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.     

干密度对非饱和黄土基质吸力的影响

为了研究起始湿度、天然密度以及竖向荷载对吸力特性的影响,对西安原状黄土进行不同起始湿度、密度条件下的常含水量压缩试验,提出无应力作用下同时反映初始含水率和天然干密度的基质吸力表达式。研究结果表明:天然干密度、初始含水率、应力相关的干密度对基质吸力的影响程度都与试样的起始湿度有关,起始湿度小于试样塑限含水量时,影响都比较大,起始湿度大于试样塑限含水量时影响都很小。净竖向荷载对吸力特性的影响与起始湿度、天然密度有关,净竖向荷载小于等于400 kPa时,对吸力的变化影响很小,可不考虑净竖向荷载影响,可用未受荷载作用时的SWCC曲线来描述原状试样的吸力特征;净竖向荷载大于400 kPa时,对吸力的变化影响较为显著。视起始湿度和天然密度的不同,净竖向应力相关的干密度增大引起基质吸力非单调增减或单调下降,天然干密度的增大引起基质吸力单调上升。     

非饱和土的基质吸力与毛细吸力

从毛细现象和基质吸力的定义出发讨论了二者的联系和差别，指出毛细吸力和基质吸力是两个不同的概念，考虑到作用面积的影响，提出了等效基质吸力的概念，通过对理想粘土片和球形颗粒最松散堆积模型的计算分析得出了毛细上升高度和基质吸力表达式，研究表明，在毛细高度之内，基质吸力线性分布与含水量无关；在毛细高度之外，基质吸力非线性增长；另外对等效基质吸力沿高度的分布作了定性分析。     

重塑粘性土的基质吸力与土水分及密度状态的关系

非饱和土的基质吸力与其中水一气体系的温度、孔隙水的密度和孔隙气的相对湿度有关。测试了23组不同水分状态和密度状态的重塑非饱和粘性土三轴试验土样的温湿度，计算了相应的基质吸力。数据分析表明：基质吸力与干密度的关系在不同的含水量段具有不同的特点；基质吸力与含水量呈强非线性关系；在土的水分状态和密度状态空间，基质吸力的分布为一变形的W型折曲面。该曲面左翼陡立上翘，位于低水分状态，表征强非饱和土，右翼水平伸展，位于高水分状态，表征弱非饱和土，中心部位是一个“A”型折面，位于中等水分状态，表征典型非饱和土。首次提出了孔隙充水结构的概念，藉以从孔隙结构和毛细凝结两方面来准确理解非饱和土的水气界面效应，从而利于认识和把握非饱和土中基质吸力的变化规律。     

考虑初始干密度影响的SWCC预测方法研究

首先研究了3个典型的土水特征曲线模型(van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型和Brooks-Corey模型)对不同类型土(黏土、粉土及砂土)的SWCC拟合效果。其次,为了分析各模型对SWCC的干密度相关性拟合效果,讨论了各模型的参数随土体初始孔隙比的变化规律。最后,提出了一种考虑初始干密度影响的SWCC预测方法。方法中假定同一吸力下初始孔隙比与饱和度间存在着线性对应的关系。并且利用该方法对试验结果进行了验证,证实了其合理性。     

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。     

干密度和基质吸力对重塑非饱和黄土变形与强度特性的影响

 为解决填方工程沉降和边坡稳定性问题,采用非饱和土三轴仪,对延安新区填方的重塑Q3黄土,进行3种初始干密度下一系列控制基质吸力的三轴剪切试验,研究重塑黄土的变形和强度变化规律。研究结果表明：初始干密度和吸力对重塑黄土的破坏形态、变形特性和强度特性影响较大;随初始干密度的增大,试样的偏应力–轴向应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑性再向应变软化型转变;初始干密度和吸力越大,试样的剪胀性越显著,强度越高;有效黏聚力、内摩擦角和吸力摩擦角均随初始干密度的增加而增大;内摩擦角随吸力几乎不变,而黏聚力随吸力呈线性增加;初始切线杨氏模量和切线体积变形模量均随初始干密度与吸力的增加而提高。根据研究结果提出考虑初始干密度和吸力影响的重塑黄土的抗剪强度参数与非线性模型参数的表达式,可用于预估不同初始干密度、不同吸力下重塑黄土的强度和变形参数,为工程应用和数值模拟提供了依据。     

对“非饱和土的基质吸力和张力吸力”讨论的答复

《非饱和土的基质吸力和张力吸力》一文（下文称“原文”）引起了张鹏程和汤连生老师的兴趣，并提出了一些疑问，笔者对两位老师的关注表示感谢。下文答复中称《关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论》为《讨论》，称汤连生老师的两篇论文分别为“文一”和“文二”。正像《讨论》所说的那样“学术贵在争鸣”，笔者希望此次讨论能引起更多同行对吸力问题的关注。     

对"非饱和土的基质吸力和张力吸力"讨论的答复

《非饱和土的基质吸力和张力吸力》[1]一文(下文称“原文”)引起了张鹏程和汤连生老师的兴趣,并提出了一些疑问,笔者对两位老师的关注表示感谢。下文答复中称《关于“非饱和土的基质吸力和张力吸力”的讨论》为《讨论》,称汤连生老师的两篇论文分别为“文一”[2]和“文二”[3]。正像《讨论》所说的那样“学术贵在争鸣”,笔者希望此次讨论能引起更多同行对吸力问题的关注。     

