基质吸力对非饱和滑带土抗剪强度的影响试验研究

在滑坡地质灾害中遇到的滑带土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和滑带土c、φ值的影响,对于滑坡防治具有十分重要的意义。本文通过不同基质吸力和剪切速率的条件下的四联直剪试验,探讨了基质吸力与非饱和粘性滑带土抗剪强度的关系。试验结果表明:在同一基质吸力条件下,抗剪强度随轴向荷载的增大而增大,且保持平稳线性增长的趋势;随着吸力值的增大,其总粘聚力与内摩擦角均呈现增大趋势。对于总粘聚力来说,当基质吸力≤100kPa时,随着吸力的增大,总粘聚力增长曲线斜率较大,增长速率较快;当基质吸力100kPa时,随着吸力值的增大,总粘聚力增长曲线斜率放缓,增长速率减慢,但总体处于平稳增长的态势。对于内摩擦角来说,当基质吸力≤50kPa时,随着吸力的增大,内摩擦角增长曲线斜率较大,增长速率较快;当基质吸力50kPa时,随着吸力值的增大,内摩擦角增长曲线斜率放缓,增长速率减慢。     

冻融循环对非饱和粉质粘土SWCC及强度的影响

为研究季冻区非饱和粉质黏土在冻融条件下的土―水特征曲线及强度的变化,对季冻区非饱和粉质粘土的SWCC(土―水特征曲线)和强度进行了测量,观察了冻融循环次数及冻结负温对非饱和路基粉质黏土土―水特征曲线及强度的影响。研究表明:非饱和粉质黏土的土―水特征曲线用Gardner模型进行拟合效果良好;土―水特征曲线受冻融循环次数和冻结负温的影响较大,其强度随冻融循环次数的增加呈先减小后趋于稳定的趋势,冻融一次以后其强度降低最为明显,并且冻结负温为-10 ℃时其粘聚力损伤值最大。由基质吸力引起的累计粘聚力损伤值随冻融循环次数增加呈线性增加,随冻结负温减小成指数型增加。     

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.     

基于SQP和上限法的非饱和土条形基础极限承载力计算

综合考虑有效内摩擦角、有效黏聚力、基质吸力等非饱和土强度参数以及基底以下基质吸力随埋深增加而变化的工程实际(以水土特征曲线表征),采用多刚性块上限分析法对非饱和土条形基础竖向极限承载力进行研究.假定非饱和土抗剪强度公式是Mohr-Coulomb饱和土抗剪强度公式的延伸,根据线性破坏准则和相关联流动法则,构建一个承受竖向荷载的非饱和土地基承载力二维机动破坏模式.根据外力功率与内部耗能相等原理获得非饱和土地基极限承载力的目标表达式,并把其转化成一个求含有非线性约束的极限承载力上限解最小值计算模型.对建立的计算模型采用序列二次规划法进行优化求解.研究结果表明:非饱和土抗剪强度参数取值对极限承载力量值具有非线性影响;土中基质吸力存在所引起的附加抗剪强度使非饱和土地基承载力较饱和土得到提高;土体内基质吸力分布方式和地下水位高低对条形基础极限承载力影响也较大,地下水位升高导致基质吸力降低,极限承载力减小;非饱和土过渡为饱和土时,同类方法相比本解答是较优上限解.     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

非饱和膨胀土裂隙开展深度影响因素研究

 膨胀土的裂隙性是膨胀土区别于其他土类的重要特征之一,裂隙的存在严重影响着膨胀土体的工程特性。对非饱和膨胀土体的张拉裂隙开展深度进行研究,得出同时考虑非饱和膨胀土体有效黏聚力和内摩擦角的裂隙开展深度的线弹性理论关系式,并采用有效黏聚力折减系数来反映有效黏聚力在诸多因素影响下的折减效果,进一步推导出地表基质吸力开裂值的表达式和膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度表达式。研究结果表明,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度与土体的有效黏聚力、内摩擦角、泊松比、地表基质吸力、地下水位深度以及有效黏聚力折减系数有着密切的关系,但影响程度相对不同;地表基质吸力只有达到地表基质吸力开裂值以后,膨胀土体才会由于基质吸力的作用而产生表面开裂,地表基质吸力开裂值可以作为膨胀土体地表开裂的理论判据之一;当地下水位深度趋于无限大时,非饱和膨胀土张拉裂隙开展深度会达到一个极限值,此极限值可作为膨胀土层不受地下水位深度影响时的裂隙开展深度值。     

非饱和土强度的吸力贡献形式研究

在三级法向应力条件下,分别对处于饱和与最优含水率状态时的4种土样进行直剪实验。所得结果表明,基质吸力会转化为土样的一种黏聚力,并以这种形式来增强土样的强度。与此同时,吸力对土样内摩擦角所造成的影响却是很微小的。分别用同种土样来进行持水特性试验,得到了每种土样处于吸湿与脱湿过程时的土–水特征曲线。对土–水特征曲线进行分析后可知,同种土样的强度特征与其所经受的水力路径是息息相关的;另一方面,与饱和土相比,促使非饱和土强度得以增加的因素是多样的,基质吸力只是占主导地位的因素。依据分析所得结果,可将Fredlund等人提出的非饱和土抗剪强度公式表述为更为直观的形式。     

