非饱和土的吸力测试与现场观测技术

回顾了非饱和土吸力测量历史,从吸力测试设备的原理出发,介绍了室内和现场吸力测试设备、观测仪器及其埋设方法,其经验可供岩土工程师在非饱和土研究实践中参考。     

非饱和黏性土粒间吸力测试研究

对粒间吸力的认识是非饱和土有效应力及变形、强度特性研究的基础。由粒间吸力各组成部分的特点 ,提出了非饱和黏性土粒间吸力的测试原理和方法 ,并对红黏土的粒间吸力进行了试验。此研究对于结构性与土的力学性质间关系的研究有重要意义     

非饱和土湿吸力与含水率的定量关系研究

以立方松散堆积方式为例,从理论上推导并给出了湿吸力与非饱和土含水率的定量关系表达式,开展了不同含水率状态下重塑细粒砂性土的吸力测试,对试验结果进行了曲线拟合和分析,理论计算和试验拟合结果均表明：对于特定的非饱和土,湿吸力随含水率先增大而后减小,即存在确定的界限含水率。这与“在一定的土体含水率变化范围内,非饱和土,尤其是非饱和砂性土的强度随含水率的增加而先增大后减小”的事实完全相符,这再次证明了湿吸力,而非基质吸力,才是非饱和土有效应力的重要组成部分。     

非饱和土的基质吸力和张力吸力

首先在既往关于非饱和土分类方法的基础上,根据孔隙水弯液面与土颗粒表面的搭接状态,将双开敞非饱和土进一步细分为搭接双开敞非饱和土和不搭接双开敞非饱和土。然后基于热力学原理,提出了另外一个与基质吸力紧密相关而又不同的吸力概念-张力吸力。通过基于水封闭非饱和土的理论计算,得出了张力吸力与基质吸力之间的定量关系,同时利用作者们所提出的等效吸力概念,对比了由基质吸力、张力吸力所产生的等效吸力,从而一方面揭示了张力吸力在非饱和土力学中的重要性,另一方面论证了等效吸力概念的科学性与实用性。     

折减吸力在膨胀土静止土压力计算中的应用

非饱和土力学的研究水平目前还未进入实用阶段,主要原因在于吸力量测的困难。折减吸力的提出避免了吸力量测的困难。根据变形等效原则介绍了确定折减吸力的具体方法,为了避免吸力量测的困难,采用折减吸力代替真实吸力提出了一个计算膨胀土静止土压力的方法。进行不同水位和降雨入渗情况下的膨胀土静止土压力系数的计算,计算结果合理地反映了非饱和土土压力和膨胀量的分布趋势,计算结果验证了方法的合理性。     

非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析

对非饱和土中有效应力及其有关的诸如表面张力、基质吸力、湿吸力、本征结构吸力和可变结构吸力进行了系统的解说与辨析,由此提出了同时适应非饱和土和饱和土的统一的有效应力新概念及公式,并且结合特殊性土实例说明了非饱和土的有效应力公式。     

从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论

首先对非饱和土中吸力进行了综合分类并对各类吸力的性状进行了系统阐述 ,认为非饱和土中土颗粒间的总吸力由本征结构吸力、可变结构吸力、有效基质吸力、湿吸力和牵引力组成。基于各吸力的特性和Mohr -Coulomb强度准则 ,从理论上直接给出了非饱和土的总吸力与抗剪强度间的关系 ,这不仅从形式上统一了Bishop和Fredlund的强度公式 ,而且在内容上明确了其中各状态变量的物理意义。文中分析了非饱和土抗剪强度的组成及其影响因素。对Donald在非饱和土试验中发现的砂性土抗剪强度与基质吸力间呈山坡形的曲线关系及Gan、Escario、Fredlund等的粘性土抗剪强度和基质吸力 (含水量 )间呈非线性正比关系 ,以及对同一非饱和土因具不同初始孔隙比而具不相同的抗剪强度现象给出了令人满意的理论解释。广义抗剪强度公式客观地反映了非饱和土的强度特性     

