高饱和度非饱和土一维固结解析解及其应用

高饱和度非饱和土存在于大坝(或路堤)高含水率的压实土.高饱和度非饱和土中气相主要以封闭气泡形式存于孔隙水中,并随水一起流动.假设高饱和度非饱和土为具有可压缩流体的两相土,考虑水气混合物的压缩性,建立高饱和度非饱和土排水固结方程,获得一维解析解.研究了高饱和度非饱和土的孔压系数、高饱和度非饱和土的排水固结特性及其与饱和土的区别,分析了初始饱和度和初始荷载对高饱和度非饱和土固结特性及其瞬时压缩沉降量的影响.     

饱和-非饱和土壤中吸附性溶质水动力弥散实验研究

本文通过室内土柱对轻壤土和重壤土饱和、非饱和水动力弥散实验，得到了吸附性溶质水动力弥散参数的计算方法。根据一维饱和弥散实验结果，由相应的解析解，用简化计算方法求得饱和水动力弥散系数Dsh和阻滞因子R；对于一维非饱和弥散实验，在分析溶质的水动力弥散理论的基础上，推导出求解非饱和土壤水动力弥散系数Dsh(θ)的计算公式。     

半透水边界一维固结的特征值解法

饱和土的一维固结最早由太沙基提出,并已在工程界得到广泛应用,现有各种计算公式和图表都是以透水和不透水边界来求解固结方程的。但在一些实际工程问题中,往往存在半透水边界条件,遇到这种情况通常是用数值方法来求解。本文采用特征值法求解了一面透水一面半透水以及一面半透水一面不透水这两种情况下的一维固结方程,并绘出计算图便于应用。     

荷载随时间变化情况下非线性固结问题的求解方法

饱和土体非线性一维固结问题的求解方法较多,为了评价诸多方法的适用条件,对几种常用的非线性一维固结问题的求解方法进行了分析研究。基于Davis等提出的非线性固结方程,利用Laplace变换、矩阵传递法以及Laplace逆变换进行了处理;得到成层饱和地基在荷载随时间变化情况下的一维非线性解析解的求解方法,并给出快速求解初值问题(或边值问题)的数值方法(DQM法)以及Kirchhoff变换法和摄动法的求解思路。分析结果表明,这些方法各有自己的特点,可以满足不同的求解条件,是求解非线性问题的有效工具。     

砂卵石土动、静特性的对比试验研究

 在室内砂卵石土动、静力特性对比试验基础上,通过大量试验数据对比分析了不同条件下非饱和砂卵石土和饱和砂卵石土的强度和变形特性。结果表明：非饱和试样和饱和试样破坏时,剪切位移变化比较一致,压力增大时,剪切位移增加;从非饱和土到饱和土,随着振动周次的增加, 粘着力和内摩擦角都有着不同程度的下降;不同含水量条件下,饱和样的强度增幅比较均匀,振动次数相同时,不同固结应力条件下的破坏应力约成等差关系;而非饱和样的强度增幅不均,有时相差很大 , 但非饱和砂卵石土的强度参数比饱和砂卵石土大很多。     

超固结非饱和土的弹塑性双面模型

为了研究超固结非饱和土具有的应变软化和剪胀等复杂的力学特性,在弹塑性理论框架内,将巴塞罗那基本模型（BBM）与一种可描述材料循环塑性的硬化法则相结合,建立一个在静态及循环荷载作用下超固结非饱和土的弹塑性双面模型。该模型含有一个边界面和一个加载面,二者在应力空间中随着加卸载进行演化。采用径向映射法则和移动的记忆中心原理来反映超固结非饱和土的循环塑性特征。模型考虑了吸力和超固结的影响,在吸力等于零的时候退化为饱和黏性土的弹塑性双面模型;在无超固结且吸力不等于零的情况下退化为BBM模型。通过与相关静态试验数据的比较,所建模型可以较好地反映静态加载下超固结非饱和土的力学特征;此外,还利用模型对超固结非饱和土的动态力学特性进行了预测。     

某路基土非饱和固结试验及研究

路基土在非饱和条件下的强度特性研究对路基设计与施工具有较大的指导意义。为研究某路基土在不同干湿状态下的非饱和变形及强度特性,该文通过非饱和吸力控制及固结压缩试验研究了某路基土重塑样的非饱和性能。试验结果表明该路基土饱和膨胀变形很小;通过气相法对土样进行吸力控制得到不同吸力控制条件下土样的体变特征,土样随着吸力的增大孔隙比减小;基于非饱和压缩固结试验的到了不同吸力状态下土样的屈服应力,随着吸力从0增大到110 MPa 土的屈服应力从200 kPa增大到1．05 MPa;通过经典模型对实验结果进行了验证,结果表明本文非饱和路基土的压缩固结试验结果能通过Alonso等在1990年提出的非饱和土BBM模型来描述。     

