非饱和击实粉土强度特性的试验研究

为研究非饱和土样的强度特性及吸力对非饱和土强度的影响,采用GDS非饱和土三轴仪,对非饱和击实粉土样进行了控制吸力的三轴排水剪切试验.试验结果表明:对于同一土体,吸力对其有效黏聚力和有效内摩擦角影响较小,但对吸力内摩擦角有着显著影响;吸力对土体具有一定的强化作用,相同围压、相同应变土样的偏应力随吸力的增大而增加;吸力对土体应力-应变关系曲线的形式影响不大,曲线形式主要取决于土体自身的性质和其应力历史;吸力和吸附强度之间存在着良好的乘幂关系,据此可将Fredlund提出的抗剪强度公式改写成以吸力为直接变量的抗剪强度公式.     

植被根系固土抗剪强度试验研究

通过对培养的黑麦草加固黏土原状土样进行直剪试验,研究了根系含量和含水率对加固土体抗剪性能的影响,并结合研究结果对其作用机理进行分析。试验结果表明:随根系含量增加,加固土体的抗剪强度和黏聚力逐渐增强,内摩擦角变化较小。这是因为根系的存在加强了土颗粒之间的摩擦,同时在剪切过程中根系发生弹性形变,其内部产生的拉应力通过摩擦力转化为阻碍土体位移的力,增强土体强度。随着含水率的增加,加固土体的抗剪强度和黏聚力均减小,内摩擦角变化不大。这是由于一方面水的存在使根系的拉拔阻力和土颗粒之间的摩擦阻力减小,另一方面含水率的增加导致基质吸力减小,使土颗粒之间的液桥强度降低,从而降低了土体的抗剪强度。     

石家庄区域非饱和土不同抗剪强度试验指标对比分析

基于非饱和土理论,通过非饱和土直剪试验、三轴UU、CU和CD试验得出非饱和土的强度指标,对比分析了不同试验条件下石家庄地区非饱和土抗剪强度指标及其在不同基质吸力条件下的变化规律.试验结果表明:石家庄地区抽气饱和后原状土UU试验测得的黏聚力大于直剪快剪试验结果,内摩擦角相差不大;原状非饱和土样UU试验的黏聚力约为抽气饱和后土样黏聚力的2倍,说明该区域非饱和原状土中存在的基质吸力对土样黏聚力的提高贡献较大;土的有效内摩擦角φ′基本不受基质吸力的影响,但随着基质吸力的增加,与基质吸力相关的内摩擦角φb呈非线性增长;试验土体总黏聚力c1′随着基质吸力的增大而呈线性增大.对比结果说明石家庄地区采用抽气饱和后原状土体的UU试验强度指标进行工程设计,在安全性和经济性方面均有一定的优势.如果采用非饱和原状土UU试验强度指标,则需要考虑工程实际中基质吸力受场地及气候等因素的影响.     

土与结构物的接触特性研究

土与结构的接触特性受土的类型、密实度、含水量等许多因素的影响,为研究株洲地区典型红土与混凝土结构物的接触特性,设计了9种不同含水量和密实度的土样,并对每种土样分别加上50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa 4级不同的法向应力,进行改进的直剪试验.试验数据表明:土与混凝土块接触面抗剪强度随土体密实度的增大而增大,随土体含水率的增大而减小;界面粘聚力随土体含水量的增大先增大后迅速减小,在塑性状态含水量附近时达到峰值.     

南方短时冻土抗剪强度指标C、φ值的试验研究

以2008年南方地区发生的极端冰雪灾害使土体短时冻结并融化后造成的地质灾害为背景,通过模拟极端冰雪环境,研究在短时冻结-解冻条件下,冻融作用、温度和含水量等因素对南方地区粉质粘土的抗剪强度指标C、φ值的影响.对不扰动土及重塑土试样进行大量直接剪切试验和环境扫描电镜试验,试验发现冻融前后土的C、φ值和微观结构均有一定的变化,并分析了正冻结土与正解冻土在不同温度及含水量下C、φ值的变化规律.     

