基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

基于VG模型确定土水特征曲线基本参数

土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1、Sr2(Sr1和Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。     

土体密实状态对土-水特征曲线影响规律研究

土-水特征曲线（SWCC）是非饱和土力学中的一个重要概念。在众多影响土-水特征曲线的因素中,土体密实状态（文中用孔隙比表示）的影响最为常见并且十分重要。以毛细管模型和Childs（1950年）提出的统计学假定为基础,分析了孔隙比发生改变时土-水特征曲线上的点的变化规律,并以此为基础提出了一种以两条已知初始孔隙比的土-水特征曲线为基准,预测具有任意初始孔隙比土体的土-水特征曲线的计算方法。通过与试验结果对比,验证了该方法的合理性。由于测量土-水特征曲线比较费时,利用该方法预测具有不同孔隙比的土-水特征曲线,可减少试验测量的工作量,从而使土-水特征曲线在实际应用中更加方便、实用。     

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。     

双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型

在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙（又称宏观孔隙）和集聚体内孔隙（又称微观孔隙）对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。     

毛细导水布料排水性能及孔隙结构试验研究

本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类:COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4 μm,SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8 μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率多降低了2.19%。在毛细上升高度试验中,COOLMAX的毛细上升高度最大,表明毛细导水材料的吸水能力与其孔隙分布特征有关,孔隙分布越密集,其吸水能力越强。     

考虑孔隙水微观赋存形态的非饱和粉土有效应力方程及其验证

有效应力参数的合理确定是非饱和土有效应力研究的重要内容。然而,现有的有效应力参数未能较好地考虑孔隙水的微观赋存形态对有效应力的影响。为此,分析了孔隙水的微观赋存形态,明确了孔隙水可分为收缩膜、吸附水和毛细水,建立了非饱和粉土的扩展三相孔隙介质模型,即孔隙气、毛细水和广义土骨架。基于该模型,采用分相平衡分析法,推导了非饱...     

不同沉积环境下马兰黄土孔隙分布与土水特征的模式分析

为研究黄土的孔隙分布(PSD)和土 -水特征曲线(SWCC)与黄土沉积环境的关系,在甘肃榆中县和平镇和正宁县及陕西泾阳县等黄土台塬上部采取原状马兰黄土样,先测定其基本物理指标,再用压汞法测得各土样的PSD曲线,同时用滤纸法测得其SWCC。结果表明:和平镇马兰黄土的PSD曲线为单峰形态,泾阳县马兰黄土的PSD曲线为双峰形态,正宁马兰黄土的PSD曲线具有三峰特点。各土样的SWCC具有与PSD曲线相对应的阶梯状形态。SWCC与PSD曲线之间的对应关系,说明黄土的土水特征受孔隙分布的控制。获取3个原状样扫描电镜图像,微结构显示出这种地域性分异现象。对各采样点的气候环境分析表明,黄土PSD曲线之间的差异主要是由成土作用强弱决定的。将降水量与蒸发量的比值定义为蒸渗系数 (CEI),作为刻画成土作用强弱的指标。发现当CEI≤0.3时,PSD曲线为单峰模式;0.3＜CEI≤0.4时,PSD曲线为双峰模式;0.4＜CEI≤0.5时,PSD曲线为三峰模式,相应的SWCC分别为单拐点、双拐点和三拐点模式。     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

基于分形理论的SWCC边界曲线滞后效应模型研究

微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法

传统测试土−水特征曲线（soil-water characteristic curve,简称SWCC）方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明：预测模型中的分形维数D可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。     

