非饱和原状黄土平面应变试验研究

利用TS-526真三轴仪改造的平面应变仪,对不同含水率条件下原状非饱和黄土的变形和强度进行了试验研究。结果表明:在不同含水率下非饱和黄土的偏应力与轴向变形关系曲线均表现为硬化性或者强硬化性;在不同含水率下,非饱和黄土的偏应力与体积变形关系曲线存在明显拐点,在拐点之前土样表现为受剪压缩,拐点之后土样表现为受剪剪胀;土体的基质吸力随含水率的变化而变化,随着含水率的增大,基质吸力减小;非饱和黄土的抗剪强度参数随含水率的增大而减小;非饱和黄土的强度高于饱和黄土的强度。     

基于动态多步流动法的非饱和土持水特性试验研究

土-水特征曲线是描述非饱和土基质吸力与饱和度之间的关系曲线。由于传统的测试方法耗时较长,在常规压力板仪测试系统上增加数据自动采集系统、气泡体积测量系统和储水冲刷系统。通过动态多步流动法试验对原状土和重塑土进行脱湿过程土－水特征曲线的测定,对比分析非饱和土的结构性对其土-水特征曲线的影响。结果表明:改进之后的压力板仪可以实时测定溢出水质量,精确测量气泡体积,节省试验时间;原状土与重塑土的饱和度均随基质吸力和加载时间的增大而减小;相比于原状土,重塑土的脱湿速率和最终溢水量较小,进气值较高,达到残余饱和度状态所需时间较短,其残余含水率也偏大。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

利用瞬态剖面法测定重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试样取自陕西泾阳县泾河南岸黄土塬上部的马兰黄土。用0.5 mm的筛将风干碾碎的黄土样筛入一高2 m的圆形玻璃桶内,上部补给一定量的水,随后按一定时间间隔量测土柱内不同深度的含水率,再根据土的基本物理指标换算为体积含水率。同时配制与模型桶相同密度的土样,用张力计法测定其土-水特征曲线,即不同体积含水率土样的基质吸力。根据土-水特征曲线和模型桶内体积含水率剖面计算得到不同时刻土样的水头剖面,由此可进一步计算出水分在垂直方向的渗流速度和水力梯度,并得出不同体积含水率土样的渗透系数。通过回归分析,获得渗透系数与体积含水率、渗透系数与基质吸力的函数关系,该函数可用于黄土的非饱和渗流分析。     

基质吸力对非饱和重塑黄土变形的影响及破坏准则

利用非饱和土三轴仪对宁夏固原地区重塑黄土开展了不同基质吸力和不同围压下的固结排水剪切试验,探讨了该黄土在不同围压、不同基质吸力下的变形规律,计算了不同含水率下的强度参数,得到了总黏聚力随吸力的变化曲线。研究表明：该重塑黄土的偏应力应变曲线整体呈硬化型,且强度和硬化程度与基质吸力和净围压关系较大;不同含水率条件下净围压50 kPa时该重塑黄土具有明显的剪胀特性,净围压300 kPa时具有明显的剪缩特性,且剪胀和剪缩程度与基质吸力有关;黏聚力与吸力均近似呈线性关系;摩擦角随吸力的变化不明显。此外,将试验数据拟合得到的强度参数随吸力的变化关系引入Lade-Duncan破坏准则中进行修正,得到π平面内不同吸力下重塑黄土的强度破坏面。验证表明,该修正破坏准则可以考虑吸力对非饱和黄土强度的影响。     

非饱和重塑与结构性黄土平面应变试验三维离散元模拟

黄土的宏观力学行为受其微观结构影响显著,为探究非饱和重塑与结构性黄土在平面应变条件下的宏微观力学性质,采用考虑粒间吸引力与化学胶结的非饱和结构性黄土胶结接触模型,开展了非饱和重塑与结构性黄土常含水率条件下的平面应变三维离散元模拟。分析了平面应变条件下不同有效围压对黄土宏观力学行为的影响,并探究其微观机理。模拟结果表明:有效围压对非饱和重塑黄土与结构性黄土应力应变响应影响存在较大差异。非饱和重塑黄土在较小有效围压时呈应变硬化,随有效围压的增大逐步过渡为应变软化,而结构性黄土在不同有效围压下均表现为应变软化,且围压越小,应变软化越显著。在微观尺度上,胶结达到轴向应变2％时开始持续破坏,对于结构性土的峰值应力影响显著;胶结同时会阻碍结构性土各向异性发展。     

