水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压，不断循环上，对不同化学性质的水溶液上的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIC和δc的三点弯曲试验。结果表明：（1）水－岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响，并且具有时间效应。不同岩性，不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上，水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水－岩化学反应的强度成正比。（2）岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水－岩化学作用力学效应的关键物质成分，其中含铁离子物质对水－岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的水学效应。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析

对非饱和土中有效应力及其有关的诸如表面张力、基质吸力、湿吸力、本征结构吸力和可变结构吸力进行了系统的解说与辨析,由此提出了同时适应非饱和土和饱和土的统一的有效应力新概念及公式,并且结合特殊性土实例说明了非饱和土的有效应力公式。     

湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨

提出并阐述了湿吸力的概念,分析了非饱和土的孔隙水压力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别,探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素,分析了现有非饱和土有效应力原理存在的问题。基于湿吸力概念,分析并给出了有效应力公式,建议了非饱和土的状态分类及有效应力原理。文中明确解释了Bishop有效应力公式中经验参数χ的物理意义、表达式及其适用范围和影响因素。最后,讨论了非饱和土状态分类原则及其力学分析方法,并指出:非饱和土变形理论的研究,首先应采用细观土力学方法,然后上升到宏观及应用     

关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论

笔者学习了栾茂田教授题为“非饱和土的基质吸力和张力吸力”一文（载于《岩土工程学报》2006年第7期，以下简称“原文”），原文与我们的“湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨”、“从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论”、“非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析”（分别载于《岩土工程学报》2000年第1期、2001年第4期.     

关于"非饱和土的基质吸力和张力吸力"的讨论

笔者学习了栾茂田教授题为“非饱和土的基质吸力和张力吸力”[1]一文(载于《岩土工程学报》2006年第7期,以下简称“原文”),原文与我们的“湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨”、“从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论”、“非饱和土中有效应力及有关概念的解说与辨析”[2-4](分别载于《岩土工程学报》2000年第1期、2001年第4期、2006年第2期,以下简称“文一”、“文二”、“文三”)等文章的观点有相同点,也有不同点。学术贵在争鸣,我们想就栾茂田教授的文章,在以下几个问题上,与栾教授商榷。     

岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨

提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学操作的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水－岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水－岩反应的力学效应。     

压实土受力压缩过程中的吸力变化

压实土在岩土工程中被广泛应用。为了确保压实土体的稳定性,需要很好地掌握此类土在水-力耦合作用下的体积变化特性。通常采用有限元分析原理来评估压实土在水-力耦合作用下的压缩特性。目前大多数的有限元模型使用全应力来计算压缩应变,忽略了一个重要的非饱和力学变量,即压缩过程中的吸力变化。本文通过分析压缩试验中压实土吸力的变化来评估总应力假设的可行性,证实土的结构和初始条件对吸力变化的影响,分析可能反映吸力变化的各种指示参数,例如土的先期固结应力σp和饱和度Sτ。     

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。     

从粒间吸力特性再认识非饱和土抗剪强度理论

首先对非饱和土中吸力进行了综合分类并对各类吸力的性状进行了系统阐述 ,认为非饱和土中土颗粒间的总吸力由本征结构吸力、可变结构吸力、有效基质吸力、湿吸力和牵引力组成。基于各吸力的特性和Mohr -Coulomb强度准则 ,从理论上直接给出了非饱和土的总吸力与抗剪强度间的关系 ,这不仅从形式上统一了Bishop和Fredlund的强度公式 ,而且在内容上明确了其中各状态变量的物理意义。文中分析了非饱和土抗剪强度的组成及其影响因素。对Donald在非饱和土试验中发现的砂性土抗剪强度与基质吸力间呈山坡形的曲线关系及Gan、Escario、Fredlund等的粘性土抗剪强度和基质吸力 (含水量 )间呈非线性正比关系 ,以及对同一非饱和土因具不同初始孔隙比而具不相同的抗剪强度现象给出了令人满意的理论解释。广义抗剪强度公式客观地反映了非饱和土的强度特性     

