非饱和土一维压缩试验及变形规律探讨

为研究非饱和土在侧限条件下的变形规律,进行了控制初始干密度和基质吸力的一维压缩试验,提出切线压缩系数和切线体积压缩系数的概念,发现切线压缩系数和切线体积压缩系数均随净竖向压力的增大呈指数衰减规律,建立了描述孔隙比–净竖向压力关系和竖向应变–净竖向压力关系的经验模型,结合国内外文献中的试验数据对模型的合理性及其对不同类别非饱和土的适用性进行了验证。提出的模型可用于计算任意压力间隔内非饱和土的平均压缩性指标,计算非饱和土由于浸水产生的一维湿化变形,还可用于描述非饱和土随基质吸力增大的一维收缩变形规律。     

西北地区膨润土湿化变形特征的试验研究(英文)

通过对西北地区原生与重塑膨润土的湿化试验,研究了初始含水量、初始干密度与荷载水平对湿化变形的影响。研究表明,当初始干密度给定时,湿化变形增量随初始含水量增加而减小;当初始含水量给定时,湿化变形增量随初始干密度增加而增大。重塑膨润土也同样有此规律,但重塑膨润土的湿化变形比原生膨润土为大。     

压实土体的部分湿化计算方法探讨

即使在很小的应力作用下,土体湿化后也会有变形;大部分土体的湿化并没有达到饱和状态,处于部分湿化状态,因此湿化计算有必要解决初始湿化变形和部分湿化变形。将初始湿化变形、土体的刚度参数、强度参数视为湿化程度的函数,考虑渗流过程的影响,从而将传统只能计算干态和湿态的计算方法推广,能够考虑初始湿化变形和湿化变形过程。介绍相应的计算理论,编制相应的计算程序。利用该模型可以比较好地解决高填方工程中的应力路径和湿化路径问题,并应用该方法模拟巫山污水处理厂高填方高压实土体的湿化试验过程,计算湿化变形随时间变化的关系。计算结果与湿化试验曲线吻合较好,证明该方法的可行性。     

非饱和土热–水–力全耦合本构模型及其验证

在地热资源开发与利用、核废料地质处理、垃圾填埋场等诸多岩土工程领域都需要考虑温度对非饱和土性质的影响。为了更为全面描述非饱和土在热–水–力耦合条件下的变形及持水特性,以平均土骨架应力、修正吸力和温度为应力变量,以比体积和饱和度为应变变量,建立了一个非饱和土热–水–力全耦合本构模型。模型通过屈服面方程及屈服面之间的耦合规律来反映热–水–力之间的相互影响,主要包含温度和饱和度对力学特性的影响,吸力和超固结比(应力历史)对热变形的影响,密度、温度和滞回效应对持水特性的影响,温度、应力和滞回效应对干化及湿化变形的影响。利用建立的模型,对不同应力路径下的试验进行预测。通过预测与试验结果的对比,验证了模型的适用性。     

干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响

 为解决填方工程沉降和边坡稳定性问题,采用非饱和土三轴仪,对延安新区填方的重塑Q3黄土,进行3种初始干密度下一系列控制基质吸力的三轴剪切试验,研究重塑黄土的变形和强度变化规律。研究结果表明：初始干密度和吸力对重塑黄土的破坏形态、变形特性和强度特性影响较大;随初始干密度的增大,试样的偏应力–轴向应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑性再向应变软化型转变;初始干密度和吸力越大,试样的剪胀性越显著,强度越高;有效黏聚力、内摩擦角和吸力摩擦角均随初始干密度的增加而增大;内摩擦角随吸力几乎不变,而黏聚力随吸力呈线性增加;初始切线杨氏模量和切线体积变形模量均随初始干密度与吸力的增加而提高。根据研究结果提出考虑初始干密度和吸力影响的重塑黄土的抗剪强度参数与非线性模型参数的表达式,可用于预估不同初始干密度、不同吸力下重塑黄土的强度和变形参数,为工程应用和数值模拟提供了依据。     

