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。     

压实度与级配对路基重塑黏土土-水特征曲线的影响

对重庆路基黏土采用压力膜仪量测了不同压实度重塑土样脱湿过程的土-水特征曲线（SWCCs）、采用体积压力板仪量测了不同压实度、不同级配重塑土样脱-吸湿过程的土-水特征曲线。试验结果表明：（1）压实度超过90%以后,不同压实度的SWCCs在其直线段范围相互靠近,即在路基土基质吸力平常变化范围的SWCCs逐渐趋于稳定;（2）随着压实度的增大,脱-吸湿循环滞回圈逐渐上移,曲线由陡变缓。表明随着压实度的增大,土体的储水系数逐渐减小,土中的水分更不易吸入和排出,对路基的稳定有利;（3）相同含水率下,大约以压实度85%为界,压实度小于85%的黏土样和大于85%的黏土样的基质吸力基本上不随压实度（干密度）的变化而变化;（4）相同压实度和含水率状态下,粗粒含量多的土吸力更小,SWCCs的滞回圈更小,即干湿循环的影响更小。因此,粗粒土较细粒土更适合用作路堤填料     

干湿路径影响粉土小应变剪切模量的试验研究

天然土尤其是地表浅层土常处于非饱和状态,其小应变剪切模量是预测地基变形及土工结构物动力反应的一个重要参数。通过对非饱和压实粉土三轴样进行弯曲元试验,研究了吸力和干湿路径对其小应变剪切模量的影响。试验结果表明,非饱和压实粉土样的小应变剪切模量各向异性忽略不计;小应变剪切模量G0(vh)、G0(hh)和G0(hv)均随吸力增大而非线性增大;同一吸力下不同干湿路径上的土样,饱和度不同,其小应变剪切模量随饱和度升高而减小,主要原因是土的平均骨架应力和土中毛细水的作用。根据试验结果对非饱和土小应变剪切模量的半经验公式进行了改进,同时考虑了吸力与饱和度的作用。     

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。     

环境湿度可控的土体小应变刚度试验系统

为研究脱湿过程中饱和度改变对土体小应变刚度的影响规律,自主研制了一套非饱和土小应变刚度试验装置。该装置由3部分构成：相对湿度控制系统、变形测试系统和波速测试系统。相对湿度控制系统可分级提供环境室内相对湿度,通过称重模块记录土样质量变化;变形测试系统利用图像采集结合数字图像处理技术获得土样体变;波速测试系统采用压电陶瓷元件制作的波速传感器,可同时测试土样脱湿过程中压缩波及剪切波波速。试验结果表明：该装置能够分级稳定控制相对湿度环境、间接测量土样体积变化及实时测试弹性波波速,进而研究波速表征的小应变刚度随饱和度的变化规律;土样剪切波速及小应变剪切模量随饱和度的降低逐渐增加,压缩波速及小应变体积模量随饱和度的降低先减小后增加。该装置结构简单,便于操作,为研究非饱和土小应变刚度特性提供了科学有效的测试方法与试验手段。     

非饱和粉质粘土固结压缩特性及体变试验研究

为进一步研究与基质吸力相关联的非饱和土固结压缩特性,扩展非饱和土固结理论在工程实际中的适用性,通过分析非饱和粉质粘土水土特征曲线变化规律,对非饱和土固结变形机理进行研究。试验结果表明：非饱和土的最终沉降量仅与土骨架的压缩模量有关。对于不同饱和度的非饱和土而言,固结速度随初始饱和度的增加而减小,饱和土固结过程所需要的时间比非饱和土固结过程所需要的时间短。由于孔隙流体的压缩性导致高饱和土体的瞬时沉降比低饱和土体的瞬时沉降小,但高饱和土体的后期固结沉降受饱和度和吸力的影响,比低饱和土体要大得多。      

非饱和路基土水分运移的室内试验研究

模拟路基填土的实际情况,研究设计了不同表面辐射温度和降雨强度的非饱和土水分运移的室内试验方法。通过测定土样在相应边界条件下土体不同深度位置的含水率随时间的变化,揭示了温度、压实度、降雨强度3个因素对非饱和土水分运移影响的规律,据此探讨了路基填土的水分运移规律,认为提高压实度能显著减少水分运移变化。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

