膨胀土土水特征曲线的覆土压力效应研究

为研究膨胀土的应力状态对其持水特性和变形特征的影响,以南阳膨胀土为对象,模拟不同一维覆土压力(0,40,100,200 kPa)下膨胀土的土体水分特征,提出考虑覆土压力效应的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)模型并探讨方程拟合过程。结果表明:(1)各覆土压力下南阳膨胀土含水率随基质吸力呈规律性变化并表现出"双峰"形态,膨胀土持水量随覆土压力的增大而减少,200 kPa覆土压力下边界效应段II显著延长。(2)土体孔隙比均随覆土压力和基质吸力的增大而减小,覆土压力引起的孔隙比降幅是基质吸力引起的孔隙比降幅的2.12倍,应力作用下孔隙体积变化规律由覆土压力导致的粒间孔隙失水占主导地位。(3)基于分段思想改进双峰Fredlund-Xing方程,对南阳膨胀土实测数据进行曲线拟合,拟合参数a_1和n_1能有效反映不同覆土压力下SWCC1的特征点及特征吸力域的变化规律;对于SWCC2,覆土压力的影响减弱,各参数与覆土压力关系不显著。研究可为定量表征膨胀土的水力–力学耦合效应和双峰SWCC模型的建立提供参考。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。     

不同覆土压力下砂质黏性紫色土的土–水特征曲线研究

使用Geo-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪对重庆砂质黏性紫色土在不同覆土压力下(0,40,100,200 kPa)的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)进行了研究;采用双应力变量广义土水特征曲线模型对试验数据进行分析。研究发现:(1)在覆土压力和吸力的双应力变量影响下,土样的孔隙结构发生改变;脱湿过程孔隙比发生显著减小时的拐点吸力值随着覆土压力的增大而增大。吸湿过程中,土样的孔隙比变化不明显。(2)在双应力变量下,较大覆土压力的土样(100,200 kPa)脱湿SWCC呈现双峰特点,而较小覆土压力的试样脱湿SWCC未出现双峰特点;经历脱湿—吸湿过程后,含水率出现滞回现象。(3)使用双应力变量广义SWCC模型可以较好的拟合不同覆土压力下紫色土的SWCC,拟合精度高。结合孔径密度函数和土性参数S-index,可得出土的最佳体积含水率公式,可应用于相应紫色土地区工程建设指导。     

压实度对膨胀土持水性能的影响研究

以广西南宁膨胀土为研究对象,采用压力板仪试验测定膨胀土SWCC曲线,研究五种不同压实度对膨胀土持水性能的影响规律。试验结果表明:不同压实度对膨胀土持水性能的影响在低基质吸力范围内(0 kPa～50 kPa)更明显;当基质吸力范围在0 kPa～50 kPa时,压实度越高,膨胀土持水性能越好;当基质吸力增加至50 kPa以上时,压实度对膨胀土持水性能的影响较小,不再是膨胀土持水性能的主要影响因素。     

全吸力范围红黏土干湿循环土–水特征曲线

采用轴平移法、滤纸法以及饱和盐溶液蒸汽平衡法3种方法相结合,对单峰(泥浆土)和双峰(压实土)孔隙结构的重塑红黏土土样进行了一系列室内试验,研究了全吸力范围内(0～286.7 MPa)孔隙结构和初始孔隙比对土–水特征曲线(SWCC)的影响,分析了干湿循环下两种土的滞回性及体积变化规律。试验结果表明:不论泥浆土还是压实土,初始孔隙比对SWCC的影响均主要体现在低吸力阶段;孔隙结构对SWCC影响显著,压实土和泥浆土的SWCC分别呈现"双台阶"和"单台阶"特征;初始孔隙比相同时,泥浆土的进气值更大,持水性能更好;干湿循环下压实土的滞回性明显小于泥浆土,但泥浆土的体变更大。     

原状黄土土水特征曲线预测方法研究

为了探究原状黄土的土水特征,采用Soilvision软件对宝鸡、岐山和杨凌3个地区的原状黄土的土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)进行了预测研究,并和室内压力板减湿试验结果进行了对比。结果表明:Arya&Pais、Scheinost和Tyler&Wheatcraft 3种方法并不适合预测原状非饱和黄土的土水特征曲线;Fredlund and Wilson方法基于庞大的土工试验数据库,适合预测原状非饱和黄土的土水特征曲线。最后,建议了一种可以在无试验条件时预测土水特征曲线的工程实用预测公式。     