理想膨胀性非饱和土UH模型

膨胀性非饱和土具有吸水膨胀和浸水强度降低的特点，容易引发地基不均匀沉降导致建筑物开裂破坏。构建了与土体干密度和超固结度相关的膨胀式，并将其融入已有的非饱和土UH模型，从而能够合理地描述理想膨胀土湿化过程中体积膨胀与强度降低的特性。与已有模型相比，提出的模型所需参数少，可以更合理地考虑超固结度和初始干密度对膨胀土应力应变关系的影响，同时可以体现膨胀土在超固结状态下的应力软化特性和剪胀特性。该模型在不考虑土体膨胀式时可以退化成已有的非饱和土UH模型。通过与已有膨胀性非饱和土的试验结果对比分析，验证了模型在定量描述膨胀性超固结非饱和土应力应变特性上的合理性。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

基质吸力与含水量及干密度定量关系研究

 借鉴结晶矿物学/粉体力学与工程中的配位数概念,基于Smith试验公式、Fisher经验公式和Young-Laplace公式,建立含水量、干密度或孔隙比等非饱和土的宏观状态量与两土颗粒之间水环体积、饱和角等微观状态变量之间的对应关系,从理论上推导并给出基质吸力的定量计算公式。计算结果表明：非饱和土基质吸力随含水量的增大而单调减小,二者表现为非线性关系;基质吸力与干密度或孔隙比表现为良好的线性关系,但在低含水量段,基质吸力随干密度的增大而增加的趋势明显,而在高含水量段,基质吸力则基本保持不变。计算结果与已有的试验结果吻合较好。     

赣南某稀土矿体渗透性试验研究

以赣南某离子型稀土矿为研究对象,基于Van Genuchten模型,结合饱和渗透系数,利用土水特征曲线对不同干密度重塑矿的非饱和渗透系数进行预测。在此基础上,探讨了干密度对离子型稀土重塑矿渗透性的影响,结果发现:干密度对重塑矿样非饱和渗透系数变化曲线的位置和形态有很大影响,非饱和渗透系数随干密度的减小而增大,随基质吸力的增大而减小,干密度对低吸力段的非饱和渗透系数影响较大,对高吸力段的非饱和渗透系数影响较小,而基质吸力对非饱和渗透系数的整个变化过程都有重要影响。     

非饱和膨胀土的结构模型和力学性质的研究

 博士学位论文摘要　主要研究了膨胀土的结构模型和力学性质, 取得了以下几方面的成果:(1) 建立了膨胀土微结构的数学模型, 运用分形几何理论研究膨胀土的粒度分布和膨胀土微孔隙表面的特征; 建立粒度分布的分维与膨胀土的成因类型、膨胀特性、力学特性的相关关系; 研究了粒度分布的分维与压力(围压) 的关系, 随着围压增加, 粒度分布的分维增大。(2) 根据非饱和膨胀土微结构的分形模型, 导出了其水份特征曲线方程, 并由此得到了非饱和膨胀土的导水规律与含水量的相关公式。(3) 建立了膨胀土的结构性强度理论。根据工程实践提出了结构性凝聚力和结构性内摩擦角的概念,结构性内摩擦角和结构性凝聚力是指原状非饱和膨胀土的内摩擦角和凝聚力。对于膨胀性不强的膨胀土,结构性内摩擦角与饱和膨胀土的有效内摩擦角相等; 结构性强度是由非饱和土的溶质吸力和基质吸力引起的强度。根据非饱和膨胀土的结构模型, 建立非饱和膨胀土的结构性强度理论; 用非饱和土三轴仪研究了非饱和膨胀土的强度特征, 并用试验结果证实了非饱和土的结构性强度理论。(4) 分析了膨胀力与含水量和干密度的相关性, 讨论膨胀力对地基承载力的影响, 修正了太沙基承载力公式, 使之适用于膨胀土地基。(5) 建立了膨胀土的膨胀变形的相关公式。用压缩仪研究了宁夏膨胀变形特征, 建立了膨胀量与压力和初始含水量的相关公式; 膨胀变形的机制是膨胀矿物与水之间的相互作用, 运用这个机制解释了膨胀变形的试验结果; 建立了膨胀变形的物理模型, 很好地解释了膨胀变形的试验结果。(6) 建立了膨胀土的弹塑性本构模型。在饱和土的弹塑性本构关系中增加吸力作为独立的应力状态变量, 从而得到非饱和土的通用弹塑性本构关系; 用椭圆2抛物线双屈服面研究了非饱和膨胀土的应力2应变关系; 用非饱和土的三轴试验研究了非饱和膨胀土的本构模型, 得到非饱和膨胀土的LC 屈服面, P r～ us 屈服面, 用数值模拟方法计算了宁夏膨胀土的应力应变关系曲线, 与试验结果一致。     

