马兰黄土孔隙结构参数与渗透性关系研究

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及饱和渗透试验,得到两个渗透性参数渗气率k_a和饱和渗透系数K_w,通过室内常规试验得到的孔隙比e,并利用图像处理软件（IPP）处理扫描电镜（SEM）照片得到的平面孔隙比e₀,结合试验结果并利用数学模型建立宏-微观孔隙参数与渗透参数之间的关系。结果表明:重塑土干密度增大,单位体积内颗粒数量增多,孔隙面积减少。原状风干土样埋深增大,大孔和中孔的孔隙面积、孔隙数量、孔隙平均直径明显减小;半对数线性模型可以消除K_w和k_a与孔隙结构参数在量级上的差异,拟合效果更好。lgK_w、lgk_a与e、e₀之间都呈现较好的线性关系;含水率变化时,渗气率拟合直线的斜率和截距的变化规律更明显。重塑土由于制样均匀,曲线的拟合度更高,而不同深度的原状黄土试样由于沉积过程造成的结构性的差异,致使其拟合度较重塑土偏低。     

基于真三轴试验的黄土结构性变化规律研究

基于综合结构势理论,通过自主研发的真三轴仪,研究了原状黄土、重塑黄土和饱和黄土的应力-应变关系和土的结构性变化规律,针对反映黄土变形过程结构性演变的应力比结构性参数,揭示了不同含水率黄土结构性参数与广义剪应变关系随固结压力、应力路径的变化规律,建立了数学描述模型,同时验证了真三轴仪和应力比结构性参数的可靠性。结果表明,土的状态不同,其应力-应变关系存在明显差异。原状土更易呈现应变软化或双曲线特性,而重塑土或饱和土更易呈现双曲线或应变硬化特性。随着剪切变形和含水率的增大,土的结构性均逐渐减小,而固结压力? c和中主应力参数b值也会影响土的结构性变化规律。提出的结构性参数的拟合公式与理论和试验结合吻合较好,可推广工程应用。     

基于原位渗气试验的黄土潜蚀地层渗气率研究

利用改进的渗气仪器对不同地区原位马兰黄土地层及原状马兰黄土试样的渗气率进行了测量。通过新研制的原位渗气率试验装置和已有成熟经验的室内原状黄土试样渗气率试验装置的渗气率测定结果进行对比,对原位渗气率试验结果的可靠性进行了验证;结合两种渗气率试验方法所得的结果综合分析了颗粒粒径、孔隙比、含水率等因素对马兰黄土渗气率的影响规律及其机理;通过原位渗气率试验分析了湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴对黄土地层渗气率的影响规律及其机理。结果表明:原状黄土试样室内渗气试验与黄土地层原位渗气试验获得的结果基本一致,黄土地层原位渗气率试验结果是可靠的。原位试验因能够最大程度上避免试样取样、运输及室内制样等过程的扰动影响而结果更为精确,且能较好地反映黄土地层的真实情况,室内渗气率试验只适合均匀、无明显节理裂缝（隙）的黄土试样。两种渗气率试验结果均表明:马兰黄土粗颗粒愈多级配愈差渗气率愈大,反之渗气率则愈小;同一地点随深度增加、孔隙比减小、含水率增大,渗气率呈现减小的趋势。潜蚀黄土场地湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴附近黄土地层因受裂缝（隙）和洞穴扰动,渗气率明显偏大,而远离湿陷裂缝（隙）和潜蚀洞穴的黄土地层渗气率基本接近于非洞穴裂缝（隙）分布区黄土渗气率平均值。原位渗气率测量结果精确,测量过程快速便捷,该方法在评价黄土地层渗透性乃至评价黄土地层结构缺陷（如隐伏节理裂隙、潜蚀洞穴的发育程度）等方面具有广阔的应用前景。     

磐安结构性黄土动阻尼特征及其演化规律研究

地震作用往往会导致结构性黄土动强度的衰减,引发黄土滑坡、振陷等一系列地质灾害,而强度的衰减与其阻尼特性密切相关,因而结构性黄土的动态阻尼特征及其演化规律问题是岩土工程抗震的重要研究课题之一。为此,以天水磐安结构性黄土为研究对象,开展了天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动力学特性试验。在试验基础上,分析并比较了黄土的动模量、动阻尼响应特征及其演化规律。研究表明:天然、饱和条件下原状黄土和重塑黄土的动应力随动应变的增大而增大,动模量随动应变的增大而减小,动阻尼比随着动应变的增大而增大;受黄土结构性的影响,原状黄土的最大动模量比重塑黄土的稍大,原状、重塑黄土的最大动模量比饱和原状、饱合重塑黄土的稍大;黄土结构性较强时需要考虑试样固结应力对阻尼比的影响,饱和重塑黄土可以忽略试样固结应力对阻尼比的影响。     

