两种膨润土的土-水特征曲线

用滤纸法和压力板法对Kunigel-V1和高庙子两种膨润土进行试验研究,量测不同孔隙比情况下的土-水特征曲线,研究土-水特征曲线与孔隙比之间的关系以及两种膨润土的土-水特性。试验结果表明：用吸力与含水率的关系表示土-水特征曲线时,在吸力较大的情况下,孔隙比对土-水特征曲线的影响不大;用吸力与饱和度的关系表示土-水特征曲线时,土-水特征曲线随着孔隙比的减小向右上方移动,即在吸力一定的情况下,饱和度随着孔隙比的减小而增加,并且此变化接近于线性变化。另外,孔隙比相同时,Kunigel-V1和高庙子膨润土的土-水特征曲线比较接近,即两种膨润土的持水特性比较相近     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

温控高压实GMZ01膨润土-砂混合物土水特性

纯膨润土中掺入一定比例的石英砂,可以有效地提高工程屏障的热传导特性、力学强度和长期稳定性,并可降低屏障系统的工程造价; 但同时也会改变混合物的土水特征。本文采用水汽平衡法和渗析法吸力控制技术,开展了不同温度(20℃、40℃和60℃)、恒体积条件下,高压实GMZ01膨润土-石英砂混合物(7:3)试样的持水特性试验。结果表明,体积与吸力恒定时,高压实高庙子膨润土-砂混合物的含水量随温度升高而减少,但温度影响幅度取决于吸力水平; 低吸力范围内,混合物的饱和度大于1,其原因可能是由于混合物中结合水密度大所引起的; 基于Frendlund常温方程的万敏模型,能够拟合考虑温度影响的GMZ01膨润土-砂混合物土水特征曲线。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

土-水特征曲线滞后阻塞模型

基于Young-Laplace方程利用土-水特征曲线估算孔隙分布,借鉴非饱和渗流统计模型,建立了土-水特征曲线的滞后模型。在某一基质吸力下对应的毛细半径上限的毛细水对更大孔隙半径的毛细水具有阻塞作用,阻塞概率与孔隙分布函数直接相关。孔隙分布函数自身属性体现了土体孔隙空间分布的非均匀性。该模型显示：在高基质吸力与低基质吸力阶段,脱湿曲线与吸湿曲线趋近相等;中等基质吸力阶段,脱湿曲线饱和度高于吸湿曲线饱和度,两者的差值存在一个明显的峰值。并采用实例验证了该模型的可靠性,发现该模型对中、细粒土预测效果较好,而砂类土因孔隙分布不符合假设,导致存在较大误差。对于砂类土等特征尺寸较大的土质,引入阻塞概率修正系数,发现最佳修正系数与土-水特征曲线半对数坐标下的土-水特征曲线最大斜率呈反比例关系。     

失水过程孔隙结构、孔隙比、含水率变化规律

当土体总应力状态保持不变时,基质吸力的提高是导致孔隙水排出、土样收缩、孔隙结构改变的主要原因。对于特定吸力下的土样,其微观孔隙结构决定了土壤孔隙比;而土壤孔隙结构,土壤基质吸力共同决定了土壤的含水率。假定在失水过程中,当孔隙水尚未排出时,其土壤孔隙孔径不会收缩,孔隙体积保持不变。可通过吸力建立起变化的土壤孔隙体积曲线和土-水特征曲线、土壤收缩曲线之间的对应关系：（1）累计孔隙体积曲线的包络线即为实际发生的土水特征曲线;（2）基于累计孔隙体积曲线,能够有效确定土样收缩曲线的上下限范围     

真三轴条件下原状Q_3黄土的土-水特征

土-水特征曲线反映了非饱和土三相介质存在状态和相互作用的基本特性,非饱和土的受力状态变化和变形发展必然影响其土-水特性变化。为了揭示复杂应力作用下非饱和原状黄土的土-水特征曲线变化,利用真三轴仪对不同初始吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率的等向固结和不同中主应力参数b值的剪切试验,探讨了不同试验条件下非饱和原状黄土的土-水特征,并对相应的土-水特征曲线进行了拟合,得出其拟合函数。研究结果表明:饱和度皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;吸力随着饱和度的增大而减小,饱和度较大(S_(r0)≥43%)时,吸力减小速率越小,饱和度较小(S_(r0)43%)时,吸力减小速率越大;饱和度一定时,吸力皆随着净平均应力、b值和净围压的增大而增大;较低净平均应力(p≤300 kPa)时,应力变化对原状黄土等向固结完成后土-水曲线的影响较小,为了工程应用方便,可以归一用幂函数来描述;拟合了可以反映净围压和中主应力共同作用影响的真三轴剪切完成后的土-水特征曲线表达式,与试验结果吻合较好。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

