非饱和土的土-水特征曲线的试验研究及应用

利用改进的非饱和土三轴仪,对非饱和土在不同围压条件下的基质吸力与含水量关系的试验研究。并根据试验结果,绘制非饱和土的土-水特征曲线与围压-基质吸力关系曲线。分析曲线规律,拟合基质吸力与体积含水量之间的函数,并通过土水特征曲线计算非饱和土的渗透系数及预测非饱和土的抗剪强度。     

干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力响应规律研究

非饱和土基质吸力与其微观孔隙结构息息相关。为探究在干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力的响应规律, 以重塑黄土坡滑坡滑带土为研究对象, 采用压汞法分析干湿循环过程中孔隙大小分布规律, 得到不同干湿循环次数下滑带土孔隙分布曲线。在此基础上, 结合分形原理, 将滑带土孔隙划分成三类(大孔隙、中孔隙和小孔隙); 结合毛细管模型, 间接推算出滑带土的土-水特征曲线(SWCC)。研究结果表明:反复干湿循环作用使小孔隙逐渐转化成大孔隙, 颗粒孔隙转化成团粒孔隙; 不同干湿循环次数对应的土-水特征曲线均存在一个共同的拐点, 拐点上侧, 含水率相同时, 随着干湿循环次数增加, 基质吸力逐渐增大, 下侧反之。研究成果有利于深入了解滑带土的干湿循环效应, 可用于库岸滑坡演化机理研究。     

黄河大堤非饱和土土水特征曲线研究

利用改进的非饱和土三轴仪，对黄河大堤重塑非饱和土进行了试验研究，分析了其渗透特性，并选用Van Genuchten模型拟合了试样的土水特征曲线，对不同围压下的土水特征曲线进行了比较。结果表明：①随非饱和土含水量的增大，基质吸力减小，非饱和土的工程性质向弱性变化；②在高含水量下，基质吸力随含水量变化的变化幅度很小，在低含水量(天然含水量)下，基质吸力随含水量的增大而迅速减小；③对某一类土而言，在低吸力下土的基质吸力主要随含水量而变化，在高吸力下其大小除取决于含水量外还受黏粒含量、矿物成分等因素的影响；④相同体积含水量的土壤的基质吸力随着围压的增大而减小，相同基质吸力的土壤的含水量随围压的增大而增大。同时指出，对于黏性较强、有机质含量较高的黄河大堤非饱和土的土水特征曲线，还需要进一步研究。     

基质吸力对灰岩区滑带土强度影响的试验分析

基质吸力是非饱和土中水-土耦合作用的重要力学参数,对于研究非饱和土抗剪强度、降雨或库水位变化诱发的滑坡稳定性具有重要意义。为了探究降雨诱发的基质吸力变化对灰岩区滑带土的影响,通过标准应力途径三轴试验系统,对4组不同基质吸力条件下、3组不同净围压下的试样进行试验,分析得到基质吸力与最大剪应力的关系曲线、应变与剪应力的关系曲线、净围压与剪应力的关系曲线,采用非饱和土双应力变量强度理论进行分析。结果表明:相同基质吸力条件下,剪应力随着剪应变的增加呈现快速增长和缓慢增长2个阶段,其界限点在剪应变10%处;在相同围压条件和非饱和条件下,剪应力随着基质吸力的增加而增加;总黏聚力与基质吸力呈线性关系,其增长斜率夹角即基质吸力相关角为15.5°;当基质吸力为0,30,60,90 kPa时,其总黏聚力分别为22.7,33.4,43.8,46.9 kPa,内摩擦角分别为21.8°,23.6°,26.2°,24.5°。根据Fredlund和Ralaadjo非饱和土双应力强度理论,提出了该滑坡滑带土的抗剪强度修正公式,研究成果可为非饱和土抗剪强度的进一步研究提供参考。     

基于伯格模型的非饱和土蠕变模型构建

滑坡变形发展一般都要经历一定的时间过程,同时在降雨以及库水位变动下,滑坡土体常处于非饱和状态,因此构建考虑基质吸力的非饱和土蠕变模型具有非常重要的意义。以三峡库区某滑坡滑带土非饱和蠕变试验数据为基础,基于伯格模型和非饱和土力学原理及相关假设条件,构建了适合该滑坡滑带土的非饱和蠕变模型。接着,利用非线性回归算法对模型参数进行求解,并将该模型预测值与试验值进行对比,验证了该模型的合理性。最后,考虑模型参数与净围压之间的线性相关性,对模型进一步修正,并验证了修正后模型的有效性。构建的非饱和土蠕变模型能较好地反映该滑坡滑带土的非饱和蠕变特性,其对预测该滑坡的长期变形具有重要的意义。     