非饱和黏土变形和强度特性试验研究

 利用双压力室非饱和三轴仪,进行非饱和黏土脱湿、等吸力固结和排水剪切试验,研究非饱和黏土的体变、屈服和强度特性,结果表明：在低吸力范围内,非饱和黏土在脱湿过程中的体积收缩呈弹塑性体变性状,验证了非饱和土本构模型中SI屈服曲线的存在;在等吸力固结试验中,黏土固结屈服应力随着吸力增加而增加,LC屈服曲线呈二次抛物线变化,固结压力的增长比基质吸力的增长对体变性状的影响效应要大。在剪切试验中,非饱和黏土应力应变关系依赖于净围压和基质吸力的不同组合,基质吸力增强土体应力–应变关系的硬化特性;在不同的吸力条件下,固结排水剪的有效内摩擦角基本不变,黏聚力的增长与吸力的增长基本呈线性关系。     

压缩过程中非饱和膨胀土体变特征与持水特性的水力耦合效应

土体压缩是岩土工程领域的基本问题。压缩过程中非饱和土的力学与水力学行为是同时发生且相互影响的,有必要统一考察体变特征与持水特性的水力耦合效应。为此,以荆门弱膨胀土为研究对象,开展土中水密度试验、饱和与控制吸力下的非饱和一维压缩试验,准确测量了压缩与卸荷回弹过程中孔隙比–重力含水率–吸力–竖向净应力关系,探讨了水力耦合状况下非饱和膨胀土的体变特征与持水特性规律,并建立相应本构描述。结论如下:1加载段,非饱和压缩曲线均发生明显转折,体现出屈服行为;随吸力增大,压缩曲线依次发生"穿越"现象;卸载段大体呈线性,其斜率随吸力增大而降低。提出能够描述干缩、压缩、卸荷体胀、屈服、压缩性与卸荷回弹性随吸力变化等行为的非饱和土体变方程,可直接用于分层总和法计算。2不同吸力下重力含水率变化存在较大差异;压缩至2941.8 k Pa时,不同吸力下含水率非常接近。吸力与竖向净应力对含水率变化的耦合影响可用3参数Logistic函数描述。3压缩过程中饱和度随竖向净应力增大而增大,卸荷过程中随竖向净应力降低亦增大。采用饱和度或重力含水率,对压缩过程中的水力路径会出现"湿化"与"脱湿"的不同判断,即水力耦合状况下土体表现出复杂的持水状态变化特征。     

关于非饱和土基质吸力与水分状态的讨论

非饱和土与饱和土最主要的区别在于土中存在基质吸力.吸力对土的力学性状有重大影响,是非饱和土研究的核心问题.根据基质吸力测定试验拟合了非饱和土的土—水特征曲线,得出在相同干密度下,基质吸力随含水量的增加而急剧减小.     

非饱和土力学特性及本构模型

地表土几乎全是非饱和土，特别是在干旱和半干旱地区，用饱和土力学理论和实验手段不能正确解释和处理非饱和土工程问题。首先介绍用低吸力和高吸力分别描述土的非饱和程度；简单回顾饱和土力学理论之后介绍现在比较认可的非饱和土力学理论；介绍低吸力下非饱和土持水和力学性质的测试方法，重点说明因使用陶土板而需要注意事项与对策以及非饱和土三轴仪的体积测量方法；用吸力控制压缩试验、三轴试验和真三轴试验的实测结果说明非饱和土的典型力学性质；根据试验结果分析持水曲线的直接影响因素和持水与力学性质的耦合特性，用弹塑性方法建立非饱和土持水和力学特性耦合的本构模型，并用吸力控制或量测的等向压缩和三轴试验结果验证；开发高吸力范围内吸力控制三轴试验方法，用该方法获得广吸力范围内4种典型土的应力应变关系，并用其中两种广吸力范围内强度数据对各种非饱和土强度计算公式的适用性进行分析。     

非饱和膨胀土强度特性试验研究

以非饱和土的土水特征曲线为控制标准,采用预先脱湿的吸力控制备样方法,加快了非饱和试验中的吸力平衡过程。利用非饱和直剪试验,探讨了干湿循环对膨胀土强度参数的影响规律。讨论了三轴试样尺寸效应对试验强度参数的影响以及吸力控制方法在非饱和三轴试验中的适用性,认为用双变量抗剪强度公式描述高吸力条件下多重裂隙膨胀土的强度特性还存在一定的困难。     

非饱和黏性土粒间吸力测试研究

对粒间吸力的认识是非饱和土有效应力及变形、强度特性研究的基础。由粒间吸力各组成部分的特点 ,提出了非饱和黏性土粒间吸力的测试原理和方法 ,并对红黏土的粒间吸力进行了试验。此研究对于结构性与土的力学性质间关系的研究有重要意义     

