重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究

为了反映冻融循环作用对原状黄土渗透各向异性及原状、 重塑黄土渗透差异的影响, 以西安Q₃黄土为研究对象, 通过三轴固结渗透试验对比分析了冻融前后水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数随初始含水率、 围压、 冻融循环次数变化的规律。结果表明： 未冻融时各级围压下竖直向原状黄土的渗透系数为2×10^-6 ~ 18×10^-6 cm?s^-1, 水平向原状黄土和重塑黄土的渗透系数为0 ~ 4×10^-6 cm?s^-1; 经历冻融循环后, 水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数与初始含水率的关系曲线分别呈现逐渐上升、 抛物线形式与变化平缓的不同特征, 而三者的渗透系数均随冻融循环次数的增加呈现数量级增大的趋势; 原状黄土的竖直 - 水平渗透系数比（k_v /k_h ）由冻融前的4.38逐渐减小到0.90, 可见冻融循环作用在显著提高黄土渗透性能的同时, 可以强烈弱化其各向异性特征。通过建立围压、 渗透系数与土体孔隙率的相关关系可知, 原状、 重塑黄土的孔隙率与围压存在极强的负线性相关性, 渗透系数随围压的增大呈典型指数衰减特征, 渗透系数与孔隙率具有相似的变化趋势, 因此冻融循环过程中土体孔隙率的改变是导致其渗透性质变化的主要原因。     

饱和重塑黄土抗剪强度影响因素的试验研究

强降雨和灌溉导致黄土强度劣化并发生饱和破坏现象,进而诱发黄土滑坡,给当地带来严重的灾难。饱和黄土抗剪强度的影响因素较多,本文根据水头饱和与反压饱和相结合的原理,利用改装后的TFB-1型非饱和土应力-应变控制式三轴仪对党川地区马兰黄土重塑土样进行饱和试验和CU试验。分别采用50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa围压对饱和重塑黄土进行剪切速率分别为0.02 mm·min-1、0.06 mm·min-1、0.2 mm·min-1、0.4 mm·min-1的CU试验,探讨了围压和剪切速率对饱和重塑黄土抗剪强度的影响。研究发现:同一围压下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着剪切速率的增大呈先增大后减小的趋势;同一剪切速率下,饱和重塑黄土的抗剪强度随着围压的增大逐渐增大;在干密度相同的条件下,饱和重塑黄土的总黏聚力及有效黏聚力随着剪切速率的增大先减小后增大,总内摩擦角及有效内摩擦角随着剪切速率的增大先增大后减小。该研究可为黄土滑坡预报和范围预测提供一定依据。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

求取现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法

土体渗透性参数的测定是解决与水有关的岩土工程问题的关键所在。为使现场原状土体饱和渗透系数的测定更为准确,通过一种易于安装和固定的防蒸发型双环入渗仪,研究黄土的入渗规律与特点,试验结果表明:黄土的入渗分区可分为饱和区、湿润区与干土区,其中饱和区的入渗深度约占总入渗深度的1/2,而湿润区土体的饱和度在70%以上,这一特征与Green-Ampt入渗模型的假设较为接近,但在应用基于Green-Ampt模型的规范法（SL237-042-1999）求取黄土的饱和渗透系数时,发现该法会高估黄土的饱和渗透系数。因此,结合Green-Ampt入渗模型与土水特征曲线主要增湿路径的特点,提出了能合理测定现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法,对Green-Ampt入渗模型参数加以修正,即直接采用干土区的初始基质吸力水头值,且该值由张力计实测或由主要增湿曲线求得;需采用入渗试验前期的平均入渗率;所对应的湿润锋发展深度需经由水分传感器实测而得。研究结果表明该法能合理估算现场黄土的饱和渗透系数。     

5种排水条件下饱和重塑黄土三轴剪切特性

为了深化对工程实践中黄土排水状态和影响的认识,通过三轴剪切试验控制应变增量比研究了饱和重塑黄土在不排水、强制吸水、自由排水、强制排水、部分排水5种排水条件下的剪切特性。结果表明,饱和重塑黄土的剪切特性与排水条件密切相关：在不排水和强制吸水条件下,黄土试样表现为应变软化,从广义上讲,在强制吸水条件下试样的剪胀性被强制发挥;在自由排水和强制排水条件下,黄土试样表现出硬化趋势,其中,在强制排水条件下试样的剪胀性受到抑制;在部分排水条件下,黄土试样为应变软化或应变软化到硬化的过渡状态,此时,黄土的剪切特性不仅与应变增量比有关,也受到孔隙比的影响,应变增量比越接近0,试样的软化程度越明显,而试样的孔隙比越小,其在剪切初始阶段的剪胀趋势越明显,试样的峰值强度和残余强度越高。另外,基于渐近状态方程和剪胀方程,量化分析了饱和重塑黄土的渐近状态和剪胀性,发现试样的渐近状态应力比与剪胀程度呈负相关关系。     