土−水特征曲线测量过程中孔隙分布的演化规律探讨

测量了在宽广吸力范围内原状样和压实样的脱湿持水曲线,对比分析了单双峰结构持水性能的差异;并利用压汞试验测试两种土样在脱湿过程的孔隙分布,分析了两者的差异并探讨了脱湿过程孔隙的演化规律;在考虑收缩变形的基础上,基于孔隙分布曲线确定了土?水特征曲线的基本参数。试验结果表明：原状样在宽广吸力范围内基本上呈单峰孔隙结构;饱和压实样具有单峰孔隙结构,随着吸力的增加,双峰结构越来越明显,当吸力达到很大时,演化成完全双峰孔隙结构。原状样的持水曲线为经典的S形,而压实样的持水曲线在过渡段出现了水平台阶状;低吸力段,压实样的持水曲线低于原状样,而高吸力段,两者的持水曲线基本重合。基于孔隙分布曲线确定了控制持水曲线进气值和残余值的孔径,并计算出对应的吸力值,其值更符合实际物理意义。     

原状扬州黏性土压缩特性与孔径分布

研究土体压缩特性与孔径分布的关联性是探索土体宏观微观关系的途径之一。文章以扬州黏性土为研究对象,对不同深度的原状样同时进行压缩试验和压汞试验,重点研究了初始孔隙比相近而压缩特性不同的土层的孔隙结构以及各深度土层经历加卸载后的孔隙结构变化。试验结果表明:不同深度原状扬州黏性土的孔径分布均为单峰结构,孔径大小主要分布在0. 2～5μm,其压缩特性与孔径分布密切相关,孔径分布越集中,土的压缩性越小。12,15,18 m深度土样的孔径分布范围相对其他深度的更大,小孔隙占比更高,具有更大的压缩性和更强的结构性。初始孔隙比相近的不同深度的土样因孔径分布不同其压缩性也不同。在经历一个加卸载后,各深度土样的中孔隙占比均减小,孔径分布都向小孔径孔隙方向移动,且大孔隙占比变化都不大,而12,15,18 m累计孔隙体积减小量更多,使得这三层土样的中孔隙占比减小更明显。本文为黏性土的工程特性和微观结构的关联性探究提供了参考数据。     

非饱和原状残积土土水特征曲线研究

利用压力板仪装置开展不同竖向应力、不同干湿循环次数和不同类型原状土(残积黏性土和残积砂质黏性土)的SWCC曲线试验研究, 比较和分析未考虑体积变化和考虑体积变化的土体SWCC滞回圈面积以及进气值和出气值的变化规律。研究结果表明传统方法获取的SWCC曲线会高估土体抵御变形的能力, 试验条件变化引起土体内部结构调整是SWCC曲线发生变化的内在原因; 高应力水平条件下, 土体孔隙变化显著, 导致吸湿过程SWCC变化明显, 吸湿和脱湿路径时SWCC形状的不平等变化促使彼此间更为接近, 这种变化会减小SWCC滞后性随有效应力水平的变化。最后, 根据试验数据对3类SWCC修正公式进行拟合优度分析, 结合模型参数的简洁性, 得出修正VG模型最符合闽东南地区原状残积土的SWCC建模。研究成果可为残积土边坡的工程特性及治理提供有意义的参考。     

非饱和土稳态孔隙比变形理论研究

非饱和湿陷性土与湿胀性土分别具有亚稳态孔隙比结构和超稳态孔隙比结构,广义吸力是维持这种结构稳定的主要因素。随着广义吸力的丧失,两种结构均处于一个不稳定的孔隙状态,土体会向一个更加稳定的孔隙比结构发展。超孔隙比结构孔隙比增大,土体产生膨胀,亚稳孔隙比减小,土体产生收缩。基于这一稳态孔隙比理论,建立了广义吸力丧失引起的孔隙比的增量方程,来统一考虑非饱和土的湿陷性和湿胀性变形特性,并通过经典试验数据验证了增量方程的合理性     

