基于颗粒级配曲线预测非饱和土持水曲线的物理方法

持水曲线模型中若含有未知经验参数,则可能会降低对持水曲线预测的可靠度。为此,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒以及理想球体颗粒集合体,依据这两者的几何特征和物理性质推得其比例关系;基于粒组信息、干密度以及土粒密度提出了计算土孔隙半径和持水曲线的物理方法,无需引入未知经验参数。最后,利用非饱和土水力特性数据库UNSODA中40个土样的持水试验结果对该方法进行了验证,通过计算基质吸力预测值及其实测值之间的均方根残差(RMSR)发现物理方法的RMSR在0.179~0.833范围内变化,并对其中37个土样的持水曲线预测精度优于含有两个未知经验参数的传统Arya模型。     

双孔结构非饱和红黏土土水特征曲线模型

为了真实反映土体内部双孔结构和变形对土持水特性的共同影响,推导建立了考虑变形的双孔结构非饱和土土水特征曲线模型。模型提出以双孔土水特征曲线中的“相接点”作为“双孔”结构非饱和土大小孔隙尺度分界点,并针对不同区间的土水特征曲线分别建立方程。在各分段方程中引入体变参数用来反映不同初始孔隙比下SWCC的变形。采用桂林红黏土压实样,在全吸力范围内开展了土水特征曲线试验,在各级吸力平衡后对土样进行压汞试验,对所建立模型进行验证。结果表明,所建立考虑双孔结构非饱和土土水特征曲线模型对红黏土干化与湿化过程均具有良好的适用性和良好的预测效果,可以反映不同初始孔隙比和不同结构土样在相同水力路径下的水力行为。     

粗粒堆积土土水特征分析及预测方法研究

非饱和状态是影响土体力学性质的重要因素。针对粗粒堆积土土水特性研究的不足，首先介绍了一种大型非饱和粗粒堆积土三轴试验系统，在试验研究的基础上，总结了粗粒堆积土土水特征试验的方法和控制标准；然后，总结了不同细粒土含量下粗粒堆积土的SWCC变化规律；最后，在AP模型的基础上，系统分析了关键参数α的确定方法，给出了利用AP模型预测粗粒堆积土SWCC的优化方法。     

变形对土水特征曲线影响规律模拟研究

建立预测土水特征曲线随变形变化规律的模型是研究变形对非饱和土渗透系数影响的基础,它也可为建立考虑水力和力学耦合的非饱和土本构模型奠定基础。以概率论为基础,通过引入孔隙尺寸分布函数,建立了土中的平均孔隙半径与孔隙率之间的函数关系,并以此为基础得到了一个能够模拟孔隙率对土水特征曲线的影响规律的经验模型。通过计算和试验结果的对比分析,验证了这一模型的合理性。     

一种基于物理化学基础分析的土水特征曲线模型

土水特征曲线是非饱和土的一个重要的本构特性。它对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要,同时也是非饱和土动态水力分析的一个必要条件。长期以来对这一特性的理论解释一直是对研究者的一个挑战。由于岩土内部结构的复杂多变性,而非饱和土的含水状态又涉及到许多物理及化学的影响因素,至今还未能有一个圆满的数学模型在描述这一特性时能够全面概括这些机理。首先综述了目前国际上的主要研究成果。之后,在传统的孔隙介质分析方法的基础上,利用现代表面科学的理论,分析并存于非饱和土孔隙中的水、汽两相的物理化学行为,最后利用平均理论推导出一个宏观尺度下的土水特征曲线的理论表达式。这一理论表达式揭示了土水特征曲线背后的物理化学机理,对该表达式的数学分析发现它能够很好地解释实验中所观察到的现象。最后根据这一理论表达式,提出了一个简化的土水特征曲线拟合模型。通过对多种土壤以及其他孔隙材料的实验结果的模拟证明这一模型不仅能非常好地拟合实验结果,而且优于其它现有的主要模型。     

土水特征曲线在边坡稳定分析中的应用

降雨是诱发滑坡的主要原因之一。土水特征曲线是数值模拟降雨条件下非饱和土边坡失稳的重要模型函数。为探讨土水特征曲线在滑坡预测中的应用,以不同吸力路径和应力状态条件下量测的土水特征曲线作为模型函数,使用Geo—slope计算软件模拟降雨入渗引起的暂态渗流场,然后将计算得到的暂态孔隙水压力分布用于边坡的极限平衡分析。数值模拟结果表明,采用传统的干燥阶段的土水特征曲线是偏于危险的,实际工程中应采用考虑应力状态及干湿路径影响的水力特性参数将更加安全与合理。     