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。     

粉粒含量对高吸力作用下非饱和土力学行为的影响

常年处于寒-旱交替、蒸发远大于降水地区的路基边坡土体,大多数时期呈现高吸力非饱和状态。为研究粉粒含量对高吸力非饱和土的土-水特性及强度的影响规律,利用饱和盐溶液蒸汽平衡法对不同粉粒含量土样施加高吸力并进行非饱和土三轴试验和劈裂抗拉试验。结果表明：粉粒含量对非饱和土进水值影响显著,两者呈负相关,粉粒含量升高,土样持水能力下降;粉粒含量和吸力均对抗拉强度具有劣化作用,双因素同时作用引起土体的开裂深度增大。吸力对土样变形具有抑制作用,吸力越高,吸力提供的黏聚力越大。粉粒含量升高对土体弹性模量劣化作用显著,从模量角度定义脆性指数,对粉粒含量影响下高吸力非饱和土的脆性特征进行评价,发现粉粒含量主要通过影响峰后割线模量改变高吸力非饱和土的脆性。     

基质吸力对非饱和网纹红土抗剪强度影响研究

非饱和土中的基质吸力对土体的抗剪强度具有很大的影响,为了研究非饱和网纹红土基质吸力对抗剪强度的影响,采用滤纸法和直剪试验法分析非饱和网纹红土抗剪强度随基质吸力的变化规律。试验结果表明:黏聚力对基质吸力变化的敏感程度高于内摩擦角;随基质吸力的增大,黏聚力均呈现出先增大后减小的变化规律,最大提高幅度达200%;内摩擦角随基质吸力的增大而增大,增大幅度约为200%,而含水率的变化规律则相反。     

由土–水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数

在分析总结由土–水特征曲线预测非饱和土渗透系数方法的基础上,根据Childs和Collis-George(1950)利用充水孔隙空间形状提出的、并经多次修改的预测渗透系数模型,预测了上海非饱和软土的相对渗透系数。上海非饱和软土渗透性参数随吸力(含水率)变化呈现非线性变化,吸力增加(含水率降低)渗透性快速降低。对不同粒径的上海非饱和软土层,在减饱和初期(低吸力阶段),土体中骨架颗粒大小对渗透性影响不大;但随着减饱和过程的进行,大骨架颗粒的土体的渗透性衰减速率大于小颗粒土体;而减饱和后期,这种衰减速率上的差异又趋于不明显。这一衰减特征主要与参与减饱和的土中水的赋存状态有关。     

压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。     

基于GDS的非饱和砂质粉土的三轴试验研究

利用高级静力三轴试验仪器(GDS)对气压沉箱施工现场具有代表性的第5层砂质粉土进行了非饱和土固结不排水三轴试验(CU)研究。研究了在孔隙水压和孔隙气压共存条件下砂质粉土的抗剪强度、有效应力路径和应力应变关系等物理力学参数的特性。试验结果表明:砂质粉土非饱和强度在低吸力范围内,有效内摩擦角近似为39°,而有效黏聚力c'加基质吸力(ua-uw)产生的黏聚力约35.7kPa。由于基质吸力的存在,非饱和土的强度参数略有提高。为气压沉箱的刃脚结构设计和周边土体的沉降计算提供了可靠的物理力学参数。     

考虑非饱和土强度的边坡稳定分析方法及应用

总结了非饱和土强度理论的现状,探讨了利用土水特征曲线预测土体吸力的计算方法,提出以等效取力计入土体吸力,在常规的国 稳定计算中考虑降雨入渗的,通过实例计算,反映了边坡稳定性受降雨影响的变化过程。     

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...     

非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

合肥地区重塑非饱和黏性土强度特性试验研究

利用非饱和土三轴仪,对合肥地区非饱和黏性土的重塑样进行了控制基质吸力的三轴剪切试验。研究结果表明,控制吸力和净围压为常数的重塑非饱和黏性土三轴排水剪切试验的应力-应变关系呈现应变硬化的力学特征,且在试验条件范围内,净围压越大,硬化特征越强,吸力越小,硬化特征越强;重塑土样的强度参数粘聚力c值和内摩擦角φ值随吸力的增加都有一定程度的增加,且在试验吸力范围内,c值和φ值均呈良好的线性增长趋势,且c值的增长幅度明显大于φ值。     

非饱和花岗岩残积土强度试验研究

以衡阳非饱和花岗岩残积土为例,研究非饱和花岗岩残积土强度特性。采用滤纸法测定了花岗岩残积土的土水特征曲线,并进行了固结不排水剪切试验,分析了含水量及初始基质吸力对非饱和花岗岩残积土强度的影响。试验表明,在试验研究的含水量范围内,非饱和花岗岩残积土的吸力随着含水量的增大而减小,但含水量对初始基质吸力的影响较小;内摩擦角随含水量增加而线性减小,黏聚力随含水量增加呈二次曲线规律变化,而初始基质吸力对内摩擦角和黏聚力的影响呈非线性。     

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。     

基于ABAQUS非饱和膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨是诱发边坡失稳的主要原因之一,研究降雨引发滑坡机理分析具有重大现实意义。文章基于ABAQUS有限元软件模拟非饱和土边坡降雨入渗分析,结合滤纸法试验推导出适用于贵州省某区域非饱和膨胀土的土水特征曲线拟合公式;结合流固耦合理论和强度折减理论探究了降雨入渗下非饱和土边坡渗流场、位移场及稳定性的变化规律。结果表明:非饱和土基质吸力与含水率呈负相关;降雨入渗过程边坡地下水位差异抬升产生水平渗流力作用以及土体吸力减小强度降低是引发边坡失稳的主要原因。