非饱和重塑黄土的土水特性及压缩屈服与湿陷性的研究

利用改造的非饱和土固结仪对Q_3重塑黄土分别进行了无应力作用的分级增湿试验和控制基质吸力的压缩试验,测试得到了土–水特征曲线和压缩应力–应变曲线,研究了饱和度与基质吸力和含水率与基质吸力之间关系、压缩屈服应力随基质吸力的变化规律和湿陷系数随基质吸力的变化规律。研究结果表明,非饱和重塑黄土的吸力较大时土的强度较大,其压缩变形较小,非饱和重塑黄土的结构屈服压力较大;非饱和土基质吸力一定时,随着压力的增大,湿陷系数呈现出先增大后减小的趋势;同一净压缩应力下非饱和土基质吸力越大,湿陷系数越大,吸力越小,土样的?_s(p=200 k Pa)越小,当?_s(p=200 k Pa)超过约0.1时,?_s(p=200 k Pa)与基质吸力(u_a-u_w)近似呈指数增加。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系,利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300 kPa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00。试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化。给出了重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。     

重塑黄土在不同基质吸力下的真三轴剪切试验

为研究重塑黄土在控制吸力真三轴条件下的剪切特性,利用非饱和土固结仪测试了重塑黄土的土-水特征曲线,得到基质吸力与含水率的对应关系。利用真三轴仪对重塑黄土进行了控制基质吸力为50、100、200 kPa的固结排水剪切试验。在剪切试验中同时控制净平均应力为300k Pa,中主应力参数b值分别为0、0.25、0.50、0.75、1.00,试验结果给出大主应变、中主应变和小主应变与偏应力的关系曲线,研究了基质吸力和b值对土体应力-应变响应的影响。结果表明,重塑黄土的抗剪强度随基质吸力的增大而增大,随中主应力参数的b值增大而降低;应力-应变曲线随b值增大逐渐从应变硬化型向理想弹塑型转化;给出的重塑黄土在π平面上的强度破坏线,其随着基质吸力的增大而向外扩展,基质吸力会影响其位置、大小及形状,且重塑黄土不同基质吸力的试验结果与Lade-Duncan破坏准则的预测结果更接近。     

真三轴条件下Q_3原状黄土的吸力变化特性研究

为了研究非饱和土在复杂应力作用下的基质吸力变化特性,利用非饱和土真三轴仪,对不同初始基质吸力的非饱和原状黄土进行了常含水率等向固结和不同中主应力比值b应力路径的剪切试验,研究了非饱和原状黄土在真三轴应力条件下的吸力变化特性。研究结果表明:等向固结过程中吸力随着时间的增大而减小,且随着初始吸力和净平均应力的增大,吸力的减小速率越快,吸力变化量越大;等向固结完成后吸力小于初始吸力。剪切过程中吸力随时间的增大呈微小降低或保持不变后较快上升趋势,随着净围压或b值的增大,吸力上升段增长较快,吸力增量越大:剪切完成后吸力大于等向固结完成后的吸力。常含水率真三轴加载作用下黄土的基质吸力变化与净围压和中主应力比值b的不同组合密切相关。     

压实度和基质吸力对土石混合填料强度变形特性的影响研究

针对土石混合料高填方工程分析计算参数和模型确定难题,采用非饱和土三轴仪进行了控制基质吸力和净围压的36个固结排水剪切试验,定量研究了压实度、基质吸力、配合比对非饱和重塑混合料强度变形特性的影响,建立了非饱和压实土抗剪强度、切线变形模量和切线体积模量修正算法表达式。试验结果表明:破坏应力、黏聚力随吸力的增加基本呈线性增长,吸力变化对有效内摩擦角影响不大;破坏应力与强度参数随压实系数的提高而增大;土石比为4:6的土样破坏应力和强度参数整体略高于2:8的土样,有效黏聚力随粉质黏土含量的增加而增大。配合比和压实系数相同的土样,净围压或吸力越大,试样强度越大,体变逐步由剪缩趋于剪胀;净围压和吸力相同的土样,在相同配合比时,压实系数越高,应变曲线逐渐由应变硬化型向理想弹塑型转变,低净围压下部分土样趋于应变软化型。修正后的非饱和土非线性增量本构关系符合大面积填方工程实际,可用于高填方地基变形计算和高填方边坡稳定性分析。     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为试验

降雨滑坡的水-力耦合过程和机制研究是开展准确预测预报的基础和前提。选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和Van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析,揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明,试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水率、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。     

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。     

考虑毛细滞回效应的非饱和多孔介质渗流与变形耦合本构模型

在Wheeler本构模型框架的基础上,提出了一个水力与力学耦合的本构模型。该模型中的土-水特征曲线采用毛细滞回内变量模型,能够更好地描述水力历史变化下毛细滞回现象对非饱和多孔介质变形的影响,同时也可描述非饱和多孔介质变形对渗流的影响。非饱和土的强度不仅与吸力有关,而且受到饱和度的影响。相同的吸力下,土样经过吸湿和脱湿路径的饱和度不同,因此,非饱和土的强度也不同。此模型以体积含水率的塑性变化和体变的塑性变化为硬化参数,不仅能描述基质吸力对非饱和土的强化作用,而且考虑了饱和度对强度及变形的影响。试验结果与模型预测基本吻合,证明该模型能够模拟非饱和土的主要特性。为了简化,此模型是在各向同性荷载下推得的,有待于推广到一般的应力状态     