糯扎渡库区非饱和土SWCC曲线测定及应用

以糯扎渡水库库区滑坡堆积体非饱和土为研究对象,探究非饱和土的基质吸力产生本质、影响因素及强度破坏准则等理论,获取该非饱和土完整的土-水特征曲线。通过土-水特征曲线进一步预测其强度参数,可为该非饱和土强度的确定提供一种简单可行的方法。室内非饱和试验表明:可通过土-水特征曲线获取非饱和土的强度参数,在基质吸力小于50 kPa时,通过土-水特征曲线得到的抗剪应力值与室内试验测得的抗剪应力值误差小于0.85 kPa,误差在允许范围内,证明根据含水率可预测非饱和土边坡力学参数。研究成果可为非饱和土边坡稳定性随含水率变化过程的研究提供数据。     

基质吸力对非饱和滑带土抗剪强度的影响试验研究

在滑坡地质灾害中遇到的滑带土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和滑带土c、φ值的影响,对于滑坡防治具有十分重要的意义。通过不同基质吸力和剪切速率的条件下的四联直剪试验,探讨了基质吸力与非饱和粘性滑带土抗剪强度的关系。试验结果表明,在同一基质吸力条件下,抗剪强度随轴向荷载的增大而增大,且保持平稳线性增长的趋势;随着吸力值的增大,其总粘聚力与内摩擦角均呈现增大趋势。对于总粘聚力来说,当基质吸力≤100 kPa时,随着吸力的增大,总粘聚力增长曲线斜率较大,增长速率较快;当基质吸力100 kPa时,随着吸力值的增大,总粘聚力增长曲线斜率放缓,增长速率减慢;但总体处于平稳增长的态势。对于内摩擦角来说,当基质吸力≤50 kPa时,随着吸力的增大,内摩擦角增长曲线斜率较大,增长速率较快;当基质吸力50 kPa时,随着吸力值的增大,内摩擦角增长曲线斜率放缓,增长速率减慢。     

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

针对现实中土体含水量任意变化的情况,采用滤纸法测定非饱和膨胀土任意循环路径下对应的总吸力和基质吸力,得到了任意含水率变化下的总吸力曲线和土水特征曲线。将曲线进行拟合,利用毛细滞回内变量模型进行计算,通过与试验结果对比,验证了该模型对于膨胀土的适用性。结果表明:滤纸法测得的土水特征曲线与传统方法测得的曲线大致相同。含水量任意变化下的曲线不与完整脱、吸湿曲线重合,相同含水率下,脱、吸湿开始点之间含水率差值越小,脱湿后吸湿的曲线,基质吸力越高;吸湿后脱湿的曲线,基质吸力越低。毛细滞回内变量模型适用于非饱和膨胀土,计算结果与实际值能较好吻合。     

滑坡滑带土非饱和蠕变特性模型研究

绝大多数滑坡的失稳过程实质为非饱和蠕变过程。在Singh-Mitchell研究成果的基础上,研究了低应力水平下蠕变变形与时间的关系,将蠕变过程划分为衰减蠕变、等速蠕变和加速蠕变3个阶段,并且将基质吸力作为一种新的应力变量反映到模型中,从而建立能够反映应力-吸力-应变-时间的非饱和蠕变模型。以三峡库区千将坪滑坡滑带土为研究对象,根据非饱和三轴蠕变试验数据对模型参数进行求解,并根据参数λ1、λ2与应力水平的关系,参数B、βDR与时间关系对模型进行修正,推导了适用于非饱和土的非线性蠕变模型。采用试验数据对模型进行验证,发现该模型能够较合理地预测滑坡滑带土的蠕变特性。     

非饱和膨胀土土水特征曲线试验研究

土水特征曲线指的是非饱和土中,基质吸力与含水量的变化关系曲线。非饱和土的抗剪强度、渗透系数、变形特性都与土水特征曲线有关。通过改装的非饱和固结仪,对非饱和膨胀土土水特征曲线进行测定,并对所获得的土水特征曲线进行拟合分析。分析结果显示：所得的膨胀土土水特征曲线符合一般规律,可以为进一步的非饱和抗剪强度试验提供可靠的参数,为工程实践提供试验依据。     

非饱和残积土土-水特性研究及基质吸力估算

残积土在我国南方分布十分广泛,是工程建设及地质灾害评估中主要遇到的土体之一。非饱和状态下,残积土边坡土体的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态,还与土中的吸力密切相关;土-水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系,是非饱和土研究的重要内容之一。选取福建省有典型代表的凝灰质砂砾岩残积土、凝灰岩残积土以及花岗斑岩残积土3种类型土作为试验土样,测定土样完整的脱湿、吸湿循环过程的土-水特征曲线。鉴于基质吸力测量困难,在Barden非饱和土分类方法的基础上,通过分析具有实际工程意义的含水量情况(饱和度介于50%~90%),总结出的利用饱和度预测基质吸力的简易方法具有针对性和实用性。     