关于考虑到土骨架蠕变的三维轴对称固结问题的一个解答

土体固结问题是土力学中的一个重要问题。国内外不少学者曾对它进行过许多研究。但是考虑到土骨架蠕变的土体固结问题则研究较少。1964年徐志英在土骨架具有伏埃特性的假设下,导出了饱和粘土在三维固结情况下关于超静水压力的偏微分方程,并就三维轴对称固结问题进行了求解。所归结的数学问题是:求解如下的三阶     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

考虑渗气渗水函数的非饱和土固结性状研究

大坝蓄水所引起的水环境变化会诱发其周边建筑物地基产生显著的沉降变形,要合理预测其沉降过程,则需研究非饱和土地基的固结性状。为此,基于混合物理论,在非饱和土的水、气两相渗流-变形耦合方程组中,采用离散线性化的方法引入了渗气渗水函数和持水曲线方程,给出了考虑渗气渗水系数比值变化的一维固结微分方程组,进而采用积分变换方法求得非饱和土层孔隙水、气压力消散及其沉降变形的解析解。最后,选取水、气相互连通的非饱和土层典型算例,通过与已有文献所述未考虑渗气渗水系数比值变化的解析解、有限差分解的计算结果对比发现:本文解析解因考虑了水、气渗流相互作用对非饱和土固结过程的影响,故其计算的孔隙水、气压力消散曲线与沉降变形曲线较已有文献解析解更接近于有限差分解的计算曲线。     

区域饱和-非饱和多孔介质的溶质运移简化模型

在迭代求解区域饱和非饱和拟三维渗流模型的基础上，建立区域溶质运移简化模型。该模型将溶质运动在非饱和带简化为一维垂直运动，饱和带简化为二维剖面运动，在非饱和带与饱和带分别形成对流_弥散方程，并通过维持近饱和带溶质质量守恒组成统一的系统，采用有限单元法数值处理技巧，在同一个矩阵方程中求解饱和与非饱和含水层的浓度变化。该模型无需迭代计算，大大减少工作量，为求解区域溶质运移问题提供了新方法。算例验证表明，区域溶质运移简化模型技术可行，结果可信。     

基于应力路径的吸力对非饱和土性能参数的影响

以非饱和重塑粉土为研究对象,应用GDS非饱和土三轴仪进行三种应力路径试验,基于平均有效应力和平均净应力研究了吸力对试样性能参数的影响规律。研究结果表明:三轴等向压缩试验中基于平均有效应力得到的非饱和试样的先期固结压力随吸力增大而增大,而基于平均净应力得到的先期固结压力的变化规律则不明显。三轴不排水剪切试验中基于平均有效应力得到的临界状态线与吸力无关且唯一,基于平均净应力得到的临界状态线与饱和试样临界状态线平行,且随吸力增大临界状态线逐渐远离饱和试样的临界状态线。     

土石坝非稳定渗流场和应力场耦合分析方法

开展饱和／非饱和土的非稳定渗流场和应力场的耦合分析方法研究,考虑土石坝施工过程的初次蓄水变形、运行期考虑降雨和库水位升降导致的坝体变形对坝体安全的影响,对科学客观地评价坝体安全性具有重要意义。在对分析对象做出合理假定的基础上,推导了非稳定渗流场和应力场耦合的等价积分方程,对其进行了空间域和时间域的有限单元离散,并用Fortran90编制了相应的求解该耦合问题的非线性有限元程序。对一土柱非饱和固结问题的计算分析和一均质坝考虑施工过程和蓄水过程的应力应变计算分析表明,提出的针对土石坝的非稳定渗流场和应力场耦合分析方法是合理的,可以应用于实际工程。     

一维饱和与非饱和水动力弥散的实验研究

本文通过室内对中壤土及轻壤土饱和、非饱和水动力弥散实验,认为对实验土样不动水体是存在的,在描述弥散过程的数学模型中应考虑不动水体的作用。根据一维饱和弥散实验结果,由相应的解析解,用单纯形法反求了参数;对于一维非饱和弥散实验,提出了一种求解水动力弥散方程的数值方法,并用试算法反求了实验土样的弥散参数。     