非饱和粘性土的动力特性

本文论及应变幅值在10~(-4)以下的非饱和粘性土动力特性。用共振柱法对4种不同含水量的粘性土进行的试验结果表明,在周围应力和应变幅值不同的条件下,非饱和粘性土的动力特性,随饱和度的改变而变化;在相同周围应力和应变幅值条件下,非饱和粘性土的动剪切模量随饱和度的增长而下降,阻尼比随饱和度的增长而加大。     

非饱和黄土的动剪模量与阻尼比

本文对陕西杨凌地区的非饱和黄土在不同湿度条件下进行动扭剪试验，测定了非饱和黄土的动剪切模量和阻尼比。结果表明，非饱和黄土的动剪切模量随动剪应变的增加而减小，但减小的幅度愈来愈小；在其它条件相同时，最大动剪切模量随含水率的减小而增大，随固结应力的增大而增大；非饱和黄土的动剪切模量与黄土的结构状态及密实状态有关。在相同含水率、固结应力比和固结应力条件下，原状黄土的最大动剪切模量比重塑黄土的稍大，重塑黄土最大动剪切模量随试样干密度的增大而增大；非饱和黄土的阻尼比受含水率、固结应力比、周围压力、干密度等因素的影响，可以反映在其与动剪应变的关系上，在半对数坐标系中动剪切模量与动剪应变具有较为良好的线性关系。     

竖向压力作用下重塑黄土土柱压缩湿陷及渗水试验研究

为了探讨竖向压力对兰州非饱和重塑黄土土柱压缩湿陷特性、入渗过程及土-水特征的影响,利用一维土柱渗透仪开展了不同竖向压力作用下非饱和重塑黄土土柱的常水头渗水试验,得到其压缩湿陷曲线,浸润峰、入渗量、体积含水量时程曲线与监测截面土-水特征曲线。研究结果表明:(1)土柱压缩性与湿陷性在试验压力下与常规试验皆有差异;尺寸效应不影响试验黄土结构强度,对其湿陷起始压力影响不大;(2)土柱增湿时浸润峰的前行速率随竖向压力的增大而逐渐减小;增湿过程中土柱在力与水作用下入渗能力变化导致入渗速率曲线有交叉现象,且竖向压力越大入渗速率变化范围越小;(3)竖向压力作用改变了渗水路径,从而影响了监测点体积含水率的变化;(4)竖向压力作用对土-水特征曲线的三个阶段均有影响,压力作用时土柱饱和度皆大于无压力作用,且随着压力增大饱和度逐步增大,当吸力趋于0时,土样未完全饱和。最后利用经典Van Genuchten模型对不同竖向压力下土-水特征曲线进行拟合,模型拟合效果较好。通过试验及分析,为兰州新区建设提供相关参考依据。     

重塑马兰黄土渗透性的室内试验研究

基于室内常规渗透试验,对延安新区重塑马兰黄土不同压实度下的渗透性进行研究,分析了饱和渗透系数随颗粒大小、孔隙度及干密度等因素的变化规律。试验数据拟合结果表明,该地区重塑马兰黄土的饱和渗透系数与孔隙度呈正指数函数关系,与干密度呈负指数函数关系。此外,不同干密度情况下,饱和渗透系数随时间变化的统计结果表明,当干密度大于1.6g/cm~3时,重塑马兰黄土的渗透系数不再随渗透时间变化,基本趋于稳定,且渗透性能低,因此可采用此干密度为不同要求和标准的地基压实工程提供参考和指导。     