合肥地区铁路地基土非饱和压缩特性试验研究

文章针对合肥地区某在建铁路的非饱和地基土,利用非饱和土三轴仪,进行了控制基质吸力为常数、净平均应力增大的三轴压缩试验及控制净平均应力为常数、基质吸力增大的三轴压缩试验。试验结果表明,合肥地区非饱和地基土的屈服净平均应力随着吸力的增大而增大,屈服后的斜率随着吸力的增加而减小;各种吸力下的关系基本上呈线性变化规律。通过试验研究,建设单位能够掌握和了解了该地区非饱和土的压缩变形特性。     

关于非饱和土基质吸力与水分状态的讨论

非饱和土与饱和土最主要的区别在于土中存在基质吸力.吸力对土的力学性状有重大影响,是非饱和土研究的核心问题.根据基质吸力测定试验拟合了非饱和土的土—水特征曲线,得出在相同干密度下,基质吸力随含水量的增加而急剧减小.     

非饱和土的性状及膨胀土边坡稳定问题

主要叙述非饱和膨胀土及其边坡稳定研究方面的新进展。首先讨论了非饱和土研究中与土坡稳定性有关的若干重要特性,指出非饱和土的气 水形态问题是非饱和土研究的一个基本问题。并提出随含水率由小变大,非饱和土存在四种气 水形态,不同气 水形态的土具有不尽相同的性状。然后,对非饱和土的吸力和土水特征曲线以及不同气 水形态下的强度作了讨论,并对非饱和土的本构关系作了简要的介绍。接着以南水北调中线膨胀土渠道工程为背景,以吸力问题为中心,对非饱和膨胀土边坡滑动的各种内在的和外界的因素进行了分析,尤其对新近研究的降雨入渗和裂隙影响的研究进行了定量的分析,改变了以往对这方面只进行定性研究的情况。在此基础上对边坡失稳的机理和考虑裂隙及雨水入渗的稳定分析方法进行了研究。     

温控土工三轴仪的研制及其应用

为了研究温度对土的力学性质的影响,研制了一套温控土工三轴仪。该设备采用模块结构,体小轻巧;实现了三轴仪与恒温箱的巧妙结合,能经受高压高温;对温度、吸力、应力、应变既能较好地控制,也能较准确地量测;体变、排水、气压量测精度高,传压滞后小;数据自动采集处理,应用方便,造价低;能进行控制温度的饱和土与非饱和土试验。利用该设备对陶岔胀土进行了三种应力路径的控制温度的三轴试验,结果表明,温度对该土的变形、强度和土–水特征曲线有较大影响。温控土工三轴试验设备的研制成功为研究土的热力学特性提供了有力工具。     

Laboratory measurement of hydraulic conductivity functions of two unsaturated sandy soils during drying and wetting processes

The importance of applying unsaturated soil mechanics to geotechnical engineering design has been well understood. However, the consumption of time and the necessity for a specific laboratory testing apparatus when measuring unsaturated soil properties have limited the application of unsaturated soil mechanics theories in practice. Although methods for predicting unsaturated soil properties have been developed, the verification of these methods for a wide range of soil types is required in order to increase the confidence of practicing engineers in using these methods. In this study, a new permeameter was developed to measure the hydraulic conductivity of unsaturated soils using the steady-state method and directly measured suction (negative pore-water pressure) values. The apparatus is instrumented with two tensiometers for the direct measurement of suction during the tests. The apparatus can be used to obtain the hydraulic conductivity function of sandy soil over a low suction range (0–10 kPa). Firstly, the repeatability of the unsaturated hydraulic conductivity measurement, using the new permeameter, was verified by conducting tests on two identical sandy soil specimens and obtaining similar results. The hydraulic conductivity functions of the two sandy soils were then measured during the drying and wetting processes of the soils. A significant hysteresis was observed when the hydraulic conductivity was plotted against the suction. However, the hysteresis effects were not apparent when the conductivity was plotted against the volumetric water content. Furthermore, the measured unsaturated hydraulic conductivity functions were compared with predictions using three different predictive methods that are widely incorporated into numerical software. The results suggest that these predictive methods are capable of capturing the measured behavior with reasonable agreement.     

