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。     

全吸力范围内孔隙比对南阳膨胀土土水特性的影响

用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了孔隙比对全吸力范围内南阳膨胀土压实样土水特性的影响。试验结果表明:联合压力板法和蒸汽平衡法可以较好地测量出全吸力范围内南阳膨胀土土水特征曲线的脱湿曲线,其土水特征曲线在吸力超过进气值后近似为一条直线,没有明显的过渡段;在干湿循环过程中,膨胀土的胀缩变形并不完全可逆;不同初始孔隙比的试样在脱湿与吸湿过程中均存在明显的滞回效应,并且初始孔隙比越大,反映在土水特征曲线上的滞回效应越明显;全吸力范围内以含水率表示的不同初始孔隙比土水特征曲线随着吸力的增大逐渐趋于一致;全吸力范围内以饱和度表示的土水特征曲线随着初始孔隙比的增大,整体向上移动;当含水率趋于零的时候,南阳膨胀土的吸力小于1 000 MPa,其最大吸力大致在500~600 MPa。     

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。     

干湿循环后膨胀土力学特性的真三轴试验研究

为了研究原状膨胀土经过反复干湿循环稳定后的力学性状,利用非饱和土真三轴仪对经历不同干湿循环后的膨胀土进行了一系列脱湿-吸湿试验、常吸力等向固结试验和常吸力真三轴剪切试验,研究干湿循环对膨胀土土-水曲线、胀缩特性、压缩特性和强度特性的影响。研究结果表明:随着干湿循环次数的增加,脱湿曲线和吸湿曲线形成的滞回圈越来越小,甚至发生了逆向回滞;脱湿速率和吸湿速率随着循环次数的增加而增大。脱湿—吸湿过程中体变性状皆呈明显的屈服特性,验证了膨胀土本构模型中SI和SD屈服包线的存在,脱湿屈服吸力均大于吸湿屈服吸力,且二者皆随着循环次数的增加而减小。在低围压和低吸力条件下,干湿循环对膨胀土的压缩特性影响较大,而在高围压和高吸力条件下影响较小。干湿循环使膨胀土的黏聚力和内摩擦角降低,干湿循环后膨胀土的黏聚力随着吸力和中主应力的增大而增大,内摩擦角随着中主应力的增大而减小。在低吸力范围内(s≤200 kPa),干湿循环后的膨胀土的吸力摩擦角φ_b是一个变量。经历3次干湿循环后膨胀土的强度逐渐趋于稳定,其吸力摩擦角可看作是一个常量,其值随着b值的增大非线性增大。     

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。     

膨胀土增湿过程中吸力–孔隙比–含水率关系

通过不同初始孔隙比条件下的土水特征试验及增湿试验,研究了膨胀土的土水特征曲线拟合参数及体积膨胀曲线拟合参数与初始孔隙比的关系,采用曲面拟合法建立了孔隙比与重量含水率及初始孔隙比的关系曲面、孔隙比与吸力及初始孔隙比的关系曲面、重量含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面、体积含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面。试验结果表明,在重量含水率(或吸力)–初始孔隙比–孔隙比坐标系中的体变曲面由饱和部分及非饱和部分组成;在增湿过程中,曲面由非饱和区进入饱和区的转折点对应的重量含水率随着初始孔隙比的增大而增大,转折点对应的吸力随着初始孔隙比的增大而减小;在吸力–初始孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标恒定的平面曲线;在吸力–孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标在变化空间曲线,它能同时表示初始孔隙比的影响及试验过程中孔隙比的变化。     

反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究

通过非饱和土三轴仪测试黏土试样经过多次吸湿–脱湿循环路径后的力学特性,研究反复干湿循环对非饱和土变形和强度特性的影响效应。试验成果表明:干湿循环使SWCC产生变化,相同含水率所对应的基质吸力减小;收缩特性亦发生改变,干湿循环后试样在基质吸力增加的开始阶段(收缩屈服前)收缩性增强,屈服后收缩特性基本与循环前一致;非饱和土固结屈服后的压缩指数增高,但增高的幅度随基质吸力增大而降低;有些试样经过干湿循环后,剪切时产生了滑裂破坏面,其应力–应变关系表现有明显峰值和应变软化特征;吸湿–脱湿循环过程不仅使非饱和土有效内摩擦角?′降低,而且对吸力内摩擦角?b值产生一定影响。说明非饱和土经过反复干湿循环的应力路径后,其力学特性将产生不可逆转的变化。     

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。     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

