到两种非饱和土的抗剪强度参数φb分别为8.5°和4.9°.该工程非饱和土强度特性的室内试验研究,为工程地表沉降控制和掌子面稳定性分析等提供了重要的基本数据和理论参考.     

郑开下穿越工程非饱和土强度特性试验研究

利用气相法和渗吸法获取了郑开工程由于降水施工引起的非饱和砂质粉土和粉质黏土的土-水特征曲线,特征曲线显示,两种非饱和土的减饱和过程都具有明显的阶段特征。然后根据土-水特征曲线,对两种非饱和土进行了直剪试验研究,得到如下结论：在低吸力范围内非饱和砂质粉土和粉质黏土的抗剪强度与吸力基本上呈线性增长关系,并得到两种非饱和土的抗剪强度参数φ^k分别为8．5°和4．9°。该工程非饱和土强度特性的室内试验研究,为工程地表沉降控制和掌子面稳定性分析等提供了重要的基本数据和理论参考。     

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...     

干湿循环对土-水特征曲线影响的预测模型

土-水特征曲线在非饱和土的研究中占有重要地位,目前用来预测土-水特征曲线的模型尚有待完善。引用生物学中的Logistic曲线方程,建立了能够较好预测非饱和土的土-水特征曲线的Logistic模型;并以某滑坡土作为试验土样,完成了3次干湿循环过程的土-水特征曲线;然后采用改进的Logistic模型对巴东滑坡土、南阳膨胀土及厦门残积土的试验数据进行拟合分析,发现Logistic模型可以较好地拟合土-水特征曲线,并建立了模型参数与干湿循环次数的关系,从而提出了一种预测模型,可以根据第1次干湿循环试验数据预测多次干湿循环后的土-水特征曲线关系,同时验证了该模型的适用性。     

黄土结构屈服损伤与其土水特征的关系

通过非饱和土固结仪对原状黄土进行土水特征、压缩变形特性的试验研究,系统分析了原状黄土结构屈服损伤特性与其土水特征之间的关系。试验结果表明,原状黄土基质吸力随着竖向净压力的增大呈先增大后减小的变化趋势。定义基质吸力临界压力,发现基质吸力临界压力随着含水量的增大而减小。通过原状黄土及相应的饱和正常固结黄土的压缩曲线特征提出一种确定原状黄土结构屈服压力的新方法,该方法具有受压缩曲线形状影响较小、精度较高且作图简便等特点。统计得到原状黄土基质吸力临界压力与其结构屈服压力近似相等,进一步分析原状黄土结构屈服损伤破坏机理。     

Effects of Dry Density and Grain Size Distribution on Soil-Water Characteristic Curves of Sandy Soils

The soil-water characteristic curve (SWCC) of soil plays the key roll in unsaturated soil mechanics which is a relatively new field of study having wide applications particularly in Geotechnical and Geo-environmental Engineering. To encourage the geotechnical engineers to apply unsaturated soil mechanics theories in routine practice, numerical methods, based on the SWCC and saturated soil properties, have been developed to predict unsaturated permeability function and unsaturated shear strength properties which are expensive and time consuming to measure in laboratories. Further, several methods have been proposed to predict the SWCC in order to avoid difficulties in measuring the SWCC in laboratories. It is time consuming and it may require special techniques or apparatus to measure the SWCC in laboratories. However, it is important to have laboratory measured data of SWCCs to enhance and verify the proposed numerical methods. Hence, employing a Tempe pressure cell apparatus, the present study aims to investigate the effects of dry density and grain-size distribution on the SWCCs of sandy soils. Drying and wetting SWCCs were obtained for four sandy soils with different dry densities. The test data were best-fitted using the Fredlund and Xing (1994) equation and found that the fitting parameter, a, increases linearly with increasing the air-entry value of the SWCC and the fitting parameter, m, decreases with increasing the residual suction of the SWCC. The results revealed that soils with a low density have lower air-entry value and residual suction than soils with a high dry density. Further, the maximum slope of drying SWCC and hysteresis of drying and wetting SWCCs decrease with increasing density of soil. The air-entry value, residual suction, and hysteresis (the difference between the drying and wetting SWCCs) tends to decrease when the effective D₁₀ of the soil increases. A soil with uniform grain-size distribution (the steeper slope in grain-size distribution) has a less hysteresis and a greater slope of drying SWCC than those of a non-uniform soil.     