桂林红黏土的土-水特征曲线

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法3种方法,对压实桂林红黏土进行全吸力范围内的土-水特性量测,研究干密度对于土-水特征曲线的影响。试验结果表明：干密度1.4 g/cm3的压实桂林红黏土的进气值约为20 kPa;土-水特征曲线的过渡段与典型的土-水特征曲线不同,含水率或饱和度与吸力的对数坐标关系不是单一直线,而是出现了3段直线,并且中间一段平缓段下降斜率较小;当吸力增大到367 MPa时,含水率仅为0.74%,可认为如吸力继续增大至106 kPa时,含水率和饱和度为0;用吸力与含水率关系表示土-水特征曲线时,吸力较大时不同干密度的曲线重合,认为干密度对土-水特征曲线无影响。用吸力与饱和度关系表示土-水特征曲线时,在吸力较小时,干密度越大,对应的土-水特征曲线越高;当吸力较大时,不同干密度的土-水特征曲线几乎重合。     

脱湿状态下南京下蜀土的土水-力学特性

用经改造的GDS非饱和土三轴仪测得下蜀土在不同净围压下的变形特性和持水特性,并以van Genuchten模型对试验数据的拟合结果为基础,分析了净围压对下蜀土吸力应力特征曲线的影响,全面系统地研究了脱湿状态下南京下蜀土的土水-力学特性。研究表明,下蜀土的变形特性受净围压与基质吸力影响,基质吸力越高,下蜀土的压缩性越低,可以用二元指数函数本构模型分析孔隙比与应力状态变量间的关系。净围压使下蜀土持水能力增强,净围压与进气值呈幂函数关系。土的压缩性越高,净围压对其持水特性的影响越显著;随着净围压的增大,下蜀土孔隙比趋同,净围压对持水特性的影响逐渐减弱。外部荷载对下蜀土吸力应力特征曲线的影响是分段的,在边界效应区范围内,净围压增大时,吸力应力特征曲线间的差异逐渐减小;在过渡区范围内,吸力应力随状态变量变化的快慢程度不受外部荷载影响。根据双电层理论分析了高吸力时吸力应力的物理意义与计算方法,提出以界限有效饱和度作为吸力应力函数的分界点。     

掺砂率对高放废物处置库中缓冲/回填材料收缩特性的影响

缓冲/回填材料的收缩特性对高放废物处置库的长期安全性和稳定性具有重要影响。以高庙子（GMZ） 膨润土-砂混 合物缓冲/回填材料为研究对象,探究了0~50%掺砂率下,试样蒸发失水过程中的收缩特性。试验结果表明：（1） 试样的水 分蒸发过程可分为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段,且掺砂率对各阶段水分蒸发过程均有显著影响;（2） 掺砂率对试 样缩限值基本没有影响,但收缩应变却随着掺砂率的增大而减小;试样收缩系数在掺砂率为30%时达到最大,之后随掺砂 率的增大而减小;（3） 在不同掺砂率下,试样收缩均呈现出明显的各向异性;（4） 掺砂率越高,试样进气点对应的含水率 越大,最终孔隙比也越大。     

掺砂率对膨润土与砂混合物膨胀特性的影响

膨润土与砂混合物的膨胀特性是评估核废料深层地质处置工程长期性能的重要指标。对比不同膨润土及其与砂混合物的膨胀试验结果可知,对纯膨润土及其低掺砂率混合物,浸水膨胀完成后蒙脱石孔隙比em与竖向应力?v在双对数坐标内呈惟一的线性关系,利用该线性关系可预测浸水完成后不同竖向应力下的体积变化量及不同初始状态对应的膨胀力;对高掺砂率混合物,在砂骨架形成之前,em-?v线性关系成立,随着竖向应力的增大,砂骨架形成,对应的em值脱离em-?v线性关系,混合物中掺砂率越大,脱离该线性关系时的竖向应力就越小。砂骨架形成前,砂颗粒被蒙脱石包围,外力由蒙脱石承担,最终变形量由试样中单位体积蒙脱石的含量决定;砂骨架形成后,竖向应力最终由砂骨架和蒙脱石共同承担。利用砂骨架孔隙比的概念可确定各种不同掺砂率混合物形成砂骨架时的应力起偏点。同时,还可确定混合物能够形成砂骨架的掺砂率范围。     

