初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

水-力耦合作用下干燥和湿润砂质黄土渗透特性试验研究

为探讨干燥和湿润砂质黄土在水-力耦合作用下的非饱和渗透特性,研制考虑水-力耦合效应的非饱和土渗透系数测量试验装置.针对不同初始含水率的干燥土柱和湿润土柱,采用湿润锋前进法开展一系列一维土柱渗流试验,得到水-力耦合作用下湿润锋、渗透系数与竖向变形的变化规律,并结合扫描电镜试验,揭示其微观机理.结果表明:①随入渗时间增大,...     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

 利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明:孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比(吸力与脱气值之比)关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。     

邯郸非饱和膨胀土的干燥收缩试验研究

基质吸力和净平均应力的增大均可引起土体的压缩变形。针对物理性质不同的4种非饱和膨胀土体结合试样收缩曲线和土水特征曲线分析了土体干燥过程中基质吸力和孔隙比的关系。试验结果表明:土体干燥收缩过程中随着基质吸力的增大试样不断发生收缩,当基质吸力增大到某一定值时,基质吸力的增大对试样收缩变形无明影响,称此基质吸力为缩限吸力。并且不同性质土体的缩限吸力不相同,缩限吸力值与土体的塑性指数密切相关。在干燥收缩过程中,当试验的饱和度减小到85%时试样完成了绝大部分收缩,当试验饱和度达到70%时土样的孔隙比基本保持不变。     

非饱和Q_3原状黄土及其重塑土的持水特性研究

为研究黄土结构性变化对其持水特性的影响规律,以兰州和平镇非饱和Q3原状黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和四联固结仪和压力板仪,对28个环刀试样进行了施加竖向应力和吸力的固结排水试验,以获取原状黄土和重塑黄土的土—水特征曲线。研究结果表明:固结试验中,竖向应力对黄土的持水特性有着明显影响。在同一竖向应力和吸力作用下,重塑土的固结排水要大于原状土;原状黄土的进气值和残余含水率均要略高于重塑土;吸力在20~80k Pa范围内,随着吸力的增大,原状土饱和度的减小趋势要强于重塑土;在吸力80~1000k Pa范围内,在同一吸力条件下,原状土饱和度要大于重塑土。低吸力作用下,原状黄土特殊结构有利于其排水;而高吸力作用下,对于原状黄土,其大孔隙和竖向孔洞中气体抑制水分排出,使得原状土排水减小,重塑土的排水增大。通过分析原状黄土和重塑黄土持水特性的差异,可为黄土结构性的研究提供一种新思路。     

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。     

非饱和土土水特性试验研究

在改进的非饱和土三轴仪上对洛阳地区非饱和土开展了三轴试验,并依此对非饱和土土水特性、试样重塑对基质吸力的影响进行了分析研究。研究表明:试件的基质吸力随围压的增大而非线性减小,基质吸力随饱和度的增大而连续减小,饱和度与基质吸力的关系是连续的。     

非饱和重塑黏土干湿循环特性试验研究

针对非饱和重塑黏土,结合收缩曲线和土水特征曲线探讨试样在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比之间的关系,研究结果表明,当基质吸力增大到某一特定吸力时,基质吸力的增大对试样收缩变形并无显著影响,称此基质吸力为缩限吸力ss。屈服吸力s0和缩限吸力ss将试样收缩过程分为3个阶段:弹性阶段、弹塑性阶段和缩限阶段;为探讨试样的土水特征曲线和收缩系数对净平均应力的相关性,采用GDS非饱和土三轴仪在控制试样净平均应力条件下进行干湿循环试验。试验结果表明,试样收缩系数和土水特征曲线密切地依赖于净平均应力;试样在吸湿过程中,在低净平均应力下试样发生膨胀,而在较高净平均应力下试样在膨胀后发生坍塌。     

珊瑚砂动剪切模量预测的应变-损伤状态耦合模型

对南海饱和珊瑚砂进行了4类不同加载模式的不排水动三轴试验,研究了不同相对密度Dr和平均有效围压σ'0下加载第一周的动剪切模量比G1st/G0与剪应变幅值γa的关系,G1st/G0受Dr的影响很小,随σ'0的增大而增大。由于分级加载过程中土体结构与相对密度发生改变,在γa3×10-4时,应变控制的分级循环加载获得的G1st/G0-γa曲线位于等应变幅值循环加载获得的G1st/G0-γa曲线的上方。结合两类试验结果,给出了饱和珊瑚砂的G1st/G0-γa模型。基于弹性应变能理论,提出了可以描述土体损伤状态的状态参数Pd(damage parameter),探究了不同加载模式下动剪切模量比G/G0随土体损伤状态参数Pd的发展规律。在双对数坐标中,同一应变幅值下的(1-G/G0)-Pd可用直线表示,其斜率与应变幅值γa和历史加载过程中的最大应变幅值γa,max有关。结合G1st/G0-γa和G/G0-Pd关系,给出了可以同时反映应变幅值和破坏状态影响的珊瑚砂动剪切模量预测模型。     