Consolidation behavior of an unsaturated silty soil during drying and wetting

In this work, the effect of hysteresis phenomenon on the consolidation behavior of an unsaturated silty soil was investigated through a program of experimental tests. Compacted samples were prepared by the slurry method and experimental tests were carried out in a double-walled triaxial cell. Consolidation tests were conducted by the ramping method at suctions of 0, 100, 200, 250 and 300 kPa on drying and wetting paths of the soil water characteristic curve. The results show that the paths of specific water volume and specific volume are not consistent during stabilization in either condition (drying or wetting). In addition, the yield stress for the wetting path is higher than that for drying. The trend of variations of the specific water volume during loading is similar to the consolidation curves for different suction. For both conditions of drying and wetting, the slope and intercept of the virgin line due to variations of specific volume and specific water volume are a function of suction. While their values decrease with increasing suction, these values are higher for the dry path than wetting.     

非饱和膨胀土变形和强度特性的三轴试验研究

为了研究吸力变化对非饱和膨胀土变形和抗剪强度特性的影响,利用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪,进行一系列吸湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验。试验土样取自鄂西北的中膨胀性土,采用静力压实方法制备试样。试验成果表明:该非饱和膨胀土在低围压吸湿过程中的体变性状呈明显的屈服特性,因此验证了Barcelona膨胀土本构模型中SD屈服包线的存在。在等向压缩固结过程中,该非饱和膨胀土的屈服应力随吸力增加而增大,而屈服后的压缩系数随吸力增大而减少,表明吸力对土体具有硬化作用。该非饱和膨胀土的有效内摩擦角不随吸力变化而变化,吸力对抗剪强度的贡献(似凝聚力)随吸力呈非线性增加,吸力对该膨胀土抗剪强度的贡献明显高于压实高岭土和砂性土。     

非饱和土本构模型中应力变量选择研究

 应力变量是本构模型的基本要素之一,非饱和土本构模型中应力变量的选择目前仍有较大争议,各模型中应力变量的选择非常混乱,严重阻碍了理论研究的进一步发展。Bishop有效应力或其修正的应力形式,以及新提出的吸应力等,虽然可以较好地表示非饱和土强度,但不能模拟非饱和土浸湿后体积膨胀和坍塌现象。双应力变量目前应用较多,有考虑非饱和土中孔隙水对土体力学性质影响的骨架应力和毛细应力,有用得最多的净应力和吸力,或者两个应力变量一个是应力的函数,另一个是吸力(或饱和度)的函数等多种形式,可以较好地反映非饱和土的强度和变形特性,但目前双应力变量选择有很大的随意性,没有确凿的理论依据。重点指出建立本构模型时土体的应力变量不能随意选用,应满足Houlsby功率方程,同时还要注意与应力变量对应的应变变量的选择。旨在澄清目前的混淆概念,为非饱和土本构模型建立提出合理的应力变量。     

粗粒料浸水变形分析方法的改进

 首先分析单线法、双线法各自的优点和缺点,提出试验方面用单线法试验结果修正双线法试验结果,但计算方面仍用双线法计算的思路。其次进行粗粒料大三轴单线法和双线法湿化变形试验,对浸水变形特性进行研究,发现单线法和双线法试验结果之间的一些规律,并引用其他学者的试验结果进行验证,同样成立;同时,对该规律的机制进行探讨;基于该规律,提出一个改进的浸水变形分析方法。最后分别用改进方法和双线法对试验结果进行预测,预测结果表明,改进方法计算结果和试验结果更加吻合。     

Development of a void ratio-moisture ratio-net stress framework for the prediction of the volumetric behavior of unsaturated granular materials

Despite extensive research on the behavior of unsaturated fine-grained materials, there is still a lack of understanding of the volumetric behavior of unsaturated granular materials. In this research, a model has been developed to predict the fundamental volumetric behavior of unsaturated granular materials through loading and wetting state paths. In this regard, a loading-wetting surface was developed in a space of void ratio-moisture ratio-net stress. A distinctive feature of the proposed model is the relative simplicity in obtaining the model parameters using conventional geotechnical testing equipment. Two types of recycled granular materials, commonly applied in unbound pavements were used, namely, recycled crushed brick (CB) and excavation waste rock (WR). The uniqueness of the developed surface was evaluated by employing a number of loading and wetting state paths. The results indicate that the developed surface is unique in its loading state paths; however, it only shows uniqueness in its wetting state paths for stress levels greater than 2000 kPa. The proposed model seeks to introduce the application of the unsaturated soil mechanics theory, for predicting the behavior of granular materials in the field, by providing a practical and cost-effective methodology.     