重塑非饱和土抗剪强度指标与含水状态变化的关系

土体含水状态的变化对非饱和土强度的影响极为明显,对重塑非饱和粉质粘土抗剪强度进行分析,建立非饱和土抗剪强度的计算模型.通过室内非饱和土快速剪切试验,得到不同含水量的非饱和土抗剪强度指标,根据数值分析,建立重塑非饱和粉质粘土抗剪强度指标与含水量的关系,为工程设计及施工提供依据.     

土水特征曲线试验研究

土水特征曲线是用来描述基质吸力与体积含水量关系的曲线,根据土水特征曲线可以推导出土的抗剪强度、渗透系数等,本文给出了不同初始含水量、不同初始干密度、不同土质及不同深度土体的土水特征曲线,为实际工程地基加固处理提供参考.     

考虑降雨入渗过程的非饱和边坡稳定性分析

常规的滑坡稳定性评价方法仅考虑到滑动面基质吸力对强度的贡献,当降雨入渗深度小于滑面深度时,常规方法不能反映滑坡稳定性随降雨进行而降低这一现象.运用饱和土非饱和土统一抗剪强度理论,对滑坡土条受力分析进行了改进,推导了考虑土条侧边基质吸力变化的条分法,结合Iverson降雨入渗解析解,对降雨入渗过程中基质吸力变化导致边坡稳定性降低的机制进行了探讨.研究表明,土条侧面基质吸力提高了土体抗剪强度,它作为抗剪强度的一部分,通过条间作用力的形式提高土坡的稳定性,随着降雨入渗的进行,土条侧边基质吸力急剧下降,导致条间作用力下降,稳定系数降低.     

南水北调中线工程禹州段膨胀土的非饱和性质研究

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响不可忽视,而膨胀土就是一种典型的非饱和土,因此研究基质吸力对膨胀土抗剪强度的影响,对工程实践具有重要的意义.采用GDS非饱和三轴试验系统对南水北调中线工程禹州段膨胀土进行非饱和试验.研究表明:膨胀土的总黏聚力随着基质吸力的增大而增大,且增幅十分明显;基质吸力对有效内摩擦角几乎没有影响;抗剪强度不仅取决于所承受的围压,而且还与基质吸力大小密切相关,且随围压和基质吸力的增大而增强.     

重塑非饱和粉质黏土抗剪强度特性试验研究

含水率对非饱和土的抗剪强度有很大影响,因此研究含水率与非饱和土抗剪强度之间的关系,具有重要的工程意义.以粉质黏土为研究对象,通过直剪和基质吸力试验,研究含水率对抗剪强度及内摩擦角和黏聚力的影响.结果表明:随着基质吸力的增大,非饱和土的抗剪强度不断增大,说明基质吸力对抗剪强度有较大贡献;随着含水率增大,土的内摩擦角减小;在含水率较小时,黏聚力增大,当含水率增加到一定值时,土的黏聚力急剧下降.     

Critical embedment depth of a rigid retaining wall against overturning in unsaturated soils considering intermediate principal stress and strength nonlinearity

The overturning stability is vital for the retaining wall design of foundation pits, where the surrounding soils are usually unsaturated due to water draining. Moreover, the intermediate principal stress does affect the unsaturated soil strength; meanwhile, the relationship between the unsaturated soil strength and matric suction is nonlinear. This work is to present closed-form equations of critical embedment depth for a rigid retaining wall against overturning by means of moment equilibrium. Matric suction is considered to be distributed uniformly and linearly with depth. The unified shear strength formulation for unsaturated soils under the plane strain condition is adopted to characterize the intermediate principal stress effect, and strength nonlinearity is described by a hyperbolic model of suction angle. The result obtained is orderly series solutions rather than one specific answer; thus, it has wide theoretical significance and good applicability. The validity of this present work is demonstrated by comparing it with a lower bound solution. The traditional overturning designs for rigid retaining walls, in which the saturated soil mechanics neglecting matric suction or the unsaturated soil mechanics based on the Mohr-Coulomb criterion are employed, are special cases of the proposed result. Parametric studies about the intermediate principal stress, matric suction and its distributions along with two strength nonlinearity methods on a new defined critical buried coefficient are discussed.     