等应力和等孔隙比状态下的土–水特征曲线

有研究结果表明,孔隙比是影响土–水特征曲线(SWCC)的直接因素,而应力状态是通过孔隙比影响SWCC的间接因素。然而相关文献中关于孔隙比对SWCC影响的试验研究,一般只控制了试样的初始孔隙比相同或者不同,而在SWCC试验过程中对试样的孔隙比并没有加以控制。为了深化对孔隙比和应力状态对SWCC影响的认识,以山东东营黏土为研究对象,采用应力相关土水特征曲线仪,对试样沿预定路径进行单向压缩或单向压缩–回弹以后,控制竖向应力或孔隙比在脱—吸湿SWCC试验过程中保持不变。结果表明:在本次吸力范围内(未超过400 k Pa)的脱湿—吸湿过程中,即使竖向应力相同(等应力状态),只要孔隙比不同,则SWCC就不同;但只要保持试验过程中试样孔隙比不变(等孔隙比状态),则竖向应力的变化对SWCC几乎没有影响。等孔隙比状态下,即使竖向应力不同,但试样的进气值相近,脱/吸湿速率也几乎保持一致;等应力状态下,进气值随着孔隙比的增大而减小,脱—吸湿SWCC的滞回度和滞回圈面积随孔隙比增加而增大。研究结果对于建立SWCC模型时,如何选取模型参数具有理论指导意义。     

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。     

全吸力范围内固化土的土–水特征曲线试验研究

由于降雨–蒸发、水位升降等原因,固化土作为人工填土或路基材料等进行资源化利用时其含水率常处于周期性变化状态,对其持水特性的研究具有较强的理论和工程应用价值。目前有关固化土的土–水特征曲线(SWCC)的研究较少,尚未得到全吸力范围内统一、明确的固化土的土水特征曲线以及固化土的持水特性规律。采用压力板法、滤纸法、蒸汽平衡法3种试验方法,测量吸湿与脱湿2种不同路径下全吸力范围内固化土的土–水特征曲线。结合电镜扫描试验和压汞试验,对不同水泥掺量固化土的土–水特征曲线以及持水特性进行分析研究。试验结果表明：随着水泥掺量的增加,固化土的孔隙分布更加均匀,土颗粒之间大孔隙逐渐减少,孔隙体积变小,固化土的持水能力提高。固化土在脱湿与吸湿路径下的土–水特征曲线具有明显的滞回现象,随着水泥掺量的增加,水化产物增多,土颗粒团聚体表面粗糙度变大,固化土的滞回效应愈发明显。     

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。     

南阳膨胀土变形与强度特性的三轴试验研究

对南阳膨胀土做了4种应力路径的三轴试验，即控制吸力的各向同性压缩试验、控制净平均应力的收缩试验、控制净平均应力的膨胀试验、同时控制净室压力和吸力的排水剪切试验，结果表明：膨胀土各向同性压缩屈服特性仍可用一般非饱和土的LC屈服线描述；不同围压下的收缩路径的屈服吸力随围压增大而减小，且屈服后的收缩指数接近各向同性压缩屈服后的压缩指数；非饱和状态下的内摩擦角近似等于饱和状态下的有效内摩擦角，总粘聚力随吸力增加而线性增大；在各向同性压缩试验和三轴剪切试验过程中，土样含水量随净平均应力的变化都近似为线性关系。     

考虑裂隙动态变化时裂隙土土水特征曲线的预测方法研究

 裂隙广泛分布于表土中,为土中渗流提供优势通道,导致土中渗透系数增大。裂隙土的土水特征曲线(SWCC)是分析裂隙土渗流问题的关键因素。考虑裂隙的动态变化,提出一种预测裂隙土土水特征曲线的新方法,并通过实例分析对此方法进行试验验证。将裂隙土系统分为裂隙网络系统和土体系统两部分,将相同状态下2种孔隙系统的土水特征曲线组合得到裂隙土在该状态下的土水特征曲线。随着裂隙的开展,可以得到裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线。将裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线进行合理组合,即可得到考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线。通过室内试验模拟裂隙在土样脱湿过程和吸湿过程中的动态变化,测定脱湿过程中的SWCC,用所提出的方法预测考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并将预测结果与试验结果进行对比。预测和试验结果都显示,裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征。在达到土体的进气值之前,曲线由裂隙网络控制;当基质吸力较大时,曲线由土体的SWCC控制。试验结果与理论预测基本一致。     