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。     

干湿循环对非饱和黄土渗透系数的影响研究

针对不同干密度的重塑非饱和黄土,利用GCTS压力仪研究非饱和黄土在干湿循环条件下的土－水特征曲线,选用van Genuchten模型拟合体积含水量与基质吸力的关系,结合Childs & Collis-Geroge模型预测黄土的非饱和渗透系数,进而分析干湿循环作用及干密度对非饱和渗透系数的影响。研究结果表明：试验地区非饱和黄土的土－水特征曲线拟合相关度高达0.97以上,有良好的适用性;黄土的非饱和渗透系数与干湿循环次数及干密度之间均符合指数函数关系;相同基质吸力条件下,干密度大的黄土非饱和渗透系数大,基质吸力较小时,干密度为1.74 g/cm³的黄土比干密度为1.56 g/cm³的黄土非饱和渗透系数大10²数量级;当干密度保持不变时,随着干湿循环次数的增加,渗透系数逐渐增大,其增幅随体积含水量的增大而增大,随基质吸力的增大而减小;当非饱和黄土试样的体积含水量接近残余含水量时,土体的渗透系数趋于稳定。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

瞬态剖面法是量测非饱和土渗透系数的直接方法之一。本文以室内模型试验为基础，利用瞬态剖面法测量重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试验以陕西泾阳泾河南岸的黄土塬南缘马兰黄土为对象，将重塑干黄土样筛入一圆形玻璃筒内，上部补给一定量的水，然后量测不同时刻土柱内不同深度的质量含水量，并换算为体积含水量；同时采用张力计法测定模型桶土样的土-水特征曲线，即不同含水量土样的基质吸力。计算得到不同时刻模型桶内土样的水头剖面，由此确定渗流速度和水力梯度，并得出不同体积含水量土样的渗透系数。对瞬态剖面法得到重塑黄土样的非饱和渗透系数进行回归分析，获得渗透系数与含水量，渗透系数与基质吸力的指数函数关系。     

基质吸力对花岗岩残积土强度影响分析

花岗岩残积土分布相当广泛,是工程建设中经常遇到的土体之一。借助非饱和三轴仪进行花岗岩残积土抗剪强度试验分析,探究基质吸力对其强度参数影响。试验结果表明基质吸力和净围压的增大对花岗岩残积土强度有提升作用,花岗岩残积土黏聚力随基质吸力增大呈线性增长趋势,内摩擦角随基质吸力增大呈曲线增长趋势。基质吸力对土体弹性模量的影响也是正相关的,即弹性模量随基质吸力增大呈递增规律。根据试验结果,得出抗剪强度参数与基质吸力的关系式及不同基质吸力下土体的弹性模量表达式。     

非饱和重塑黄土固结特性试验研究

以延安新区工程建设中填方区的重塑黄土为研究对象,以准确计算填方区黄土地基的沉降为主要目标,以工程实际中填方区黄土的岩土工程设计参数为参照,室内制取了 Q3重塑黄土固结样。开展了4组控制吸力的非饱和土固结试验,得到了非饱和重塑黄土的压缩曲线,分析了吸力对重塑黄土固结特性的影响。研究表明：初始状态相同的重塑黄土土样,压缩系数随吸力的增大而减小;非饱和重塑黄土试样的压缩指数除了受竖向压力影响外,也受吸力作用的影响,压缩指数随着吸力的增大而减小;在2 MPa 的竖向应力下,重塑黄土土样总的竖向应变较小,最大的竖向应变为0．7％。     

基于湿润锋前进法的不同应力状态砂质黄土土柱渗流试验

由于试验装置的局限性,非饱和土渗透特性的研究大多未考虑应力对渗透系数的影响。为探讨水-力耦合作用下砂质黄土的渗透特性,自主研制了一套水-力耦合试验装置。采用湿润锋前进法探究了不同初始干密度和轴向力对非饱和渗透系数的影响,得到水-力耦合作用下非饱和黄土渗透性和轴向位移的演化规律。结果表明:(1)砂质黄土的渗透系数随基质吸力的增大而减小,在不同测试截面处渗透函数曲线出现分层现象;(2)土体的渗透系数随初始干密度和轴向力增大而减小;(3)随轴向力增大,不同初始干密度土柱的稳定渗透系数趋向一致;(4)砂质黄土具有较大的水敏性,在水-力耦合作用下土体结构破坏,导致湿化前后轴向位移差异较大。     