考虑裂隙动态变化时裂隙土土水特征曲线的预测方法研究

 裂隙广泛分布于表土中,为土中渗流提供优势通道,导致土中渗透系数增大。裂隙土的土水特征曲线(SWCC)是分析裂隙土渗流问题的关键因素。考虑裂隙的动态变化,提出一种预测裂隙土土水特征曲线的新方法,并通过实例分析对此方法进行试验验证。将裂隙土系统分为裂隙网络系统和土体系统两部分,将相同状态下2种孔隙系统的土水特征曲线组合得到裂隙土在该状态下的土水特征曲线。随着裂隙的开展,可以得到裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线。将裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线进行合理组合,即可得到考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线。通过室内试验模拟裂隙在土样脱湿过程和吸湿过程中的动态变化,测定脱湿过程中的SWCC,用所提出的方法预测考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并将预测结果与试验结果进行对比。预测和试验结果都显示,裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征。在达到土体的进气值之前,曲线由裂隙网络控制;当基质吸力较大时,曲线由土体的SWCC控制。试验结果与理论预测基本一致。     

考虑净正应力影响的膨胀土土–水特征曲线试验研究

工程建设中,具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特殊性质的膨胀土多处于非饱和状态和复杂变化的外加应力环境下,对膨胀土进行考虑应力状态的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验研究,定性描述和定量表征膨胀土在一定应力状态下的土水特征,具有工程实践意义。采用GEO-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪(SDSWCC-H)测定了河南南阳膨胀土在4个不同净正应力下(0,40,99,199 kPa)的土–水特征曲线,并利用试验数据对提出的能明确考虑净正应力影响的膨胀土SWCC表征方程进行验证。结果表明:(1)由于土体的间断级配,南阳膨胀土呈现出双峰土–水特征曲线(bimodal soil-water characteristic curve);(2)净正应力会对膨胀土的持水能力与进气值产生影响,具体表现为在10~100 kPa基质吸力范围内,净正应力会显著影响膨胀土在脱湿过程中水分排出的速度;净正应力也改变了双峰SWCC第二个波峰的进气值;(3)已提出的SWCC模型曲线拟合精度较高,拟合结果良好,模型可以很好地表征南阳膨胀土在恒定净正应力下基质吸力与持水量的关系。     

土水特征曲线在滑坡预测中的应用性探讨

 通过模型试验与数值分析方法的结果对比,研究土水特征曲线中的主要增湿路径与主要减湿路径对降雨型滑坡预测的影响。研究结果表明,采用不同状态路径的土水特征曲线来进行降雨条件下边坡的有限元渗流分析,会得到不同的基质吸力和孔压变化趋势,进而影响强度折减有限元法的计算结果;而对于相同的基质吸力条件下,采用主要增湿路径所预测的非饱和渗透系数会低于主要减湿路径的预测值,使得主要减湿路径预测滑坡破坏时间较主要增湿路径快。此外,若边坡产生滑动型破坏,则实际滑坡发生时间在主要减湿路径与主要增湿路径的预测值之间。研究成果说明,采用作为界限的主要增湿和主要减湿路径作为土水特征曲线的滞后模型,对降雨型滑坡灾害的防灾预警具有一定的实用价值,可利用主要增湿与减湿路径预测滑坡发生的时间差,规划与建立合适的滑坡雨量预警基准。     

等应力和等孔隙比状态下的土–水特征曲线

有研究结果表明,孔隙比是影响土–水特征曲线(SWCC)的直接因素,而应力状态是通过孔隙比影响SWCC的间接因素。然而相关文献中关于孔隙比对SWCC影响的试验研究,一般只控制了试样的初始孔隙比相同或者不同,而在SWCC试验过程中对试样的孔隙比并没有加以控制。为了深化对孔隙比和应力状态对SWCC影响的认识,以山东东营黏土为研究对象,采用应力相关土水特征曲线仪,对试样沿预定路径进行单向压缩或单向压缩–回弹以后,控制竖向应力或孔隙比在脱—吸湿SWCC试验过程中保持不变。结果表明:在本次吸力范围内(未超过400 k Pa)的脱湿—吸湿过程中,即使竖向应力相同(等应力状态),只要孔隙比不同,则SWCC就不同;但只要保持试验过程中试样孔隙比不变(等孔隙比状态),则竖向应力的变化对SWCC几乎没有影响。等孔隙比状态下,即使竖向应力不同,但试样的进气值相近,脱/吸湿速率也几乎保持一致;等应力状态下,进气值随着孔隙比的增大而减小,脱—吸湿SWCC的滞回度和滞回圈面积随孔隙比增加而增大。研究结果对于建立SWCC模型时,如何选取模型参数具有理论指导意义。     