土体小应变剪切模量的现场和室内试验对比及工程应用

土体小应变剪切模量G_0在场地地震响应和基坑变形等计算分析中有着重要作用。统计了上海典型土层的室内共振柱试验和现场原位波速测试测得的小应变剪切模量,给出了两种试验方法下的G_0的经验公式,并对比分析了室内试验和现场原位测试结果的差异。研究结果表明土体的G_0值主要由土体类别、孔隙比和平均有效应力决定,且现场试验的结果远高于室内试验的结果。进一步采用HS-Small本构模型对上海新金桥广场基坑工程的开挖变形进行数值模拟,分析了小应变剪切模量对于基坑工程变形的影响。分析结果表明,采用现场原位测试测得的小应变剪切模量进行基坑变形计算的结果与现场变形监测数据更为接近。     

砂土小应变动力特性弯曲–伸缩元联合测试试验研究

近年来弯曲元在小应变动力特性测试中得到了广泛应用,但对弯曲–伸缩元的联合测试研究较少,国内对弯曲–伸缩元联合测试的研究几近空白。采用弯曲–伸缩元对福建砂进行了剪切波和压缩波联合测试,通过更宽区段激发频率和不同分析方法对剪切波速和压缩波速的确定进行了系统分析,得到了可靠的剪切波和压缩波传播时间确定方法。采用10~20 k Hz峰值法和互相关法可较方便准确地确定剪切波传播时间;压缩波初始到达较易判断,激发频率对压缩波速影响较小。利用弯曲–伸缩元联合测试得到剪切模量G_0和侧限模量M_0,试验结果表明围压和孔隙比对G_0的影响程度均较对M_0的影响程度大。通过剪切波速和压缩波速可计算得到泊松比,随密实度和围压的增大泊松比均以线性规律减小。为弯曲–伸缩元的进一步应用提供了有效的方法。     

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.     

Unsaturated soil-geotextile interface behavior

The behavior of mechanically stabilized earth (MSE) structures under seasonal climatic variations, i.e. wetting and drying, is not well understood. Stability and serviceability of MSE walls and embankments can significantly depend on the soil-reinforcement (e.g., geosynthetics) interface shearing behavior in unsaturated conditions. This is especially true for reinforced soil slopes and embankments that have significant fines contents. This paper presents results of a laboratory study on the mechanical behavior of unsaturated soil-geotextile interfaces using a specially modified direct shear apparatus. Several suction-controlled laboratory tests were conducted to investigate the effect of soil suction on the soil-geotextile interface. Results of the study indicate that the peak shear strength of the soil-geotextile interface increases nonlinearly with the soil suction. On the other hand, while inconclusive, the effect of suction on the post-peak shear strength of the interface was negligible in some cases. An elastoplastic constitutive model was used to simulate the laboratory results. This study demonstrates that the constitutive model is capable of capturing the mechanical behavior of the unsaturated soil-geotextile interface subjected to constant suction. Both shearing and volume change responses were reasonably simulated by the model.     

K_0预固结对非饱和重塑黄土强度与变形特性影响的研究

为了探讨K_0预固结对土的强度及变形特性的影响,用改进的非饱和土三轴仪对重塑Q3黄土做了两组共36个试验。第一组共24个试验,每个试验包括三个阶段,即试样先在竖向压力为常数的条件下K_0预固结,再经过控制吸力和净围压为常数的各向等压固结,最后进行控制吸力和净围压为常数的排水剪切试验;第二组共12个试验,每个试验仅包括第一组试验的后两个阶段。试验结果表明:第一组试验应力–应变曲线的初始切线斜率大于第二组试验的初始切线斜率,且吸力越大、净围压越大,差距越明显;第一组试验的破坏应力均明显大于第二组试验的破坏应力,但除了吸力为0 kPa的饱和试样外,两组试验相应的体应变相差不大;第一组试验剪切初始阶段有轻微的剪胀现象,但并不明显,并很快转变为剪缩,第二组试验各试样均处于剪缩状态;虽然两种试验条件下有效摩擦角及破坏比相差不大,但邓肯–张模型的初始模量表达式的指数n相差很大,且总凝聚力–吸力曲线及邓肯–张模型的初始模量表达式的系数与吸力的关系曲线(即k–s曲线)结果相差也较大。基于试验研究结果,提出了考虑K_0预固结、吸力和净围压三者综合影响的表观凝聚力、切线杨氏模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