粗粒料三轴湿化颗粒破碎试验研究

颗粒破碎是引起粗粒料湿化变形的重要因素，有必要对其进行深入研究。利用改进的应力控制三轴仪，对坝的粗粒料进行不同围压和湿化应力水平下保持应力水平不变的三轴湿化变形试验，同时对湿化前后的试样进行颗粒分析试验。依据试验结果，分析湿化颗粒破碎的原因，得到湿化变形最及Hardin的颗粒破碎指标表示的颗粒破碎量。对粗粒料湿化变形和湿化颗粒破碎试验结果的分析表明：湿化变形与围压及湿化应力水平有关；湿化引起颗粒破碎，对颗粒级配曲线有较大的影响，湿化前后级配曲线的颗粒累积百分比的差值随粒径呈驼峰状分布，驼峰位于25％含量粒径左右；湿化引起的颗粒破碎使得级配曲线的曲率系数、不均匀系数和60％含量粒径减小；湿化颗粒破碎随着围压和湿化应力水平的增加而增加；湿化变形与湿化颗粒破碎之间有很好的相关性，湿化轴变与湿化颗粒破碎近似成线性关系；湿化变形的基本规律可以根据湿化颗粒破碎规律加以解释。     

Effect of different types of wetting fluids on the behaviour of expansive soil during wetting and drying

This paper presents the results of an experimental investigation into the mechanical behaviour of an expansive soil during wetting and drying cycles. The experimental tests were conducted in a modified oedometer under two different surcharge pressures (10 and 20 kPa). During the tests, the samples were inundated with different types of wetting fluids (distilled water, saline water and acidic water). The volumetric deformation, void ratio and water content of the samples were determined during cycles of wetting and drying. The results show that the swelling potential increases with an increasing number of wetting and drying cycles. The effect of the distilled water on the swelling potential is not the same as that of the saline water or the acidic water, particularly for different surcharge pressures. The variations in void ratio and water content show that, at the equilibrium condition, the wetting and drying paths converge to nearly an S-shaped curve. This curve consists of a linear portion and two curved portions, and the majority of the deformation is located between the saturation curves of 90% and 40%.     

非饱和土强度公式的比较研究

 非饱和土力学的基本理论已经确认了基质吸力的存在有利于非饱和土的强度提高,但是对于强度提高的机制到目前为止没有统一的结论,非饱和土强度理论中存在着单应力状态变量公式和双应力状态变量公式2种基本的理论表达式,并在此基础上产生了许多实用的强度公式。通过珞珈山土样的土–水特征曲线试验和非饱和三轴剪切试验对非饱和土强度公式进行比较研究。结果表明,珞珈山土样的进气值和残余含水量分别为237.7 kPa和4%;珞珈山土样非饱和强度在低吸力范围内,与吸力基本成线性增长关系,验证了非饱和土双变量强度公式的适用性;珞珈山土样的非饱和抗剪强度参数约为20.7°;现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度理论的应用有待进一步的研究与完善。     

土水特征曲线在滑坡预测中的应用性探讨

 通过模型试验与数值分析方法的结果对比,研究土水特征曲线中的主要增湿路径与主要减湿路径对降雨型滑坡预测的影响。研究结果表明,采用不同状态路径的土水特征曲线来进行降雨条件下边坡的有限元渗流分析,会得到不同的基质吸力和孔压变化趋势,进而影响强度折减有限元法的计算结果;而对于相同的基质吸力条件下,采用主要增湿路径所预测的非饱和渗透系数会低于主要减湿路径的预测值,使得主要减湿路径预测滑坡破坏时间较主要增湿路径快。此外,若边坡产生滑动型破坏,则实际滑坡发生时间在主要减湿路径与主要增湿路径的预测值之间。研究成果说明,采用作为界限的主要增湿和主要减湿路径作为土水特征曲线的滞后模型,对降雨型滑坡灾害的防灾预警具有一定的实用价值,可利用主要增湿与减湿路径预测滑坡发生的时间差,规划与建立合适的滑坡雨量预警基准。