任意干湿路径下非饱和土的水力耦合本构模型

大量试验表明饱和土样经历脱湿过程进入吸湿阶段后,在高饱和度区域,残余气体会以封闭气泡的形式分布在土样孔隙中,此时土样呈现较大的压缩性,当吸湿过程结束基质吸力再为0 kPa时,土样并不会达到完全饱和状态。韦昌富等(2008)提出的非饱和土的本构模型没有考虑残余含气量的影响,认为土样在吸湿过程后仍能达到完全饱和状态,这与实际情况有一定偏差。为了更精确地模拟真实情况,基于考虑不同残余含气量的毛细滞回内变量理论和忽视残余含气量影响的非饱和土的水力耦合本构模型,提出了考虑不同残余含气量影响的非饱和土的修正本构模型。通过和实测数据的比较,修正模型可以较好地模拟任意干湿路径下的非饱和土力学特性。     

路基煤矸石填料土-水特征曲线试验研究

煤矸石作为煤层开采和洗选过程中产生的废弃料,常用于路基填筑。压实的路基煤矸石填料存在双孔隙群结构,其土-水特征曲线（SWCC）具有双台阶现象。而SWCC与土体非饱和渗透系数密切相关,对路基内部水分运移以及路基长期累积变形有重要影响。为了探究压实度、粉粒含量、最大颗粒粒径对双台阶SWCC的影响,对路基煤矸石填料进行了一系列压力板试验,并采用描述双台阶SWCC的Bi-V-G公式拟合实测SWCC,分析了模型参数变化规律。试验结果表明,粉粒含量为5%时,不同压实度试样SWCC均存在双台阶现象;粉粒含量为50%时,随着压实度增大,试样SWCC由双台阶形过渡为单台阶形,在0.90和0.95压实度之间存在一个界限值,双台阶现象消失;增大压实度、提高粉粒含量或减小最大颗粒粒径,均会使SWCC台阶高差减小。随着压实度增大或粉粒含量提高,模型参数 、 （与进气值有关的参数）和 、 （与排水程度有关的参数）值均逐渐减小,试样大、小孔隙部分均进气值增大,持水能力提高。     

The consolidation characteristics of an unsaturated compacted soil

The compacted soils are extensively employed as mineral liners or a sealing system, constructed under municipal solid waste and other containment hazardous materials to prevent or minimize the leakage of pollutant liquids and gases into ground water and sublayers. This article presents a detailed experimental study on settlement characteristics, which are required for the construction of a sealing system. For the experimental study where a compacted unsaturated soil taken from Adana in Turkey has been used, a special equipped consolidation cell has been designed and constructed. The matric suction adopted as independent stress-state variables has been controlled by using the axis translation technique. The consolidation tests have been performed under constant matric suction. Furthermore, the pressure plate tests for various net vertical stresses have been conducted. The test results have indicated that the settlement characteristics of a compacted soil as mineral liners and covers are highly affected by matric suction. The water retention capacity of mineral liners, an important factor for hydraulic conductivity, also changes with the vertical load. The compressibility decreases as the matric suction increases. It has been observed that there exists an exponential relationship between the compressive indexes (C _t, D _t) and matric suction.     

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。     

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。     

Free-Swell and Swelling Pressure of Unsaturated Compacted Clays; Experiments and Neural Networks Modeling

Expansive soils have received attentions of several investigators in the past half of century in the problematic soils context. Volume change behavior of unsaturated compacted soils in presence of water and change of degree of saturation was observed in two form of heave or collapse. Low water content and low density compacted soils in presence of enough surcharge pressure lose stability and collapse, because of their metastable and susceptible structure to change of degree of saturation. Free-swell and swelling pressure of five compacted clays, covering low to high plastic clays have been investigated in respect to compaction states and swelling pressure was compared with collapse pressure threshold. The results of experiments were utilized in two Artificial Neural Networks to predict free-swell percent and swelling pressure of a soil sample based on index properties and compaction state.     