颗粒分析曲线在土水特征曲线预测中的应用

土水特征曲线对于研究非饱和土的强度、渗透以及变形等特性具有重要的意义。根据土水特征曲线与土颗粒累积分布曲线在形状上相似的特点,介绍了由土的粒径分布曲线来计算土水特征曲线的物理经验模型,并进行了实际应用得到试验用土的土水特征曲线,该方法简单方便。     

干湿循环对土-水特征曲线影响的预测模型

土-水特征曲线在非饱和土的研究中占有重要地位,目前用来预测土-水特征曲线的模型尚有待完善。引用生物学中的Logistic曲线方程,建立了能够较好预测非饱和土的土-水特征曲线的Logistic模型;并以某滑坡土作为试验土样,完成了3次干湿循环过程的土-水特征曲线;然后采用改进的Logistic模型对巴东滑坡土、南阳膨胀土及厦门残积土的试验数据进行拟合分析,发现Logistic模型可以较好地拟合土-水特征曲线,并建立了模型参数与干湿循环次数的关系,从而提出了一种预测模型,可以根据第1次干湿循环试验数据预测多次干湿循环后的土-水特征曲线关系,同时验证了该模型的适用性。     

基于颗粒物质热动力学理论的非饱和土热水力耦合模型研究

基于颗粒物质热动力学理论和混合物理论,结合改进的土水特征曲线(SWCC)模型,考虑温度和饱和度变化引发的颗粒层次能量耗散,提出了一个非饱和土的热水力耦合模型。该模型引入颗粒熵和颗粒温度的概念,通过构建热力学恒等式得出非饱和土非弹性变形的本构关系,并通过迁移系数和能量函数模型将非饱和土体的耗散机制与宏观的物理力学行为建立联系。基于该理论模型,研究了非饱和土的热水力耦合问题,通过模拟结果与试验数据的对比,证实了模型的有效性。模拟结果表明,模型具有描述非饱和土在不同温度和吸力下的固结和剪切特性以及非等温条件下的热体应变特性的能力。     

膨胀性非饱和土水力和力学性质的弹塑性模拟

Alonso等人提出的非饱和土弹塑性本构模型(BBM),不能用于预测膨胀性非饱和土的力学性质。现有的膨胀性非饱和土的弹塑性模型(BExM),其微观参数及微宏观变形的转换关系确定非常困难。从宏观角度,在已有的非膨胀性非饱和土水力特性和力学性质耦合的弹塑性本构模型的基础上,发展和建立了一个可预测非饱和膨胀土的水力特性和力学特性的弹塑性本构模型。模型引入不同形状的等孔隙比线与屈服线,并考虑了变形对土水特性的影响。对已公开发表的非饱和膨胀土的试验结果进行预测,包括常净应力的吸湿试验,吸力不变的等向压缩试验及三轴剪切试验。预测结果表明该模型能够定量的描述膨胀性非饱和土的水力和力学特性。     

基于颗分曲线预测可降解土体土水特征曲线的初探研究

可降解土体的土水特征曲线测试较复杂,文中改进了Arya-Paris模型,通过颗分曲线和孔隙比来预测土体的土水特征曲线,获得的微分形式的计算模型能够应用颗分曲线的连续表达公式预测土水特征曲线,避免了人为划分颗分曲线进行计算带来的较大偏差|针对可降解土体,提出指数形式的颗分曲线计算模型描述降解过程中固相颗粒粒径的衰变。利用上述改进后的土水特征曲线预测模型和可降解土体的颗分曲线计算模型,基于不同龄期城市固废钻孔样颗分曲线的实测数据,对不同龄期城市固废钻孔样的土水特征曲线进行了预测。通过与实测结果对比发现,预测结果能够较好的反映降解引起城市固废持水特性衰变的总体规律,即城市固废持水能力随着龄期的增大而增加。文中理论工作为研究其他类型可降解土体（不同降解模式）持水特性衰变规律奠定了一定基础。     

纤维改性膨胀土的土水特征曲线研究

为了研究纤维改性膨胀土的土水特征,以合肥某工地膨胀土为研究对象进行土水特征曲线(SWCC)试验,研究3种干密度和4种纤维含量对纤维改性膨胀土土水特征的影响。对试验结果按van Genutchen模型进行拟合。结果表明:干密度对纤维改性膨胀土SWCC的影响有明显规律,随着干密度的增大,同一基质吸力对应的饱和度相应增加;纤维含量对纤维改性膨胀土SWCC的影响无明显规律。通过曲线拟合,得到了纤维改性膨胀土SWCC的拟合参数值及其统计量,指出参数n、ws的变异性较小,m的变异性中等,a、wr的变异性最大。     