湿陷性黄土与膨胀土的分级增湿变形特性试验研究

对陕西张桥的湿陷性黄土和安康的膨胀土分别进行了分级增湿变形试验。根据试验结果分析了这两种土的应力应变关系曲线、增湿变形过程中基质吸力变化特点及增湿变形类型。分析表明，其两者的增湿变形应力应变曲线形态完全不同，湿陷性黄土的应力应变曲线明显分为压缩、湿陷变形和固结压密3段，并且在湿陷变形转变为固结压密时有一个明显的转点。膨胀土的应力则随变形增加呈衰减趋势，并且在增湿变形中以体积变形为主，剪切变形较少。湿陷性黄土和膨胀土在增湿过程中基质吸力变化亦表现出明显的差异，前者随含水率明显变化，随应力变化较小，而后者随含水率和应力的增加均有较大变化。最后提出湿陷性黄土的湿陷起始应力和膨胀土的膨胀应力两个概念，进一步合理分析了两者的特征力。     

非饱和高液限土土-水特性试验研究

为研究非饱和高液限土土-水特性及其不同条件下土-水特性试验的适用性,分别采用滤纸法、非饱和土固结仪法和现场试验法对公路边坡工程中非饱和高液限土进行测量土-水特征曲线的试验研究。结果表明:滤纸法测得的土-水特征曲线与室内方法存在差距,大部分在室内测得土-水特征曲线的回滞圈内,对曲线进行拟合得到含水率与基质吸力对数呈线性关系;室内非饱和土固结仪法试验得到的土-水特征曲线出现滞回效应,曲线利用VG模型可较好地拟合;现场监测得到的土-水特征曲线(SWCC)与室内试验方法的结果存在差距,但大部分在吸湿曲线和脱湿曲线之间,更接近吸湿曲线,曲线受土体上覆应力影响,上覆应力越大曲线越陡,且基质吸力与含水率成负相关,二者不存在滞后现象,曲线可利用线性函数较好地拟合。     

非饱和路基粘土强度与变形特性的三轴试验研究

压实的路基填土一般处于非饱和状态。然而目前路基设计方法一般是基于经典的饱和土理论,没有反映出路基土的本质。为了模拟路基边坡的慢速失稳破坏,进行了不同围压下控制吸力的固结排水三轴试验,研究了非饱和路基粘土的强度与变形特性。结果表明:非饱和路基粘土的应力~应变曲线均有明显的峰值,变形模量和偏应力峰值均随吸力的增加而增大,峰值过后呈现出明显的应变软化现象;相同吸力下,围压越大,偏应力峰值越高;不同吸力下,随着吸力的增加,表观粘聚力逐渐增大,但是这种增大关系是非线性的,而有效内摩擦角有所减小,但变化不大;非饱和路基粘土试样在剪切过程中一般表现为剪缩。     

非饱和花岗岩残积土动力变形特性试验研究

为了探究某高速公路工程中非饱和花岗岩残积土动力荷载作用下的变形特性,以衡阳非饱和花岗岩残积土为研究对象,采用美国GCTS公司的USTX-2000非饱和土/饱和土动静三轴试验系统进行了非饱和动三轴试验,并利用Janbu公式进行了拟合。分析了吸力、净围压等对非饱和花岗岩残积土的变形特性的影响,并对其相应的本构关系及模型参数进行了探讨。结果表明:在吸力一定情况下,动应力应变骨干曲线呈双曲线型,骨干曲线随着净围压增大向上移动,不同净围压情况下,其与吸力未呈明显的相关关系;净围压相同时,非饱和花岗岩残积土的最大动弹性模量随动应变增大而减小;吸力一定条件下,最大动弹性模量随着净围压的增大近似线性增加;相同净围压下,阻尼比随动应变的增大而增大。研究成果为工程地质问题治理提供理论依据。