加湿条件下膨胀土土水特征曲线的试验研究

以合肥市膨胀土为研究对象,利用渗析法和滤纸法试验测得土体不同初始干密度下重力含水率与基质吸力的关系;利用加湿试验测得土样加湿时孔隙比与重力含水率的关系。基于理论分析,求得土体在不同初始干密度下考虑体积膨胀的体积含水率与基质吸力的关系。结果表明:不同初始干密度对应的重力含水率-基质吸力曲线在曲线中部大致重合;不同初始干密度对应的体积含水率-基质吸力曲线与重力含水率-基质吸力曲线的形状有所区别;土样接近饱和时,各初始干密度对应的体积含水率-基质吸力曲线出现交叉。     

膨胀土收缩性质的试验研究

为了对膨胀土的收缩性质进行研究,以合肥某工地膨胀土为研究对象,对不同初始干密度的饱和土样进行了收缩试验。研究了线缩率–含水率关系(δ–w)及孔隙比–含水率(e–w)关系,分别对这两种关系进行了曲线拟合,并根据曲线拟合结果求解了膨胀土的缩限、收缩系数、最大线缩率,分析了这些指标及曲线拟合参数与土样初始干密度的关系。结果表明:收缩试验中,质量的测量简单而准确,体积的测量有一定的误差;通过拟合的孔隙比–含水率关系曲线求解的缩限值与通过拟合的线缩率–含水率关系曲线求解的缩限值基本一致;将收缩试验结果与吸力试验相结合,可以得到用体积含水率表示的、考虑体积变化的土水特征曲线。     

干–湿循环过程中吸力与强度关系研究

针对膨胀土干–湿循环过程中的吸力变化和强度变化特征,开展试验研究。采用体积压力板仪实现脱湿和吸湿并制备不同吸力的试样,通过直剪试验测试不同吸力下的抗剪强度。试验成果显示:①土水特征曲线是不稳定的,它与土体含水率的变化路径有关;②在干湿循环过程中,相同的吸力具有不同的强度贡献。     

考虑净正应力影响的膨胀土土–水特征曲线试验研究

工程建设中,具有胀缩性、裂隙性和超固结性等特殊性质的膨胀土多处于非饱和状态和复杂变化的外加应力环境下,对膨胀土进行考虑应力状态的土–水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验研究,定性描述和定量表征膨胀土在一定应力状态下的土水特征,具有工程实践意义。采用GEO-Experts高级型应力相关土–水特征曲线压力板仪(SDSWCC-H)测定了河南南阳膨胀土在4个不同净正应力下(0,40,99,199 kPa)的土–水特征曲线,并利用试验数据对提出的能明确考虑净正应力影响的膨胀土SWCC表征方程进行验证。结果表明:(1)由于土体的间断级配,南阳膨胀土呈现出双峰土–水特征曲线(bimodal soil-water characteristic curve);(2)净正应力会对膨胀土的持水能力与进气值产生影响,具体表现为在10~100 kPa基质吸力范围内,净正应力会显著影响膨胀土在脱湿过程中水分排出的速度;净正应力也改变了双峰SWCC第二个波峰的进气值;(3)已提出的SWCC模型曲线拟合精度较高,拟合结果良好,模型可以很好地表征南阳膨胀土在恒定净正应力下基质吸力与持水量的关系。     

考虑孔隙比和水力路径影响的非饱和土土水特性研究

以非膨胀性黏土为试验研究的对象,利用压力板法研究了初始孔隙比对不同水力路径下非饱和压实土土水特性的影响。试验结果表明,不同初始孔隙比土水特征曲线均存在明显的滞洄现象;当吸力大于某一值时,以含水率与吸力关系表示的话,不同初始孔隙比主脱湿土水曲线几乎重叠;以饱和度与吸力关系表示,初始孔隙比对土水特征曲线存在较大的影响。还提出归一化处理全吸力范围内不同初始孔隙比土水特征曲线的方法。最后,在归一化的处理方法基础上,提出了考虑初始孔隙比影响的非饱和土滞洄特性的模拟方法,并利用相关实测数据加以验证。     

考虑孔隙比和水力路径影响的非饱和土土水特性研究

以非膨胀性黏土为试验研究的对象,利用压力板法研究了初始孔隙比对不同水力路径下非饱和压实土土水特性的影响。试验结果表明,不同初始孔隙比土水特征曲线均存在明显的滞洄现象;当吸力大于某一值时,以含水率与吸力关系表示的话,不同初始孔隙比主脱湿土水曲线几乎重叠;以饱和度与吸力关系表示,初始孔隙比对土水特征曲线存在较大的影响。还提出归一化处理全吸力范围内不同初始孔隙比土水特征曲线的方法。最后,在归一化的处理方法基础上,提出了考虑初始孔隙比影响的非饱和土滞洄特性的模拟方法,并利用相关实测数据加以验证。     