基于饱和-非饱和土理论的病险土坝稳定性分析

在病险土坝坝坡稳定分析中引入饱和-非饱和土理论,通过推导饱和-非饱和渗流统一方程和优选非饱和土的特征参数,提出了饱和-非饱和土理论的优化法来分析病险土坝的新思路,并结合工程实例对比分析仅考虑饱和土和考虑饱和-非饱和土的优化法两种理论下的病险土坝坝坡稳定的计算结果。结果表明:考虑饱和-非饱和土理论后,病险大坝加固前安全系数高出3.6%、加固后安全系数高出3.8%,同时可看出滑动弧面明显加深,说明了安全系数提高的合理性,因此考虑饱和-非饱和土理论的优化法用于病险土坝坝坡分析更为合理。     

残坡积土动力特性的试验研究

利用动单剪仪研究某地震滑坡地区残坡积土的动力强度特性,针对残坡积土进行了不同固结压力、不同干密度、不同振动频率下的动单剪试验。结果表明:在振动荷载作用下,饱和和非饱和残坡积土动剪应力－动剪应变关系呈双曲线型,动荷载频率越大、震动持续时间越长、产生的动应变越大;动剪切模量随动剪应变的增加而减小,阻尼比随着动剪应变的增加而增大;固结围压、干密度和振动频率对残坡积土的最大动剪切模量有显著影响;非饱和残坡积土的动剪模量和最大动剪模量较饱和土大,阻尼比较饱和土小。试验结果为该地震滑坡地区稳定性评价提供了相关参数,为动力作用下残坡积土变形机制和动本构模型的分析提供了必要的理论基础。     

层状地基中考虑固结和流变的垂直单桩的理论分析

利用积分方程求解了考虑固结和流变的层状饱和土地基中的垂直受荷单桩问题。为了求解该问题，首先利用层状饱和土的圆形载荷基本解，建立了时域内层状饱和土地基中单桩的积分方程。对所得的积分方程进行Laplace变换，得到变换域内的积分方程。对变换域内的积分方程采用Schapery逆变换方法得到时域内单桩的近似积分方程。数值求解所得的积分方程可以得到桩的沉降、轴力、剪力和孔压     

非饱和土孔隙压力系数研究

由于非饱和土性状主要受三个状态变量(σif—外加应力、u_w—孔隙水压力、u_w—孔隙气压力)及其历史的控制,因此,孔隙水、气压力的理沦和实验就成了研究非饱和土强度和变形特性的前提,也是验证土骨架应力应变模型的有效手段之一。本文基于吸力方程和笔者提出的广义非线性应力应变模型,根据质量守恒原理,导出了恒温不排气、不排水条件下求解孔隙压力系数的一般迭代算式。通过计算分析与试验验证表明:(1)本文的方法可以用于定量地揭示复杂应力条件下非饱和土孔隙压力的生成规律,并能实现由非饱和逐渐向饱和状态的平衡过渡,(2)非饱和土孔隙压力系数的影响因素很多,不仅与土骨架的压缩性、剪胀性、土体初始状态有关,而且还与外加压力及土体现时状态有关;(3)文中所给的四种广义非线性应力应变模型中,只有E-u-K模型能较好地模拟非饱和土孔隙压力的生成,而其它模型所预测的结果不是偏大就是偏小。     

非饱和粉土的动弹性模量和阻尼比研究

使用吸力可控或可测的非饱和土振动三轴试验仪,对非饱和及饱和粉土进行动力变形试验,在不同净围压应力、不同初始含水率的条件下,得到了非饱和及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,并量测试样吸力。试验结果表明:(1)非饱和粉土的骨架曲线比饱和粉土的高;(2)在相同净围压条件下,不同含水率的非饱和粉土动弹性模量大小相近,而饱和土试样的动弹性模量略小;(3)在相同净围压条件下,不同含水率的非饱和粉土阻尼比也相近,而饱和土粉土的阻尼比略大。     

非饱和粉土的动模量和阻尼比研究

使用吸力可控或可测的非饱和土振动三轴试验仪，对非饱和及饱和粉土进行动力变形试验，在不同净围压应力、不同初始含水量的条件下，得到了非饱和及饱和粉土试样的动应力应变骨架曲线、动弹性模量和阻尼比，并量测试样吸力。试验结果表明：（1）非饱和粉土的骨架曲线比饱和粉土的要高；（2）在相同净围压条件下，不同含水量的非饱和粉土动弹性模量大小几乎相近，而饱和土试样的动弹性模量略小；（3）在相同净围压条件下，不同含水量的非饱和粉土阻尼比也几乎相近，而饱和土粉土的阻尼比略大。上述试验结果可以用现代非饱和土力学理论来解释。