加卸载条件下吸力对黄土变形特性影响的试验研究

为了探讨基质吸力和净围压对黄土的变形–强度及卸载–再加载模量的影响,用非饱和土三轴仪对原状Q_3黄土及其重塑土共做了3组27个试验,即9个控制吸力和净围压等于常数的原状Q_3黄土的三轴固结排水剪切试验、9个原状Q_3黄土和9个重塑Q_3黄土的控制吸力和净围压等于常数的三轴固结排水卸载–再加载剪切试验。研究结果表明:基质吸力和净围压均对试样的强度及变形特性有显著影响;原状Q_3黄土的偏应力–应变曲线随净围压的增大从理想弹塑性型演变为硬化型,因其结构性导致偏应力–应变曲线的初始阶段存在交叉现象,试样一直处于剪缩状态;重塑试样在净围压较小时由剪缩逐渐变为较强的剪胀,在净围压较大时则只发生剪缩;表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载–再加载模量均随着吸力的增大而增大;而吸力对有效内摩擦角及参数n(原状Q_3黄土的初始杨氏模量随净围压增大而变化的指数)、n_(ur)(原状Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)和n_(ur)'(重塑Q_3黄土的卸载—再加载模量随净围压增大而变化的指数)的影响很小,皆可视为常数。基于试验研究结果,提出了考虑吸力和净围压影响的表观凝聚力、切线杨氏模量和卸载—再加载模量的修正计算公式,完善了非饱和土的增量非线性模型。     

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。     

非饱和土强度的吸力贡献形式研究

在三级法向应力条件下,分别对处于饱和与最优含水率状态时的4种土样进行直剪实验。所得结果表明,基质吸力会转化为土样的一种黏聚力,并以这种形式来增强土样的强度。与此同时,吸力对土样内摩擦角所造成的影响却是很微小的。分别用同种土样来进行持水特性试验,得到了每种土样处于吸湿与脱湿过程时的土–水特征曲线。对土–水特征曲线进行分析后可知,同种土样的强度特征与其所经受的水力路径是息息相关的;另一方面,与饱和土相比,促使非饱和土强度得以增加的因素是多样的,基质吸力只是占主导地位的因素。依据分析所得结果,可将Fredlund等人提出的非饱和土抗剪强度公式表述为更为直观的形式。     

Effects of Dry Density and Grain Size Distribution on Soil-Water Characteristic Curves of Sandy Soils

The soil-water characteristic curve (SWCC) of soil plays the key roll in unsaturated soil mechanics which is a relatively new field of study having wide applications particularly in Geotechnical and Geo-environmental Engineering. To encourage the geotechnical engineers to apply unsaturated soil mechanics theories in routine practice, numerical methods, based on the SWCC and saturated soil properties, have been developed to predict unsaturated permeability function and unsaturated shear strength properties which are expensive and time consuming to measure in laboratories. Further, several methods have been proposed to predict the SWCC in order to avoid difficulties in measuring the SWCC in laboratories. It is time consuming and it may require special techniques or apparatus to measure the SWCC in laboratories. However, it is important to have laboratory measured data of SWCCs to enhance and verify the proposed numerical methods. Hence, employing a Tempe pressure cell apparatus, the present study aims to investigate the effects of dry density and grain-size distribution on the SWCCs of sandy soils. Drying and wetting SWCCs were obtained for four sandy soils with different dry densities. The test data were best-fitted using the Fredlund and Xing (1994) equation and found that the fitting parameter, a, increases linearly with increasing the air-entry value of the SWCC and the fitting parameter, m, decreases with increasing the residual suction of the SWCC. The results revealed that soils with a low density have lower air-entry value and residual suction than soils with a high dry density. Further, the maximum slope of drying SWCC and hysteresis of drying and wetting SWCCs decrease with increasing density of soil. The air-entry value, residual suction, and hysteresis (the difference between the drying and wetting SWCCs) tends to decrease when the effective D₁₀ of the soil increases. A soil with uniform grain-size distribution (the steeper slope in grain-size distribution) has a less hysteresis and a greater slope of drying SWCC than those of a non-uniform soil.