Coupled modelling of hydro‐mechanical behaviour of unsaturated compacted expansive soils

The Barcelona basic model cannot predict the mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, whereas the Barcelona expansive model (BExM) can only predict the stress–strain behaviour of unsaturated expansive soils without the water‐retention behaviour being incorporated. Moreover, the micro‐parameters and the coupling function between micro‐structural and macro‐structural strains in the BExM are difficult to determine. Experimental data show that the compression curves for non‐expansive soils under constant suctions are shifted towards higher void ratios with increasing suction, whereas the opposite is true for expansive soils. According to the observed water‐retention behaviour of unsaturated expansive soils, the air‐entry value increases with density, and the relationship between the degree of saturation and void ratio is linear at constant suction. According to the above observation, an elastoplastic constitutive model is developed for predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils, based on the existing hydro‐mechanical model for non‐expansive unsaturated soil. The model takes into consideration the effect of degree of saturation on the mechanical behaviour and that of void ratio on the water‐retention behaviour. The concept of equivalent void ratio curve is introduced to distinguish the plastic potential curve from the yield curve. The model predictions are compared with the test results of an unsaturated expansive soil, including swelling tests under constant net stress, isotropic compression tests and triaxial shear tests under constant suction. The comparison indicates that the model offers great potential for quantitatively predicting the hydraulic and mechanical behaviour of unsaturated expansive soils. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Model suggested for an important part of the hydro-mechanical behaviour of a water unsaturated bentonite

The hydro-mechanical behaviour of a clay-based buffer material for nuclear waste disposal has been investigated in a laboratory program. In this program, the main focus was on the influence of confinement on water uptake and swelling pressure during suction decrease. The laboratory program and some of the results are presented by Dueck [Dueck, A., 2006. Laboratory results from hydro-mechanical tests on a water unsaturated bentonite. submitted for publication.].

The results from the laboratory tests were used to find a relationship between water content, void ratio, swelling pressure and suction. Two equations for swelling pressure represent the outline of the model.

In the first equation, the swelling pressure developed during water uptake is normalised by a pressure corresponding to the swelling pressure at saturation. This is done in order to be independent of void ratio. A relationship between the normalised swelling pressure and the degree of saturation is suggested.

The second equation describes a relationship between the swelling pressure, the water content and the actual suction (or relative humidity). The equation is based on a thermodynamic relationship and includes the retention curve (i.e. water content vs. suction under free swelling conditions).

The model can be used for a state where two of the four variables; water content, void ratio, swelling pressure and suction are known and can thus be useful to evaluate field measurements and model late stages of the wetting process. An example of an application is given. The equations are mainly based on results from tests with increasing degrees of saturation under constant void ratio but are also suggested for use with increasing void ratio.     

真三轴条件下Q3原状黄土的力学特性

为了模拟实际工程中黄土在不排水条件下的破坏,在控制含水率不变条件下,利用非饱和土真三轴仪对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了等向固结试验和不同中主应力参数b值的剪切试验,研究了非饱和原状黄土的力学特性。研究结果表明：真三轴等向压缩屈服应力随着初始吸力的增大而增大,吸力随着净平均应力的增大而减小,净平均应力对吸力的影响程度随着初始吸力的增大而增大。不同 值条件下,广义剪应力和净平均应力破坏状态线近似呈平行直线关系,广义剪应力和有效净平均球应力试验点可归一为饱和土的排水剪切破坏状态线;剪切破坏时吸力随着b值的增大基本呈线性增大趋势;孔隙比和净平均应力对数临界状态线近似呈线性平行关系,其斜率比饱和土大,且大于等向压缩屈服前的斜率;非饱和土孔隙比和有效净平均球应力对数临界状态线与饱和土的临界状态线近似呈线性平行关系;不同净围压条件下,不同 值非饱和土与饱和土的破坏状态孔隙比的比值与气体饱和度的试验点分布于1.0～1.2的直线带内,但同一净有效球应力条件下可以归一为一条非线性曲线。