考虑基质吸力作用的基坑支护设计研究

本文基于实测非饱和土土水特征曲线试验数据,通过对一简化基坑支护的计算,讨论了非饱和土基质吸力的贡献。指出基质吸力对支护结构上的内力减小影响明显,是实际工程中所出现问题的一个重要影响因素,有必要对其进行深入研究。     

TDR联合监测土体含水量和干密度的传感器的设计及应用

 土体含水量和干密度是岩土工程中的重要参数,现有测试方法周期长,扰动大,且无法实时进行多点自动化监测。从电磁学理论及时域反射测量(TDR)法出发,系统分析TDR传感器类型、材料及尺寸对测试精度的影响。针对现有商业化传感器的缺点,设计一种整体性强、性能可靠、价格低廉的传感器。通过专门设计的大型模型试验,对该传感器在大型工程中的应用效果进行研究与验证。结果表明,该传感器既能在现场快速测试土体质量含水量和干密度,又能长期实时监测二者在土体不同深度的变化情况,且准确度高,是岩土工程施工阶段质量控制及使用阶段安全监测的一种有效工具。     

非饱和土基质吸力对基坑支护计算的影响

基坑支护结构上实测的内力常比用经典土压力理论计算得到的值要小 ,特别是在地下水位深的地方 ,如北京等地区 ,更是如此。由此造成了基坑支护结构很大的浪费。基于实测非饱和土土水特征曲线试验数据 ,通过对一简化基坑支护的计算 ,讨论了非饱和土基质吸力的贡献。指出基质吸力对支护结构上的内力减小影响明显 ,是实际工程中所出现问题的一个重要影响因素 ,有必要对其进行深入研究。     

冻融作用对土体干容重和含水量影响的试验研究*

  对青藏铁路沿线具有代表性的两种土：砂质粘土和轻亚粘土进行了室内冻融试验研究。试验在开放系统、不同初始干容重、含水量及温度条件下进行,水分由下向上补给。试验结果表明：经过多次冻融循环以后,土体的干容重趋于某一定值。这一定值与土体的初始干容重无关,而与土体的种类有关。本试验结果中砂质粘土稳定干容重为1.55 g•cm－3,轻亚粘土为1.78 g•cm－3。另外,发生冻融循环后的土体含水量比初始含水量大,而且经历冻融变化的部分增加的含水量要比保持融化状态部分增加的含水量要大。     

用γ射线双源双能法测定三轴受荷试样湿度密度的公式

γ射线因其有无损、快速等特性，而被广泛地应用于无损快速测量。由于土试样在力与水共同作用下，其密度和含水量将同时变化，故在同时测定密度和含水量的变化规律时，就采用到γ射线双源双能。以核物理学的已有成果为基础，研究了双源双能法在测定土试样的密度和含水量时的理论公式。     

非饱和结构性黄土吸附强度的试验研究

 以甘肃永登非饱和结构性黄土为研究对象,通过等吸力三轴试验,研究非饱和黄土在控制吸力条件下的剪切性状,得到基质吸力随含水率及围压的变化规律和基质吸力与吸附强度之间的相互关系,并推导新的吸附强度公式,该公式可预测不同吸力对非饱和黄土抗剪强度的贡献。试验结果表明：非饱和黄土的基质吸力随含水率和围压的增大分别减小,但含水率的变化对基质吸力的改变起着主导作用,在低含水率情况下,基质吸力灵敏度较高,吸附强度随基质吸力的增大而增大,围压对吸附强度的影响较小。本研究为非饱和黄土抗剪强度应用于西部地区黄土工程实践提供了一种新的方法。     

考虑干密度和压实含水率影响的弱膨胀土土水特征曲线研究

通过采用常规压力板仪对压实含水率、制样干密度、土样结构等3种因素对非饱和弱膨胀土土水特征曲线的影响进行研究,通过采用Van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型,通过最小二乘法对所测土水特征曲线进行拟合,着重分析了土样孔隙结构对土水特征曲线的影响。结果表明,常用的土水特征曲线模型Van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型均可较好地对压实膨胀土样和原状样土水特征曲线进行拟合,但对于石灰改性膨胀土Fredlund-Xing模型的拟合效果较好。     

荆门非饱和压实膨胀土的吸力特征及其本构方程

 吸力与非饱和土的力学性状密切相关,为探讨非饱和膨胀土吸力变化规律,以滤纸法为研究手段,测定6种不同压实度与13种不同重力含水率组合条件下荆门弱膨胀土的总吸力与基质吸力。试验基本覆盖该膨胀土持水状态与密实状态的可能变动范围。研究表明：土体持水状态与密实状态均对压实膨胀土吸力影响显著。相同密实状态下,吸力随持水程度的增大而降低,且变动幅度较大。相同持水状态下,吸力随密实程度的增大而增大。密实度小的试样吸力变化幅度大,密实度大的试样吸力变化相对平缓。在明确吸力变化规律的基础上,构建吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程,数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述压实膨胀土在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。     

折减吸力在非饱和土土压力和膨胀量 计算中的应用

 根据变形等效原则介绍确定折减吸力的具体方法,采用折减吸力代替真实吸力进行非饱和土土压力系数和膨胀量的计算,计算不同水位条件下非饱和土的静止土压力、主动土压力、被动土压力以及不同水位条件下非饱和土的膨胀量和降雨条件下非饱和土的膨胀量。计算结果合理地反映了非饱和土土压力和膨胀量的分布趋势。将计算结果与离心模型试验和模型槽试验结果进行对比,两者具有很好的一致性。