高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究

高铁路基粗颗粒土的水力学特性对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。而对这种高压实度的粗颗粒土,常规非饱和土试验仪器存在试样尺寸小、制样难度大的缺点,难以应用。介绍了一种用于测试高压实度路基粗颗粒土-水力学参数的试验装置,利用张力计和时域反射计量器,分别测量路基粗颗粒土在浸湿、干燥阶段不同高度处土体基质吸力、介电常数的变化情况,获得高压实度下高铁路基粗颗粒土土-水特征曲线;并通过瞬态剖面法获得路基粗颗粒土非饱和渗透系数与基质吸力的关系。试验结果表明,该套装置能够适用于最大粒径为20 mm的粗颗粒土,试样压实度最大可达到0.95。通过对一组试验结果分析,并结合Ekblad等试验结果,发现随着填料细颗粒含量增大,?（与进气值有关的参数）值逐渐减小,土体进气值增加;粒径越大,细颗粒含量越低,土体储水能力越低,对应n（与排水程度有关的参数）值越大。为路基粗颗粒土-水力学参数的测定提供了方法。     

An unsaturated hydraulic conductivity model for compacted GMZ01 bentonite with consideration of temperature

As one of the most important properties of compacted bentonite used as buffer/backfill materials, hydraulic conductivity is influenced by various factors including temperature, microstructure and suction (or degree of saturation), etc. Based on the readily available results of both temperature-controlled water-retention tests and unsaturated infiltration tests under confined (constant volume) conditions, influences of temperature and microstructure variations on unsaturated hydraulic conductivity of the compacted Gaomiaozi (GMZ01) bentonite were analyzed. Then, a revised unsaturated hydraulic conductivity model considering temperature effects and microstructure changes was developed. With this proposed model, prediction and comparison were made on the unsaturated hydraulic conductivity of the compacted GMZ01 bentonite at 20 °C. Results show that water-retention capacity of compacted GMZ01 bentonite decreases as temperature increases and the degree of the temperature influence depends on suction. Under confined conditions, influence of hydration on microstructure of compacted GMZ01 bentonite depends on pore size. The proposed model can well describe the variations of unsaturated hydraulic conductivity with suction at different temperatures. However, further improvement of the proposed model is needed to account for the phenomenon of inter-aggregate pores clogging that occurred at the initial stage of hydration of compacted GMZ01 bentonite under confined conditions.     

非饱和上海软土水力和力学特性耦合弹塑性模拟

目前大多数非饱和土的弹塑性本构模型用非饱和击实土的试验结果进行验证,但现场其他类型的土,如沉积土经常有在非饱和状态下外部环境变化的情况。现有的非饱和土弹塑性模型是否适用于沉积土一类的现场土是需要研究的课题。进行非饱和上海第③层土的吸力控制排水排气三轴剪切试验,使用文中提出的能统一考虑非饱和土水力性状和力学性状的弹塑性本构模型,预测上述三轴试验结果,并与试验数据进行比较。比较结果显示,建立的本构模型能够很好地预测非饱和上海软土的水力和力学性质,说明该模型不仅可以适用击实土的预测,还能够很好地适用于其他类型非饱和土的水力和力学性质的模拟。     

非饱和压实土率敏性及蠕变时效特征试验研究

为研究部分饱和状态下高填方回填土工后长期变形,对非饱和压实土在可控基质吸力下分别开展率敏性和蠕变试验,并分析两者间时效对应关系。率敏性试验采取不同加载速率的三轴剪切,分析基质吸力（0、100、200、300 kPa）、加载速率（0.40、0.02 mm/min）以及超固结比（1、4和8）对土体强度和变形特征的影响,并确定三轴剪切蠕变的三级加载应力水平为抗剪强度的0.45、0.65、0.85倍;在4种可控基质吸力（0、100、200、300 kPa）下参考陈氏加载法,按三应力水平分级加载开展非饱和压实土三轴剪切蠕变试验。试验结果表明：随着基质吸力的增加,其率敏性参数ρ 减小,其率敏性降低;随着基质吸力逐渐增大,其蠕变初始最大速率、稳定蠕变速率以及蠕变变形量均显著减小;蠕变试验确定的应变速率−应变关系线与率敏性试验获得的应变速率−应变数据点基本吻合,证明两者间存在一定时效对应关系,且随着基质吸力的增大,这种时效对应关系更显著。