考虑端部效应影响的非饱和压实土三轴试验研究

 在非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中,应用数字图像测量技术,可研究非饱和压实土试样考虑端部效应影响下的强度与变形特性。通过比较非饱和压实土控制吸力条件三轴试验中试样整体与试样中部1/3区域的试验结果,证明试样中部1/3区域受端部效应的影响较小,其试验结果更能代表非饱和土的实际受力变形特性,可以为研究非饱和土的应力–应变关系提供更为准确的试验数据。应用双应力状态变量方法分析试样的抗剪强度,结果表明,端部效应对抗剪强度方程的参数取值有较大影响。应用非饱和土Alonso弹塑性模型进一步研究端部效应对非饱和土数值计算结果的影响。     

非饱和土湿吸力与含水率的定量关系研究

以立方松散堆积方式为例,从理论上推导并给出了湿吸力与非饱和土含水率的定量关系表达式,开展了不同含水率状态下重塑细粒砂性土的吸力测试,对试验结果进行了曲线拟合和分析,理论计算和试验拟合结果均表明：对于特定的非饱和土,湿吸力随含水率先增大而后减小,即存在确定的界限含水率。这与“在一定的土体含水率变化范围内,非饱和土,尤其是非饱和砂性土的强度随含水率的增加而先增大后减小”的事实完全相符,这再次证明了湿吸力,而非基质吸力,才是非饱和土有效应力的重要组成部分。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

采用GDS非饱和三轴仪,对重塑非饱和土在干燥过程中试样含水量变化和总体积变化开展了大量试验研究.基于试验研究结果,根据非饱和土力学理论提出了可以全面考虑非饱和区和饱和区沉降变形的饱和-非饱和沉降数学模型,并对地下水位降低引起的地面沉降问题进行了详细分析和研究.主要研究成果和结论如下:(1)结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了非饱和重塑砂土、粉土、黏土和粉质黏土试样在干燥收缩过程中基质吸力和孔隙比关系.试验结果表明,当试样基质吸力达到某一特定值后,基质吸力的增大不引起试样的进一步收缩变形,称此吸力为缩限吸力Ss.因此,屈服吸力和缩限吸力可将整个收缩过程分为3个阶段,即弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段.(2)采用GDS非饱和土三轴仪,在分别控制试样基质吸力和净平均应力条件下对非饱和重塑黏土的体积变化和含水率变化特性进行了详细试验研究.在非饱和三轴试验研究中,开展了2组不同应力路径试验:①各向同性压缩试验:在控制基质吸力Us=Ua-Uw的条件下施加不同的净甲均应力p=Om-Ua;②三轴收缩试验:在控制净平均应力条件下施加不同的基质吸力.(3)结合饱和一非饱和渗流与非饱和土体变本构模型,提出了一种可以全面考虑非饱和区域与饱和区域沉降的数学模型.对于饱和区,利用饱和土的有效应力原理来计算土体有效应力增大而引起的压缩变形量;对于非饱和区,采用非饱和土的体变本构模型,可分别计算土体由于基质吸力增大而引起的收缩变形量和净平均应力减小而引起的回弹量.(4)根据饱和一非饱和沉降数学模型,基于非饱和土层基质吸力分布为静水平衡的假设,针对不同的地下水位降低,分别估算了非饱和区域和饱和区域的沉降量.通过非饱和区沉降量和地表总沉降量的对比,验证了考虑非饱和区沉降变形量的重要性.对于非饱和区,分别估算了由于净平均应力的降低引起的地面回弹量和基质吸力的增人引起的地面沉降量.计算结果表明,在这两种变形中收缩变形量在非饱和区变形中占有主导地位,净平均应力的减小而引起的地面回弹量可以忽略不计.(5)针对某一基坑,采用饱和一非饱和沉降数学模型对基坑降水引起周围土层的沉降进行分析,分别估算了非饱和区与饱和区的沉降变形量,并对各种影响囚素进行了详细分析.基于饱和一非饱和非稳态渗流,对基坑降水后引起饱和区域和非饱和区域的沉降变形进行了动态过程的模拟,分析了地面沉降与时间和空间的相关性.     

重力水对非饱和土力学性能的影响规律研究

通过一系列控制基质吸力的非饱和土试验验证了重力水对非饱和土力学性能的重要影响,分析了产生这种影响的物理机制,以此为基础,讨论了Bishop的非饱和土有效应力公式的适用范围,提出了水气双连通状态下的有效应力的表达式,重新给出了非饱和土在各个连通状态下有效应力的表达式。