膨胀土开挖边坡吸力和饱和度的研究

为了研究非饱和膨胀土开挖边坡中吸力变化对边坡的影响及边坡体不同部位饱和度的变化规律,在湖北某高速公路的开挖边坡上埋设热传导探头和含水率探头进行观测。监测数据与自然边坡的监测结果表明开挖边坡的吸力变化幅度较大,对膨胀土开挖边坡的稳定产生不利的影响,边坡的不同位置的大气影响深度不同。野外获得的土-水特征曲线能真实反映吸力和饱和度的变化,它能为非饱和膨胀土中基质吸力引起的强度提供了相应的参数,大大简化计算,避免计算不同饱和度情况下的强度。从土-水特征曲线还能获知非饱和膨胀土的渗透参数,对工程具有一定的指导意义。     

膨胀土自然边坡吸力和饱和度量测

为查明非饱和膨胀土边坡中吸力和饱和度(体积含水量)的变化和规律,以及降雨对吸力和饱和度的影响。在湖北襄樊某高速公路旁的天然边坡设立观测井,并埋设热传导探头和含水量探头,进行了为期2 个月的观测。通过精度较高的多项式的拟合获得的土-水特征曲线,得出进气值和残余饱和度对应的基质吸力。根据土-水特征曲线,获得非饱和土的渗透系数,为工程设计提供了必要的参数,同时解释了非饱和膨胀土的吸力随深度变化的规律和原因。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

脱湿路径下重塑膨胀土的体变修正与土水特征

采用南水北调中线工程河南南阳试验段重塑中膨胀土为试验土样,完成了5种不同初始干密度试样的脱湿试验和平行收缩试验,推导给出了更为合理的体积修正公式。试验结果表明,膨胀土脱湿路径下的体积收缩对其土水特征曲线（SWCC）影响较大,同一基质吸力状态下,体积修正后的试样饱和度/体积含水率明显高于修正前的饱和度/体积含水率,在吸力越高的区域,差别越明显。以Fredlund-Xing模型和试验结果为基础,建立了能考虑膨胀土体积变化的SWCC模型,并结合前人的试验成果深入分析了初始孔隙比对模型参数的影响规律。最后探讨了反映含水率-吸力-孔隙比关系的土水特征曲面的特性,考虑膨胀土试样体变修正时,孔隙比与含水率之间的函数关系为一个三次多项式,而不是线性关系。     

伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型

新疆伊犁黄土具有湿陷性强烈、易溶盐含量高的特点,描述其非饱和土应力状态中的吸力参量时,须同时考虑总吸力和基质吸力两个参量。为此,通过滤纸法开展了不同含盐量下伊犁黄土的土水特征曲线试验,测量了不同含盐下伊犁黄土的总吸力与基质吸力,计算了不同含盐量下土样中溶液浓度,分析了含盐量对湿陷的影响,基于Gardner模型,提出了可以考虑易溶盐含量影响的伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线的拟合模型。研究结果表明:含盐量对新疆伊犁黄土的基质吸力有一定影响,对总吸力与渗透吸力影响较大;土样溶液浓度随着含盐量的增大而增大,总吸力与溶液浓度之间呈线性关系;随着土样内易溶盐含量的增加,土样湿陷系数明显增大;提出的土水特征曲线模型可以考虑易溶盐含量的影响,可以统一描述伊犁黄土总吸力和基质吸力随含水率、易溶盐含量变化的规律。     

纤维改性膨胀土的土水特征曲线研究

为了研究纤维改性膨胀土的土水特征,以合肥某工地膨胀土为研究对象进行土水特征曲线(SWCC)试验,研究3种干密度和4种纤维含量对纤维改性膨胀土土水特征的影响。对试验结果按van Genutchen模型进行拟合。结果表明:干密度对纤维改性膨胀土SWCC的影响有明显规律,随着干密度的增大,同一基质吸力对应的饱和度相应增加;纤维含量对纤维改性膨胀土SWCC的影响无明显规律。通过曲线拟合,得到了纤维改性膨胀土SWCC的拟合参数值及其统计量,指出参数n、ws的变异性较小,m的变异性中等,a、wr的变异性最大。     

非饱和重塑膨胀土各向等压加载试验研究

为分析裂隙和胀缩对非饱和膨胀土屈服和水量变化特性的影响,首先对重塑膨胀土试样进行常温条件的干湿循环,使其形成不同程度的裂隙和孔洞;其次以多功能土工三轴仪为研究工具,对已产生结构损伤的重塑土试样进行控制吸力为常数、净平均应力增大的各向等压加载试验。试验结果表明:随着干湿循环次数的增加,膨胀土试样裂隙和孔洞发育愈加明显,排水能力相应提高;同一吸力条件下,屈服应力随着干湿循环次数的增大而减小;同一干湿循环次数条件下,试样所受吸力越大,屈服应力则相应增大;干湿循环次数增多时,膨胀土的压缩指数在发生屈服前后呈现不同规律,前者一直增大,而后者可看作一常数。