干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征

为了了解干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征,分别开展了两组干湿循环试验。在控制吸力干湿循环试验中,吸力控制范围为 0.4 ～ 262 MPa ,采用了两种吸力控制方法,分别为渗析法（吸力＜ 4 MPa ）和蒸汽平衡法（吸力＞ 4 MPa ）,当每一级吸力达到平衡时,测量试样对应的含水率和体积;在常规干湿循环试验中, 采取了两种干缩路径,分别为全干燥和部分干燥,并测量试样在每次干湿循环过程中的轴向变形及循环结束后的含水率。结果表明： 在脱湿和吸湿过程中,试样孔隙比随吸力变化可分 3 个典型阶段：大幅变化阶段（ 0.4 ～ 9 MPa ）、过渡阶段（ 9 ～ 82 MPa ）和平缓阶段（ 82 ～ 262 MPa ）; 当吸力大于 113 MPa 时,试样的胀缩变形基本可逆,而当吸力小于 113 MPa 时,试样的胀缩变形 表现出明显的不可逆性,且不可逆程度随吸力的减小而增加。试样在常规干湿循环过程中的胀缩变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定;胀缩特征受干缩路径的影响非常明显,全干缩路径中测得的膨胀率高于部分干缩路径,膨胀速率随干湿循环次数的增加而增加;试样在干湿循环过程中的膨胀率大小在一定程度上取决于吸湿能力。     

脱湿速率影响下的膨胀土工程性状与持水特征初探

通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,实现饱和膨胀土在不同脱湿速率条件下的状态变化,借助收缩试验和非饱和三轴试验,研究脱湿速率对膨胀土收缩特性、强度特性与持水特性的影响规律。试验结果表明,膨胀土的收缩系数随脱湿速率的减小而变大,并先呈现线性脱湿过程,后呈现非线性脱湿特征;在相同含水率条件下,膨胀土的吸附强度亦随脱湿速率的减小而增大,尤在含水率和围压较低时更趋明显。结合吸附强度与吸力关系的乘幂函数表达式,利用收缩系数和吸附强度反算出不同脱湿速率下的膨胀土"双线性"土水特征曲线,发现不同脱湿速率时曲线下降段接近平行趋势,脱湿速率越小,膨胀土的进气值越大,相同含水率时的吸力越高。     

基于土体孔径分布的土水特征曲线预测

土水特征曲线(SWCC)是描述非饱和土的吸力与饱和度或含水率关系的一条重要曲线,是分析非饱和土的强度、变形及渗流的重要基础。室内直接或间接测量土体的吸力非常耗时。为了快速准确获取非饱和土体的SWCC,提出了基于土体的孔径分布(PSD)预测SWCC的改进方法。该方法采用压汞试验(MIP)测量土体的PSD,采用滤纸法测量土样的一个吸力值及其对应的饱和度,再根据该点的试验结果对MIP试验测得的土体孔隙体积进行校正,并采用校正后的孔隙体积来计算不同吸力条件下土体的饱和度。该方法可以克服MIP试验测得的孔隙体积偏小的问题。通过对9组土样校正前后预测SWCC与实测SWCC的对比分析,表明了该方法可以较为准确地预测非饱和土体的SWCC。在此基础上,可以方便快捷地得到多组土体的SWCC拟合参数及其概率统计特征。     

压实膨胀土压实特性试验研究

为了探究膨胀土在压实过程中的应力状态演变规律,利用自主研制的一维压实仪,针对澳大利亚马里兰(ML)膨胀土开展一系列不同初始含水率的压实试验,分析压实过程中的吸力及变形特性。研究结果表明,土体压实系数(C_c)受初始含水量影响显著,当初始含水量小于21.4%时,C_c随初始含水量增加而增加,当初始含水量大于21.4%时,C_c保持不变。土体回弹系数(C_r)不受初始含水量影响,压实过程中吸力因"力学增湿"而不断减小,卸荷后土体吸力显著增大。初始含水量相同时,卸载后吸力增加随饱和度增大而增大。基于压实后吸力,压实平面可分为吸力不受饱和度影响与吸力随饱和度增加而增大两部分;常体积下土水特征曲线受孔隙比影响显著;最后,利用基于吸力、饱和度、平均有效应力、修正吸力、孔隙比构建的水土特征曲线及压实曲线,对压实膨胀土中吸力及体积的变化进行了预测。     

高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。