兰州地区某处浅表层重塑黄土的力学特性研究

浅表层黄土的力学性质主要受季节性降雨和干旱气候的影响,表现在黄土遇水后发生较大的沉陷及崩塌。开展浅表层黄土的力学特性研究可为防治黄土地区地质灾害提供一些参考。本文选取兰州某地区浅层黄土,进行重塑黄土的室内直剪试验与干湿循环条件下的直剪试验、无侧限抗压强度试验及渗透试验。结果表明：同一剪切速率下,含水率增加,黏聚力减小,内摩擦角变化很小;同一含水率下,剪切速率增加,黏聚力增加,内摩擦角变化也很小。重塑黄土的黏聚力随着干湿循环次数的增加而减小,内摩擦角变化不大。无侧限抗压强度随着含水率与干湿循环次数的增加而减小,超过4次干湿循环后其抗压强度差异不大,基本趋于稳定。重塑黄土渗透系数随着干湿循环次数增加而增大,随干密度增大而减小。     

延安新区马兰、离石黄土饱和渗透特性的试验研究

饱和渗透系数是重要的水文地质参数,由于沉积环境的不同,不同地层黄土的饱和渗透性存在明显差异,研究黄土在天然状态下与室内不同压实情况下的渗透特性对揭示挖填混合区域的地下水流场有重要的理论意义。本次研究以延安新区的马兰黄土及上离石黄土为研究对象,通过室内常规渗透试验,测定原状样及不同干密度重塑样的饱和渗透系数,并进行对比研究。结果表明：原状马兰黄土的密实度相对略低,其饱和渗透系数高于原状离石黄土,约为原状离石黄土的2～4倍。重塑马兰黄土与重塑离石黄土的饱和渗透系数差异不大。在击实作用下,重塑黄土的饱和渗透系数明显降低,约为原状黄土的0.38倍。由于生物孔洞等的存在,原状马兰黄土的饱和渗透系数与孔隙度或干密度无显著的单调关系。而原状离石黄土及重塑黄土的饱和渗透系数随孔隙度的增大而增大,随干密度的增大而减小,且重塑黄土的饱和渗透系数与孔隙度和干密度呈半对数关系。     

含水率对重塑黄土的变形特性影响的实验研究

采用侧限压缩实验,对相同干密度、不同含水率的重塑黄土进行压缩固结实验。借鉴原状黄土湿陷性的研究方法,分析了含水率对于重塑黄土的变形影响。结果表明:低含水率时,孔隙比随应力的变化近似为线性、割线模量随应力的变化表现明显的非线性、应变速率衰减得快;高含水率时,孔隙比随应力的变化表现为明显的非线性、割线模量随应力的变化近似为线性、应变速率衰减得慢。     

黄土的饱和自重和饱和密度

在测定自重湿陷系数时,计算黄土饱和自重所需的饱和密度,根据土的天然含水量的经验估值可用所列公式或表重到,其精能满足工程要求。     

Q2饱和黄土隧洞围岩变形特征研究

Q₂饱和黄土含水率高,强度低、变形大。饱和黄土隧洞围岩变形破坏一直是工程界关心和亟待解决的问题。利用隧洞围岩收敛变形、二次应力场监控量测与数值分析,获取隧洞围岩动态综合信息,研究在一次支护条件下,隧洞围岩的收敛变形和应力变化特征。结果显示,隧洞围岩收敛变形和应力在最初的10~15天呈线性快速增长趋势。后期,收敛变形随时间呈非线性增加,受一次衬砌的限制,其变形在隧洞开挖30~40天后渐趋于稳定,但应力持续增加,反映Q₂饱和黄土隧洞围岩具有显著的时效特性。为避免隧洞围岩压力过大,造成隧洞围岩及支护破坏,建议在开挖后30~40天施作二次衬砌。     

饱和黄土的性质与非饱和黄土流变模型

对西安地区相关数据统计分析，把西安市饱和黄土、软黄土的工程性质与一般黄土进行详细对比，指出它们之间的工程性质差异。同时重点介绍推导非饱和黄土加载体积流变模型过程以及模型的适用条件，对该模型的应用作了分析。     

不同应力路径下饱和重塑黄土的力学特性

土体的力学特性往往因应力状态和应力路径而异。为了探讨垂直加载和等剪路径下饱和土的力学特性,制备饱和重塑黄土试样,通过固结不排水（CU）和常剪应力排水剪（CSD）三轴试验,分别测定并绘制其应力-应变曲线、孔隙水压力变化曲线和应力路径曲线。试验结果表明,饱和重塑黄土在2种路径下有明显不同的变形特点:CU路径下的应力-应变曲线皆呈弱软化型,孔隙水压力先快速上升后逐渐趋于稳定;CSD路径下维持偏应力为一常量,施加孔隙水压力后的很长时间内试样变形很小,当孔隙水压力增大至试验围压的60%~75%时,试样迅速破坏。CSD路径无偏应力峰值,文中根据轴应变随平均有效应力变化曲线定义了等效峰值破坏线。通过对比发现,2种路径下饱和重塑黄土的有效峰值强度指标差异明显,而有效残余强度指标相近,表明有效残余强度指标是重塑黄土内在属性,受应力路径的影响不大。该研究结果可为实际工程选取正确的应力路径试验提供参考。     

