热动力学的稳态与非饱和土的临界状态

临界状态的概念是临界状态土力学中最重要的概念之一,它是临界状态土力学的基石。但到目前为止,非饱和土临界状态的明确的定义以及到达临界状态的必要条件还没有清晰地给出。基于热力学的理论,推导给出了非饱和土变形过程到达最终点即稳态的约束条件。指出非饱和土变形过程到达最后的结束状态就是稳定平衡状态（简称稳态）,而这种稳态针对非饱和土而言,就是其临界状态;非饱和土的临界状态是具有普适性的热力学过程的稳态的特殊情况。与基于实验给出的非饱和土临界状态的条件相比,给出的非饱和土临界状态的约束条件是更具完备性和一般性,并且是基于严格的热力学的理论推导得到的,而不是根据某一特殊非饱和土样本的实验结果给出的结论。     

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。     

无限长均质斜坡降雨入渗解析解

降雨是导致边坡失稳的最主要的环境因素,研究降雨入渗对边坡稳定性的影响,关键和难点是计算降雨入渗在边坡土体中引起的渗流场。采用Fourier积分变换分别对降雨强度小于和大于土体饱和渗透系数情况下的斜坡入渗解析解进行了推导,并给出了这两种情况下斜坡入渗解析解的统一表达式。该解不仅能反映非饱和土特性及斜坡的影响,还能反映当降雨强度大于土体饱和渗透系数时,坡面边界由流量边界转化为水头边界的动态变化过程,便于更全面地对降雨情况下斜坡的入渗规律进行研究。通过与有限元软件的计算结果进行对比,证明该解是稳定可靠的,且其形式简单,计算效率高;该解可精确计算坡面积水时间及任意时间点及空间点的孔隙水压力值,并用于评估降雨入渗对非饱和土斜坡稳定性的影响。     

膨胀性非饱和土的双尺度毛细-弹塑性变形耦合模型

从宏观和微观角度,在已有的膨胀性非饱和土的双尺度本构模型BExM和湿陷性非饱和土的毛细-弹塑性变形耦合模型的基础上,发展和建立了一个可预测膨胀性非饱和土的毛细滞回和力学行为耦合的双尺度本构模型.模型考虑了土体微观结构的体变及其对宏观结构行为的影响,以及毛细和力学行为之间的耦合作用.对已有的膨胀性非饱和土的常净应力下吸力循环试验进行预测,预测结果表明该模型能够定量地描述膨胀性非饱和土的毛细和力学行为.     

非饱和土二、三维固结方程简化计算方法

针对非饱和土的固结问题的复杂性,为了计算的简化,将非饱和土固结分为3个阶段:初期压密、气压消散和水压消散。假定前两个阶段是瞬间完成的,其后独立考虑水压的消散。分别建立3个阶段的二、三维控制方程,以计算各阶段的气压、水压、骨架应力、相应的土体变形和水量变化。算例的计算结果表明本文方法简便、实用。该简化方法主要适用于饱和度不太高的非饱和土,而对饱和度较高的非饱和土,由于气压消散过程较长,不宜采用。     

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.     

土水特征曲线滞后模型的研究

介绍了以热力学为基础的土水特征曲线的滞后模型,该模型通过引入内变量来考虑与滞后有关的各种效应.由于满足了热力学定律,使这种模型更具有一般性和适用性.利用边界面理论,可以得到扫描线与边界面之间的关系,从而可以利用边界面来确定出其中的扫描线的情况.在前人工作的基础上,提出了一个修正的简化模型,把不可恢复的含水率作为其中一个内变量.修正后的模型对原有模型的不足之处进行了改进,使得扫描线在刚开始靠近边界面时的斜率不会出现无穷大,同时保留了原有模型的优点,只有一个参数,便于实际应用.通过与实验结果进行比较,可以看到修正后的模型能更好地反映非饱和土性质和实际情况.     

非饱和土试验中的先进吸力控制技术

介绍和评价了海外常用的3种吸力控制技术:轴平移、渗透和湿度控制。论述了每种技术的工作原理、发展过程、应用情况和优缺点。对文献中采用轴平移和渗透技术得到的试验结果进行了比较和讨论。另外,在直剪试验的剪切阶段前施加不同的吸力平衡历时,用以展示吸力平衡历时对随后的剪切过程中的各种剪切性状(抗剪强度和体变)的影响。     

高饱和度土的压缩和固结特性及其应用

高饱和度土往往存在于湖海地区的含气泡沉积物以及工程中高含水率的压实土。试验表明高饱和度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。假设高饱和度土为具有可压缩流体的两相土,考虑水气混合物的压缩性,推导出不排水条件下土体压缩公式,并建立高饱和度土的排水固结方程,获得一维简化解析解。在此基础上,深入分析了荷载作用下高饱和度土的孔压系数、三轴试验的反压饱和过程与围压饱和过程、以及一维情况下高饱和度土的排水固结特性,重点讨论它与饱和土的区别。最后还对影响高饱和度土压缩和固结特性的主要参数进行了分析。