考虑端部效应影响的非饱和压实土三轴试验研究

 在非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中,应用数字图像测量技术,可研究非饱和压实土试样考虑端部效应影响下的强度与变形特性。通过比较非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中试样整体与试样中部1/3区域的试验结果,证明试样中部1/3区域受端部效应的影响较小,其试验结果更能代表非饱和土的实际受力变形特性,可以为研究非饱和土的应力–应变关系提供更为准确的试验数据。应用双应力状态变量方法分析试样的抗剪强度,结果表明,端部效应对抗剪强度方程的参数取值有较大影响。应用非饱和土Alonso弹塑性模型进一步研究端部效应对非饱和土数值计算结果的影响。     

Shear strength of an unsaturated weakly expansive soil

To study the weakly expansive clay obtained from a slope along Wuhan—Shiyan expressway in Hubei Province,soil-water property tests and some unsaturated triaxial tests with suction control were conducted,and the soil-water retention curve（SWRC） and unsaturated shear strength of this soil were obtained.Results show that the air-entry suction and the residual degree of saturation of the tested soil are 106 kPa and 8%,respectively.The boundary effect zone and the transition zone can be identified on the desorption curve,but the residual zone is not so obvious.The unsaturated shear strength increases as suction increases within the range of controlled suction in the test,and friction angle,b,in the triaxial shear test is 17.6°.Based on the results,constitutive models for predicting the unsaturated shear strength using the SWRC were evaluated,and comparisons between prediction and measurement were made.It is concluded that for engineering purpose,the constitutive model should be carefully selected based on soil properties when predicting the unsaturated shear strength using the SWRC.     

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。     

干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响

 为解决填方工程沉降和边坡稳定性问题,采用非饱和土三轴仪,对延安新区填方的重塑Q3黄土,进行3种初始干密度下一系列控制基质吸力的三轴剪切试验,研究重塑黄土的变形和强度变化规律。研究结果表明：初始干密度和吸力对重塑黄土的破坏形态、变形特性和强度特性影响较大;随初始干密度的增大,试样的偏应力–轴向应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑性再向应变软化型转变;初始干密度和吸力越大,试样的剪胀性越显著,强度越高;有效黏聚力、内摩擦角和吸力摩擦角均随初始干密度的增加而增大;内摩擦角随吸力几乎不变,而黏聚力随吸力呈线性增加;初始切线杨氏模量和切线体积变形模量均随初始干密度与吸力的增加而提高。根据研究结果提出考虑初始干密度和吸力影响的重塑黄土的抗剪强度参数与非线性模型参数的表达式,可用于预估不同初始干密度、不同吸力下重塑黄土的强度和变形参数,为工程应用和数值模拟提供了依据。     

膨胀土地基承载力研究

根据非饱和膨胀土的分形结构模型,导出了非饱和膨胀土的吸力强度公式,讨论了非饱和膨胀土强度公式的有线性,根据膨胀土的强度特性提出了膨胀土地基承载力公式,运用所提出的承载力公式估算了邯郸和宁夏膨胀土地基承载力值,与实测结果一致,这种膨胀土地基承载力公式可以直接应用于工程实践中。     

湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨

提出并阐述了湿吸力的概念,分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别,探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素,分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念,分析并给出了有效应力公式,建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理。文中明确解释了Bishop有效应力公式中经验参数χ的物理意义、表达式及其适用范围和影响因素。最后,讨论了非饱和土状态分类原则及其力学分析方法,并指出:非饱和土变形理论的研究,首先应采用细观土力学方法,然后上升到宏观及应用     

非饱和土的非线性模型及其应用

提出了一个较完整的非饱和土的非线性模型。该模型涉及土的变形和水量变化两个方面, 共包含１３ 个参数。测定全部参数只需用两种三轴试验。应用所提模型预估三轴不排水试验中的吸力变化,理论计算与试验结果比较接近。