重塑马兰黄土渗透性试验研究

为了研究干密度和初始含水率对重塑黄土渗透性的影响,对延安新区I期工程所取的重塑马兰黄土进行了饱和渗透试验。结果表明:在非饱和状态,干密度对饱和时间的影响最为显著,饱和时间随干密度的增大而增大,而初始含水率对饱和时间的影响不明显。重塑马兰黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小,其关系可以拟合为幂函数关系。在一定干密度范围内,渗透系数随初始含水率的增大而减小,其关系可以用直线关系拟合。渗透系数与孔隙比之间可以用幂函数关系拟合,渗透系数随孔隙比的减小而减小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影响重塑黄土渗透性的重要因素,其主要是通过对试样微结构的影响而影响渗透系数。该研究对延安新区的工程建设具有一定的理论指导和实际应用价值。     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

结构性对非饱和Q_3黄土强度和屈服特性的影响

为研究结构性对黄土强度特性和屈服应力及屈服吸力的影响,以兰州非饱和原状Q3黄土及其重塑土为研究对象,利用非饱和土四联直剪仪和改进型非饱和土三轴仪进行了一系列的非饱和土直剪和各向等压加载以及三轴收缩试验。试验结果表明:原状黄土及其重塑土的黏聚力和内摩擦角均随吸力的增加呈线性增长趋势,吸力越大,抗剪强度越高;Q3原状黄土具有较高的结构性,其抵抗外力破坏的能力较高,而重塑土土粒之间结构比较松散,因此,原状土的抗剪强度要高于重塑土,尤其在低吸力和高含水率情况下;定义了黏聚力结构参数cM和内摩擦角结构参数M?,得到了黏聚力耦合值*c和内摩擦角耦合值*?随吸力变化的拟合公式,为实际工程抗剪强度指标的选取提供另一种尝试;原状黄土的屈服应力和屈服吸力均大于重塑土,在p-s平面上原状黄土的弹性区要大于重塑土;两种土的屈服应力之差随着吸力的增大而线性增大,屈服吸力趋近于一常数,受净平均应力的影响较小;试样屈服前,原状黄土较强的结构性导致其变形要小于重塑土,试样屈服后,两者变形差别不大。试验结果为进一步建立结构性模型提供了试验基础,也为黄土地区工程建设提供了参数依据。     

冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响

在季节冻土区, 周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构, 土的孔隙率与渗透性也随之产生相应的变化. 针对这一现象进行了原状黄土和重塑黄土的冻融循环试验和冻融循环后的渗透试验. 结果显示: 随着冻融循环作用的进行, 原状黄土与重塑黄土干密度的变化趋势都是先增大后减小, 然后趋于稳定. 由于渗透系数与干密度呈负线性关系, 所以随着冻融循环次数的增加, 原状黄土与重塑黄土的渗透系数都是先减小后增大, 最后在4×10^-4~6×10^-4 cm·s^-1之间趋于一个稳定值. 因为重塑黄土是扰动土, 土结构中的颗粒大小较为均匀, 而原状黄土的土结构中颗粒大小不均匀, 导致重塑黄土的渗透系数始终大于原状黄土.     

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。     

结构性对膨胀土收缩特性影响的试验研究

膨胀土的收缩性明显,容易引发边坡与地基开裂,但有关结构性对收缩特性影响的认识甚少。采用收缩自动试验装置,在恒湿恒温条件下对原状膨胀土和重塑膨胀土开展了收缩对比试验和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）测试分析,结果表明：与原状土相比,重塑土在土中水流动阶段的蒸发速率较小,蒸汽扩散阶段收缩稳定速率较慢,最终体积收缩应变量更大;重塑土体积收缩−含水率关系曲线的线性段较长,斜率较大,直线段与稳定段之间的过渡不明显,而原状土则反之;重塑土和原状土的收缩特征曲线（soil shrinkage characteristic curves,简称SSC）在较高含水率段基本重合,随着含水率下降,重塑土的SSC下降更快,对应的含水率范围更宽,最后进入残余−零收缩阶段时,孔隙比明显较小;Chertkov收缩模型适用于原状膨胀土,但不适用于重塑膨胀土。SEM测试结果表明,原状膨胀土较重塑膨胀土具有更强的原生结构性,初始密度与湿度相同情况下,两者颗粒排列、接触方式、胶结状态、孔隙大小与分布特征等微观结构上差异明显,导致蒸发过程中重塑土的水分迁移速率较小、基质吸力较大,是重塑土收缩更剧烈的内在原因。研究结果可为膨胀土边坡的坡面工程防护设计提供参考依据。     