Influence of moisture content on shearing strength of unsaturated undisturbed quaternary system middle pleistocene

The unsaturated undisturbed quaternary system middle pleistocene loess,a typical unsaturated soil,often occurs in the implementation of western development strategy.To obtain the shearing strength characteristics of this unsaturated undisturbed loess,based on the analysis of mineral composition,the triaxial shear test of undisturbed quaternary system middle pleistocene loess under different moisture contents is conducted with the specialized triaxial instrument for unsaturated soil.The test results show that the mainly mineral composition of undisturbed quaternary system middle pleistocene loess is quartz and albite.Under the same confining pressure,the matric suction increases with the decrease of moisture content.The smaller the moisture content,the larger the matric suction;the higher the moisture content,the lower the matric suction.Under the same moisture content,the matric suction increases with the confining pressure and reaches a maximum when the confining pressure is 100 kPa,and then decreases with the increase of confining pressure.This phenomenon is closely related to the grain contact tightness of soil mass under high confining pressure.According to the triaxial test of loess,the sample of loess experiences 4 stages from loading to failure:1) compaction stage;2) compression stage;3) microcrack developing stage;4) shear failure stage.The test sample is of brittle failure(weak softening)under low moisture content and confining pressure.With the decrease of matric suction and the increase of consolidated confining pressure,the stress-strain curve changes from softening type to ideal plastic type.In the shearing strength parameters of unsaturated undisturbed loess,the influence of moisture content on internal friction angle is small,but that on cohesive force is obvious.Therefore,the shearing strength of unsaturated undisturbed loess is higher than that of saturated undisturbed loess and varies with the moisture content.     

考虑中间主应力的非饱和土刚性挡墙抗倾覆稳定性

现有基于Mohr-Coulomb强度准则的饱和土基坑挡墙抗倾覆设计过于保守,本文基于非饱和土的平面应变抗剪强度统一解,考虑土体强度的非饱和特性与中间主应力效应,推导了满足不同抗倾覆稳定系数的刚性挡墙埋置深度方程,并探讨了中间主应力、基质吸力和稳定系数对埋置深度的影响特性。推求的闭合解为有序新解答的集合,可供不同类型和特点的基坑工程选择与优化。结果表明,中间主应力和基质吸力对埋置深度有影响,表现在随中间主应力效应和基质吸力的增加,埋置深度相应减小且显著;挡墙抗倾覆设计的强度理论效应明显,稳定系数越大对应要求的埋置深度越大,且埋置深度也与基坑开挖深度相关。研究成果为非饱和土基坑挡墙工作性能和安全储备的分析与评价提供了理论基础。     

灌木对黄土边坡的加固效应

植物对边坡稳定性的贡献源于根系对土体的加劲作用、根系吸水消耗孔隙水压力及其引起的抗剪强度增加.通过对非饱和含根土开展剪切试验建立了根-土复合体的抗剪强度模型,其抗剪强度是根系密度和土壤含水率的函数.通过建立二维根系吸水模型,开展根系吸水条件下的渠道边坡土壤水分运动数值模拟.根据土壤水分动态分布和根-土复合体抗剪强度模型计算了不同气象阶段植被渠道边坡的稳定性.对比相同时刻植被边坡和裸土边坡的稳定性计算结果发现,植物根系通过加劲土壤和吸取土壤水分能够显著增强黄土渠道边坡的稳定性.     