马兰黄土渗气率与饱和渗透系数的关系研究

利用改进的ZC-2015型渗气仪和TST-55型渗透仪进行马兰黄土渗气和饱和渗透试验,确定稳定渗气率对应的稳定渗径,进而探讨渗气率ka和饱和渗透系数Kw的关系。研究结果表明: ka不仅能描述非饱和土孔隙和结构特征,也能用于预测Kw。气体渗气率随着渗径的增大而减小,最终趋于稳定,原状和重塑黄土的稳定渗径均约8 cm。ka和Kw间呈明显的双对数线性关系,不同深度的原状风干黄土和不同粒组的重塑土的lgka和lgKw间的相关性都比较明显,但原状风干黄土和重塑土之间的拟合公式有很大差异。另外,黏粒含量较高时,重塑土拟合直线的斜率β和截距α明显增大。不同含水率下,重塑土拟合公式有很大的差异,当含水率较大时,随着干密度的增大,ka的变化程度比Kw大,拟合直线的斜率β和截距α都有明显的减小。     

饱和黄土卸载特性影响因素研究

黄土边坡开挖过程中常遇到边坡发生变形甚至破坏的情况,不同的开挖速率导致边坡的变形特征也不相同。通过饱和黄土的卸载三轴试验,研究固结围压及卸载速率对卸载状态下饱和黄土的应力-应变特性、孔隙水压力的发展及应力路径的影响。试验表明,固结围压越大,土体破坏所需的偏应力越大,抗剪强度越大;卸载速率越大,对应的偏应力峰值越大,抗剪强度越大。卸载速率相同时,土体卸载初期的超静孔压为负值,增大至正值后孔压的增长速率在其增大过程中逐渐减小;固结围压越大,土样剪切过程中对应的孔隙水压力越大。卸载三轴试验中,土体均表现为应变软化的特性;饱和黄土破坏时的应变均为1%~3%,且固结围压越高,破坏时的应变越小。固结围压相同时,卸载速率越大,孔压增长速率越快,但孔隙水压力值越小。     

高速黄土滑坡的一种机理——饱和黄土蠕动液化

本文提出了高速黄土滑坡的一种机理——饱和黄土蠕动液化。文中列举了甘肃地区饱和黄土蠕动液化造成高速滑坡的实例,并从饱和黄土受力前后的应力条件及土体结构内部强度的变化分析了饱和黄土液化的机理。通过现场及室内试验得出剪切强度、剪切速度、饱和度及其它影响因素对液化程度的重要影响。提出了饱和黄土蠕、滑动液化导致高速滑坡的过程。最后,还讨论了高速滑坡及泥流的速度问题。     

坡缕石粘土对Cu2+的吸附热力学

将坡缕石粘土分离提纯后作为吸附剂,通过对水中Cu2+的静态吸附实验,考察了时间及介质pH值对吸附效果的影响,并对吸附平衡和吸附热力学特征进行了探讨。结果表明:在实验条件下坡缕石粘土对水中的Cu2+离子具有较强的吸附作用,吸附平衡时间约为60 min,pH值对吸附效果有显著的影响,吸附量随pH值的升高而增加,当平衡溶液pH>7时吸附率超过99%;吸附平衡与Langmuir方程的符合程度优于D-R方程和Freundlich方程,由Langmuir方程拟合饱和吸附量为33.0～34.0 mg/g,由D-R方程得平均吸附能Es为13 kJ/mol,吸附过程为离子交换反应;吸附过程吸热,吸附焓为16.97 kJ/mol,吸附Gibbs函数在-27～-24 kJ/mol之间,吸附熵大于零,吸附过程可自发进行。     

西安地区饱和软黄土工程地质特征研究

饱和软黄土是黄土地区一种特殊性岩土。结合西安城区和北环铁路工程勘察的结果,分析了西安地区饱和软黄土的分布规律及其物理力学性质,讨论了饱和软黄土分布上的差异,从地质环境角度探讨了北环铁路饱和软黄土分布的成因,提出了上层滞水含水层也存在饱和软黄土的观点。     

不同干密度压实黄土的饱和/非饱和渗透系数预测模型

非饱和渗透系数直接测量代价较高,且精度不能完全保证,因此,基于达西定律,建立饱和/非饱和渗透系数的简便实用预测模型具有重要的理论和实践意义。采用自制的非饱和渗透装置测试了不同干密度下延安压实黄土的非饱和渗透系数,并运用核磁共振技术测定了其孔径分布曲线。基于孔隙分布特征将达西定理微分化,建立了孔隙比与饱和/非饱和渗透系数关系模型。研究结果表明：预测模型中的参数（D和B）可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率和截距确定;孔隙比和优势孔径在双对数坐标中具有线性关系,模型参数均可用孔隙比表示;模型预测结果与实测值基本吻合,具有简便、可靠和实用性。     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。