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。     

荷载条件下原状与重塑泥岩渗透性试验研究

为模拟地基土普遍受上覆荷载等实际情况,研制了可加载渗透仪。文章以兰新铁路第二双线一处典型膨胀泥岩为研究对象,进行了原状土和重塑土不同荷载等级下渗透试验,荷载大小为0,0.1,0.2,0.3,0.4 MPa。试验结果表明:随着渗透时间变长,原状土和重塑土的渗透系数略微增大。原状土渗透系数随荷载增大而变小,为现场地基土随埋深增加渗透性变小提供依据;重塑土渗透系数随荷载增大而变小,对于高填方路基底层土而言上覆荷载对其渗透性产生影响。通过进一步对比原状土与重塑土渗透性差异,可知重塑土渗透系数比原状土渗透系数大1个数量级,且原状土渗透系数呈“外凸形”减小,重塑土渗透系数呈“内凹形”减小,荷载对两种土体渗透系数影响机理不同。     

考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响

结构性是黄土的基本属性,黄土的湿陷特性与其结构性之间有着必然的联系。针对冻融作用对不同结构性黄土湿陷性的影响,以水泥作为模拟土颗粒间的联结材料制备了人工结构性土,开展了不同水泥含量的人工结构性土与相应的原状土、重塑土的湿陷试验,分析了结构性、冻融作用、初始含水率、湿重度及荷载大小对湿陷系数的影响规律。试验结果表明：冻融前后,人工结构性黄土的湿陷系数均比原状土、重塑土的湿陷系数小,且随着水泥含量的增加,湿陷系数有所减小;冻融之后,各土样的湿陷系数几乎均有所增加,但增加的程度和土样初始结构、含水率、干密度（压实系数）及竖向荷载关系密切,尤其当含水率接近最优含水率和土样为重塑土或水泥含量较低的人工结构性土时,冻融后湿陷系数增大幅度显著。在标准荷载200 kPa下,冻融前后原状土、重塑土的湿陷系数与其湿重度之间基本呈较好的线性负相关关系,而人工结构性黄土湿陷系数与湿重度之间并不呈线性关系;竖向荷载为50 kPa时,重塑黄土和5%水泥含量黄土的湿陷系数与冻融次数之间存在着较好的对数关系。以水泥作为土颗粒间联结材料,制备的人工结构性土是否能很好地代替原状土反映结构性黄土的湿陷特性,还需更进一步深入研究。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

粗粒土渗透性能的试验研究

粗粒土作为土和块石的介质耦合体,具有非均质性、非连续性及试样的难以采集性等内在的独特性质,从而给研究带来极大的困难。粗粒土属于典型的多孔介质,其渗透特性与砾石的百分含量关系密切。利用自制的常水头渗透仪,测定了不同含砾量时粗粒土渗透系数值,研究发现含砾量与粗粒土渗透系数之间存在指数关系。在工程设计中可以通过合理调整粗粒土砾石的含量,达到控制其渗透性能的目的。基于幂平均法,提出了粗粒土复合渗透系数的计算公式,并通过试验结果验证了该式的正确性,为粗粒土渗透系数的理论计算提供了一个简明实用的计算工具。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

酸污染原状黄土渗透微观特征演变规律试验研究

研究污染黄土的渗透特性能够为污染场地的治理提供经济高效的方案措施。以蒸馏水作为渗液，采用GDS三轴渗透仪通过室内试验研究了盐酸、硝酸和硫酸侵蚀黄土的渗透特性变化规律，并从微观结构的变化进行机制分析。试验结果表明：相同固结应力条件下，不同类型污染土的渗透系数均随酸液浓度的增大而降低；随着酸液浓度增大，污染土骨架连接方式由点?点接触向点?面接触、面?面接触转变，土体内部大孔隙消散、小孔隙增多使得有效渗流孔隙减少，导致污染土渗透系数降低；相同试验条件下不同类型污染土渗透性能变化规律为：硫酸<硝酸<盐酸<水，即酸液增强了黄土防渗及防污性能。研究结果以期为黄土地区的工程活动和防污治理提供有效参考。