轴平移技术在基质吸力测控中的局限性和误差分析

为了揭示非饱和土在自然环境和轴平移环境两种条件下,基质吸力测试数据存在差异的原因,分别研究了表面张力系数和难充水微孔隙在相同吸力作用下对含水率的影响。一方面,表面张力系数随压力的增大而小幅减小,同一基质吸力条件下采用轴平移技术时对应的含水率较自然状态有偏小的趋势;另一方面,由于一端封闭微孔隙的存在,较高的孔隙气压力必然促使土中水进入部分难充水微孔隙,从而同一基质吸力条件下轴平移技术对应的含水率较自然状态又有升高的趋势。因此,在特定基质吸力条件下,轴平移方法得到的含水率较自然状态偏大还是偏小取决于上述两方面的综合效应。毛细上升试验和针对一端封闭微孔隙模型的研究表明,一端封闭微孔隙的存在对土-水特征曲线的影响远远大于表面张力系数变化的影响。针对石英砂、砂土和黏土的两种SWCC测试结果表明,随土颗粒逐渐变细,轴平移技术对SWCC的影响越来越大。从而进一步印证,张力计法和轴平移方法在测试黏土土-水特征曲线方面存在差异的原因在于一端封闭微孔隙的存在。     

区分毛细和吸附作用的非饱和土抗剪强度模型

基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,得到了一种机制明确的非饱和土抗剪强度模型。首先,假定两种非饱和土的特殊状态,即只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态。分别给出了这两种理想状态的抗剪强度模型,其中毛细作用的影响可表示为考虑气化过程的有效饱和度和吸力的乘积,吸附作用的影响可初步简化表示为表观黏聚力的最大值。其次,利用二元介质模型,认为非饱和土中土-水作用是由这两种理想状态的不同权重组合而成。通过气化概率分布函数,表示了实际非饱和土中两种理想状态的参与比重,建立了适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型。最后,通过与试验结果及当前流行的模型拟合结果的对比,验证了所建立的模型的合理性。研究表明,在考虑吸力对非饱和土力学性质的影响时,应该区分吸力的不同作用。     

基于热力学并考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线模型

基于热力学内变量理论,提出能综合考虑毛细滞回效应和非饱和土体积变形影响的土-水特征曲线模型。热力学第二定律推导结果表明：毛细滞回现象和塑性变形本质上是一种耗散行为;吸力和饱和度的变化不仅与流相变化直接相关,而且也受到固相体积变化的约束与影响;土-水特征曲线的流相体积变化与固相变形之间存在相互耦合作用。从微观上阐明滞回现象产生的机制以及变形对吸力的影响,建立了考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线一般性模型。然后采用边界面塑性理论,在只增加两个新参数的情况下,建立了一个简化的能描述毛细滞回及塑性孔隙比变化影响的新模型。最后,利用已有试验数据对这一模型进行了验证,结果表明,新模型能考虑土体变形的影响,并能较为准确地描述毛细滞回现象,模型预测结果与已有的试验数据吻合较好。     

利用土中水分蒸发特性和微观孔隙分布规律确定SWCC残余含水率

残余含水率在非饱和土渗流理论、强度理论等方面都是重要的参数,然而土-水特征曲线（SWCC）试验测量时一般难以达到残余阶段,常常通过经验法（包括模型拟合法）估算残余含水率,方法的适用性值得论证。以武汉黏性土为研究对象,制备不同初始孔隙比试样,利用压力板仪测量SWCC,通过模型拟合的方法计算残余含水率;进行自然状态下水分蒸发试验,根据失水速率定义了临残时间,依据临残时间确定残余含水率;利用核磁共振技术研究微观孔隙分布特性,解释控制残余含水率大小的微观规律。研究结果表明：模型拟合的方法可估算残余含水率,但准确性与模型选择及残余含水率初步范围的限定直接相关;水分蒸发试验是确定残余含水率有效可行的直接方法;武汉黏性土微观孔隙呈三峰分布,残余含水率与第1峰之前的微观孔隙水分紧密相关,依据弛豫时间小于0.267 38 ms的T2谱面积可较为准确地预测残余含水率,对于其他土体该方法需要进一步论证与完善。