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。     

Water retention of geosynthetics clay liners: Dependence on void ratio and temperature

The dependence of the geosynthetic clay liners (GCLs) soil-water characteristic curve (SWCC) on temperature and overburden stress are characterised experimentally. It is shown that changes in void ratio and temperature alter the relationship between suction and moisture content and new forms of existing SWCC equations are developed. To cover a wide suction range, the SWCCs are measured using axis-translation and dew point methods. Based on the available experimental data, both proposed SWCCs are shown to perform well in predicting the effects of void ratio on SWCC along the drying path when compared to the experimental results. It is found that the air-entry value increases as the net vertical stress increases for the experiments under the same temperature. In addition, elevation of temperature reduces retention capacity of the GCL.     

渗析法确定土水特征曲线的试验研究

土水特征曲线(SWCC)描述的是土体基质吸力与含水率之间的关系,它对于非饱和土的研究具有重要意义。在测定SWCC的各种方法中,渗析法的试验过程较简单、安全且可靠。本文以合肥地区非饱和膨胀土为研究对象,详细介绍了渗析法获得SWCC的试验过程和技术要领,并采用水浴恒温振荡器代替磁力搅拌器改进了渗析试验。结果表明:采用水浴恒温振荡器进行渗析试验是合理可行的,其优点是一次可以进行相同环境条件下多个浓度的渗析试验;使用水浴恒温振荡器对合肥地区膨胀土进行渗析试验时,其渗析平衡时间约为8天。在此基础上,采用Fredlund-Xing模型的3种型式对渗析试验结果进行了曲线拟合,得到了试验土体的SWCC及其拟合参数,可知模型3种型式的区别主要在高吸力部分。     

动态土水特征曲线滞后模型研究

土水特征曲线是描述非饱和土力学特性必不可少的方程,它的最大特点就是存在滞后效应,尽管目前已经建立了很多的土水特征曲线滞后模型,但这些模型都是针对平衡条件建立的。现有的理论和试验研究已经证实,土水特征曲线存在动态效应,与静态土水特征曲线相比,相同的饱和度时,动态土水特征曲线的吸力在干燥过程中要更大,而湿化过程中则更低。为了描述动态条件下土水特征曲线,首先从热力学的基础理论出发,探讨了动态效应的理论基础,并从熵增不等式中得到了动态的土水特征曲线方程。基于所得方程,利用边界面塑性理论,建立了可以预测任意扫描线的土水特征曲线模型。通过与已有的试验结果进行对比,表明模型可以很好地预测土体在干燥和湿化不同过程中的扫描线变化。所得结果可以用于解释一些实际问题,比如降水引起的沉降和降雨诱发滑坡等。     

土水特征曲线参数的概率统计及敏感性分析

为了研究不同类型土体的土水特征曲线(SWCC)特性,以Fredlund-Xing模型的3种模式及van Genuchten模型的3种模式为SWCC拟合模型,以MATLAB编程语言中的3种函数为拟合方法,以UNSODA数据库中的黏土、砂土、广西膨胀土及合肥膨胀土为研究对象,对大量的基质吸力-体积含水率数据进行了曲线拟合及参数统计,分析了拟合模型与拟合方法对模型参数的影响,得到了这4类土的SWCC参数概率分布特征;提出了考虑变量间相关性时对体积含水率进行参数敏感性分析的计算公式。拟合结果表明：拟合方法对SWCC参数有一定影响;在低吸力部分,各种拟合模型的SWCC基本一致;在高吸力部分,FX2与VG2、FX3与VG3的SWCC基本一致;体积含水率对参数a的敏感性很小,对参数n与m的敏感性较大。