考虑裂隙动态变化时裂隙土土水特征曲线的预测方法研究

 裂隙广泛分布于表土中,为土中渗流提供优势通道,导致土中渗透系数增大。裂隙土的土水特征曲线(SWCC)是分析裂隙土渗流问题的关键因素。考虑裂隙的动态变化,提出一种预测裂隙土土水特征曲线的新方法,并通过实例分析对此方法进行试验验证。将裂隙土系统分为裂隙网络系统和土体系统两部分,将相同状态下2种孔隙系统的土水特征曲线组合得到裂隙土在该状态下的土水特征曲线。随着裂隙的开展,可以得到裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线。将裂隙发展路径上不同状态下裂隙土的土水特征曲线进行合理组合,即可得到考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线。通过室内试验模拟裂隙在土样脱湿过程和吸湿过程中的动态变化,测定脱湿过程中的SWCC,用所提出的方法预测考虑裂隙动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并将预测结果与试验结果进行对比。预测和试验结果都显示,裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征。在达到土体的进气值之前,曲线由裂隙网络控制;当基质吸力较大时,曲线由土体的SWCC控制。试验结果与理论预测基本一致。     

非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型

基于土的土–水特征曲线(SWCC)和收缩特征曲线(SSCC)的特点及二者之间的联系,采用三直线的分段SSCC模型及非饱和土的三相比例公式,推导出了反映非饱和土孔隙比与基质吸力关系的通用模型。为了证实所提出模型的可靠性,采用GDS三轴仪进行了一系列吸力平衡试验,并对所提出模型的理论假设进行了验证。试验结果表明:利用该假设并通过吸力平衡下试样的排水量,可以准确地预测饱和试样在某一基质吸力和净围压共同作用下的体积变化量、进气量和总体变,证明了所提出模型的假设是成立的,且假设中的系数u具有明确的物理意义。     

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。     

渗析法确定土水特征曲线的试验研究

土水特征曲线(SWCC)描述的是土体基质吸力与含水率之间的关系,它对于非饱和土的研究具有重要意义。在测定SWCC的各种方法中,渗析法的试验过程较简单、安全且可靠。本文以合肥地区非饱和膨胀土为研究对象,详细介绍了渗析法获得SWCC的试验过程和技术要领,并采用水浴恒温振荡器代替磁力搅拌器改进了渗析试验。结果表明:采用水浴恒温振荡器进行渗析试验是合理可行的,其优点是一次可以进行相同环境条件下多个浓度的渗析试验;使用水浴恒温振荡器对合肥地区膨胀土进行渗析试验时,其渗析平衡时间约为8天。在此基础上,采用Fredlund-Xing模型的3种型式对渗析试验结果进行了曲线拟合,得到了试验土体的SWCC及其拟合参数,可知模型3种型式的区别主要在高吸力部分。     

荆门膨胀土土–水特征曲线特征参数分析与非饱和抗剪强度预测

 为探讨荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的非饱和抗剪强度与土–水特征曲线(SWCC)的相关关系,利用Fredlund-Xing模型对3种膨胀土的SWCC试验数据进行非线性拟合,获得相应模型参数;利用Fredlund公式(1996年)对3种膨胀土控制吸力下的固结排水剪三轴压缩试验抗剪强度成果进行相关分析。分析结果表明：(1) 使用Fredlund-Xing模型拟合3种膨胀土SWCC试验数据的效果均较好。(2) 荆门原状、压实、石灰改良膨胀土的进气值分别为210,68和18 kPa;石灰改良膨胀土的持水能力(水稳定性)最强,压实膨胀土次之,原状膨胀土最弱;3种膨胀土的残余吸力可均取为3 000 kPa。(3) 3种膨胀土的有效内摩擦角(j´)和与基质吸力相应的内摩擦角(jb)均非常数;j´与基质吸力相关,jb与基质吸力和应力状态均相关,这意味着Mohr-Coulomb破坏包面是双向弯曲的。(4) 使用Fredlund公式,能够在较大的吸力范围内较好地预测荆门膨胀土的非饱和抗剪强度,原状、压实、石灰改良膨胀土的土性参数κ分别为2.4,2.7及3.4。(5) 预测值与实测值间存在差别的主要原因是Fredlund公式本身未考虑到jb与应力状态相关,若要考虑该因素,可将应力状态对SWCC的影响引入到Fredlund公式中。     

粒径对土持水性能的影响

 进行不同粒径土样的持水特性试验,对吸湿与脱湿过程中的土–水特征曲线与滞后现象进行分析,探讨粒径对土持水性能的影响。利用D. G. Fredlund和A. Xing的土–水特征曲线模型对试验数据进行拟合,得到模型拟合参数与土–水特征曲线参数的定量关系。结果表明：参数a与进气值呈线性增加趋势,参数m随着残余基质吸力的增大而减小,参数n也随着减湿率的增大而减小。随着有效粒径的增大,进气值、进水值、残余基质吸力在半对数坐标上均随之呈现线性减小,减湿率呈二次函数增长。滞后效应随着有效粒径的增大而减小,同样随着粒径级配累积曲线斜率的增大而减小。