非饱和土诱导减载涵洞的竖向土压力研究

为准确计算诱导减载涵洞的主要荷载,采用圆弧小主应力轨迹描述诱导减载涵洞上方回填土拱效应,以推导考虑土拱效应的滑移面土压力系数表达式,继而基于非饱和土的双应力状态变量强度理论确定滑移面摩擦切应力,建立诱导减载涵洞顶部的竖向土压力解析解,结合等沉面高度求解给出应用步骤,最后对比文献现场实测进行正确性和适用性验证,并定义减载率分析基质吸力及分布形式、吸力角、减载材料厚度和变形模量等因素的影响特性。结果表明：所得涵顶竖向土压力解析解可合理反映基质吸力及分布形式、土拱效应、减载材料性能和等沉面高度的综合影响,完善了诱导减载涵洞设计理论;非饱和土强度提升使摩擦作用增强与等沉面下降同时发生,基质吸力和吸力角对减载率具有双重影响,表现为减载率均先增大后减小,且均布吸力下双重影响更为明显;减载率随减载材料厚度增加而非线性增大并趋于稳定,但随减载材料变形模量增加非线性减小。     

含水量变化时非饱和土的变形研究

在非饱和状态下土中含水量的增加一方面将引起容重增大，从而引起压缩变形；另一方面将引起基质吸力的下降，从而引起土变形的回弹。非饱和土的最终变形表现为膨胀还是沉降取决于上述2种变形的综合效应。根据广义Hook定律，Fredlund的双应力状态变量，以及基质吸力与饱和度的关系理论，利用增量原理建立了K0状态下非饱和土的变形关系表达式，利用这一模型可以计算非饱和土含水量变化时的变形问题。研究表明：非饱和土的变形特性取决于土的性质，土中吸力变化前后的分布，所考虑土层的厚度以及应力状态等。     

常吸力下非饱和土柱孔扩张弹塑性解及饱和度响应

为研究非饱和土中常吸力条件下圆孔扩张的应力-应变特性及饱和度响应,基于非饱和土临界状态模型(UCSM)和考虑水力滞回的土水特征曲线(SWCC),引入常吸力下饱和度随孔隙比非线性变化模型,推导非饱和土中柱孔扩张问题的排水半解析解。根据柱孔周围土单元平衡微分方程,考虑边界条件,引入辅助坐标将问题转化为以3个主应力分量、孔隙比和饱和度为基本未知量的一阶微分方程组进行求解。本解答充分考虑基质吸力和超固结比对柱孔扩张响应的影响,探究扩张过程中柱孔周围土体的应力分布和体积变化,以及扩张过程中饱和度的演化规律。结果表明：非饱和土常吸力柱孔扩张过程中,呈现吸力硬化特性,且吸力硬化特性随着吸力增大而趋于稳定;孔壁及周围土体饱和度在扩张过程中变化显著,且受吸力大小的影响较大;当吸力较低时,饱和度主要受含水量变化的影响;当吸力较高时,饱和度主要受孔隙比变化的影响。本文的解答可以很好地捕捉非饱和土体不同应力历史和水力状态下的饱和度响应,可为非饱和土中静力触探试验等原位试验的解释提供指导。     

温度对非饱和路基土吸力影响的研究

季节性的温度变化和日温差变化,导致路基土吸力变化,所以研究温度对非饱和路基土吸力的影响意义较大。用连通侧管式张力计测得路基土在含水量不变化时不同温度下的基质吸力值,发现基质吸力值并非恒定,而是随着温度的升高,近似线性降低,随着温度的降低,其值线性升高。分析温度吸力影响的机理后,提出了温度对基质吸力影响的修正公式,使得基质吸力的测量更为精确。     

非饱和原状膨胀土平面应变剪切试验性状

介绍了非饱和土孔隙压力的测试技术和轴平移技术,利用改装的土工真三轴仪,模拟膨胀土边坡开挖过程的应力状态,对河南南阳原状膨胀土进行了平面应变等应力比卸荷试验,试验中同时测定了土中孔隙压力值,分析了膨胀土中吸力在剪切过程中的变化.试验表明,非饱和土原状膨胀土的吸力状态不仅与土的应力状态有关,还与土体的变形有关,其稳定表现出明显的滞后现象.土体吸力不仅取决于σ1、σ3,还与土中偏应力状态(σ1-σ3)有关.