非饱和击实粉土的强度和屈服特性研究

由于吸力量测技术的困难,对京―九线粉土在不同含水率下击实并进行三轴不排水剪切试验,研究其强度和屈服特性,为非饱和击实粉土力学模型的建立提供依据。试验结果表明：该击实粉土在剪切过程中,在最优含水率干侧击实的土样具有较高的强度,应力-应变关系曲线呈软化趋势,土样先剪缩后剪胀,湿侧击实的土样具有较低的强度,应力-应变关系曲线呈硬化趋势,土样不断剪缩;随着试样击实含水率的增加,击实粉土的强度和屈服应力不断减小,水对土体具有一定的软化作用;不同击实含水率下,土样在q-p平面内破坏时的屈服轨迹为近似平行的斜直线,含水率对临界状态线的斜率没有影响;含水率对击实粉土抗剪强度的贡献表现为土体的似黏聚力的增加,似黏聚力与含水率之间呈乘幂关系,得出以含水率为变量的击实粉土强度计算公式,可在实际工程中推广应用。     

基质吸力控制下的非饱和黄土三轴蠕变试验研究

针对研究区(黑方台地区)黄土的非饱和蠕变特性,采用改进型的FSR-10非饱和三轴蠕变仪进行了基质吸力控制条件下的三轴蠕变试验,研究发现:（1）当施加的偏应力较小时,黄土的变形较小,并具有一定程度的可恢复性,随着偏应力的增加,土颗粒需经过较长的时间才能够移动到新的位置,达到新的平衡,当偏应力增加到一定程度时,颗粒移动难以达到平衡,土样发生破坏。（2）在其他条件相同的情况下,围压与试样产生的变形量呈负相关,且围压越小,变形达到稳定所需的时间也越长;（3）在围压和偏应力水平一定的情况下,土体的变形量随基质吸力呈负相关,且基质吸力越小,蠕变曲线达到稳定所需的时间越长。     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

确定渗析平衡时间的数值模拟方法

渗析法是一种测量非饱和土基质吸力的重要方法,而测量结果是否准确,控制渗析的时间非常重要。基于有限元数值分析软件SEEP/W,建立渗析法的数值模型,分析渗析的试验过程,研究溶液吸力、土样水力参数、初始重力含水率、初始干密度以及土样大小等因素对吸湿条件下非饱和黏土渗析平衡时间的影响。结果表明,随着渗析时间的增加,土样与溶液之间的吸力差逐渐变小,渗析过程变慢;试验用土样不宜过大,对于较小土样,多数条件下土样的渗析平衡时间约为1.5~8.0 d;当溶液吸力较大或土体饱和渗透系数较小时,渗析平衡时间大大增加;渗析平衡时间随土-水特征参数a、n、饱和渗透系数、初始含水率及干密度的增大而减小,随饱和体积含水率的增加而增加。     

非饱和土的清华弹塑性模型

为研究土在非饱和增湿情况下的应力、应变和强度关系,提出将含水率引入清华模型的硬化参数中建立非饱和土的清华弹塑性模型。通过在干土中掺加冰屑的方法进行增湿试验,表明该模型可以预测不同含水率的非饱和土的应力-变形和强度关系,从天然风干状态增湿到其他含水率的应力-应变全过程的计算结果也与试验结果相符合。将含水率直接引入弹塑性模型而不去研究复杂的基质吸力,可能是非饱和土本构模型工程应用的一条简便途径。     

基于平面应变试验的非饱和膨胀土强度分析

介绍了非饱和土强度理论的研究现状,总结了FREDLUND提出的吸力内摩擦角 的性质与规律研究,根据FREDLUND非饱和土强度理论和吸力内摩擦角 的计算方法,利用原状膨胀土的平面应变等应力比卸荷试验,分析得到土样破坏时应力状态下得到的吸力内摩擦角 > ,与FREDLUND提出的吸力内摩擦角 的变化规律不一致,分析认为,是由于卸荷试验过程导致微裂隙的张开,引起基质吸力的降低,有待于继续深入研究。     

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。     

考虑细观结构演化的非饱和Q_3原状黄土弹塑性本构模型

Q_3原状黄土是典型的非饱和土,具有明显的结构性,其力学变形特征与结构性密切相关。建立黄土的本构模型有必要考虑加载和湿陷过程中结构演化特征,才能真实地反映原状黄土的固有特性。假设原状黄土的屈服应力是重塑黄土与结构性两者的耦合,基于细观结构演化规律,考虑吸力和结构性的影响,提出了一个非饱和Q_3原状黄土的弹塑性本构模型。模型包括土骨架变形与水量变化两个方面,土骨架变形方面以修正Barcelona非饱和土弹塑性模型为基础,引入通过CT三轴试验获得的Q_3原状黄土加载-湿陷过程中的结构演化方程,分别得到描述土骨架在加载和湿陷过程的本构模型,以突出加载和湿陷过程中结构性对变形的影响;水量变化方面则采用广义土-水特征曲线描述,以反映净平均应力和偏应力对持水性的影响。模型总计22个材料参数,均可由试验确定。通过对比若干试验数据与模型计算结果,初步验证了模型的合理性。建立的考虑结构性的弹塑性本构模型为深化认识黄土力学特性提供了可能,并为有效分析黄土地基湿陷变形提供了一定借鉴。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为的试验研究

降雨滑坡的水-力耦合过程和机理研究是开展准确预测预报的基础和前提。本研究选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析。研究揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水量、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。本研究基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为的试验研究

降雨滑坡的水-力耦合过程和机理研究是开展准确预测预报的基础和前提。本研究选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析。研究揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水量、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。本研究基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。