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。     

冰水沉积粉质黏土非饱和强度特征与细观机理研究

为弥补当前对非饱和粉质黏土细观结构研究的欠缺,基于Fredlund双应力变量理论、Fredlund-Xing土-水特征模型,通过室内试验从细观结构、矿物成分至非饱和力学特性方面展开对冰水沉积粉质黏土的系统研究,查明非饱和抗剪强度及参数变化特征,深入分析细观作用机理。研究表明:冰水沉积粉质黏土非饱和抗剪强度随基质吸力增大而提高,增长速率逐渐降低,内摩擦角φ′与含水率构成对数函数关系,内聚力c_total1具有峰值特征,峰值点含水率约为10.24%。土中的矿物组分遇水发生的水解、离子置换等作用对土体结构造成较大影响,在低基质吸力条件下造成宏观非饱和抗剪强度的损伤,根据其作用特征将非饱和抗剪强度随基质吸力的变化过程划分为3个阶段,建立了适用于冰水沉积粉质黏土的三维破坏包络面的概化模型。与此同时,分析发现材料参数φ^b在低基质吸力段并不为常数,以某一初始值逐渐减小,变化曲线呈反“S”形,最终无限趋近于0。     

非饱和黄土弹性模量与饱和度关系模型研究

为研究非饱和黄土弹性模量与饱和度的相关性,采用一种基于吸应力理论与粒子图像测速技术相结合的方法对典型非饱和马兰黄土重塑样品的弹性模量随饱和度变化规律进行测试与分析。该方法通过自主研制的多功能摄影测量装置获取饼状土样从饱和状态至干燥过程中的高分辨率数码图像与含水率变化数据,同时使用压力板仪与单轴压缩仪分别测试试样的土水特征曲线与泊松比。结合吸应力理论与极坐标形式应力-应变关系理论计算土样在不同饱和度状态下的弹性模量。3种干密度重塑土样在自然风干过程中的弹性模量变化测试结果表明,马兰黄土的弹性模量随饱和度降低而呈指数增大,提出了拟合弹性模量与饱和度关系的数学模型。     

库岸边坡渗流及稳定性分析

库岸边坡常因受到库水位周期性波动的作用而失稳。传统的饱和土渗流及稳定分析方法无法正确描述水位升降过程中岸坡内孔压场的动态变化及其对岸坡安全系数的影响规律。本文从非饱和土的渗流和抗剪强度理论出发，分析了水位升降时土质岸坡的渗流规律及其稳定性的变化规律。通过选取典型的土性参数，对黏土、粉土和均质砂岸坡进行饱和-非饱和渗流分析，得到水位升降过程中岸坡内孔隙水压力场，再引入极限平衡方法，考虑基质吸力对非饱和土抗剪强度及岸坡安全系数的贡献，进行岸坡稳定性分析。分析表明，土体的饱和渗透系数和土水特征曲线共同决定了水位升降时岸坡内孔隙水压力的大小及分布，水位升降情况下岸坡安全系数的变化规律也与岸坡土体的渗透特性有关。     

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。     

应力作用下非饱和土土-水特征曲线研究

总结有关土-水特征曲线的研究成果,利用非饱和土固结仪进行非饱和重塑粘土试样的土-水特征曲线试验,分析了竖向压力和固结压力对土-水特征曲线的影响,并利用Fredlund 3参数模型对试验数据进行拟合。研究结果表明,竖向压力越高,土-水特征曲线越平缓,空气进入值越大,同吸力下的土体饱和度越大。固结压力的影响与竖向压力相似。     

粉质砂土的土-水特征及一维应力变形试验研究

浅层非饱和土的力学特性与其土-水特征密切相关,研究自重应力作用下土体的土-水特征曲线及一维应力变形对于边坡、基坑等工程的稳定性分析具有重要意义。采用应力相关的压力板仪对西南某地区的粉质砂土进行了干燥试验及k₀固结试验。结果表明:在较低的竖向应力状态下,应力大小变化对粉质砂土的土-水特征曲线影响不大;在一定的净竖向应力状态下,粉质砂土的体积应变随吸力的增加呈线性增大;在一定的吸力状态下,粉质砂土的k₀固结变形是非线弹性的,净竖向应力越大,土体的体积应变越大,孔隙比越小。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。