重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

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。     

干密度对路基性能的影响研究

通过滤纸法试验,测得3种干密度下的土-水特征曲线,拟合得到3种干密度下的Van Genuchten模型参数,分析干密度对土-水特征曲线及Van Genuchten模型参数的影响。通过室内回弹模量试验,分析压实度和含水率对回弹模量的影响,并建立回弹模量与压实度和含水率之间的关系式。基于水力耦合机制,结合试验结果建立地下水位变化作用下的路基湿度及变形的动态响应模型,计算地下水位从-6 m上升到-3 m后,路基的含水率和回弹模量分布以及路基的变形。计算结果表明,干密度对土-水特征曲线Van Genuchten模型参数产生显著影响,饱和体积含水率随着干密度的增大线性减小,残余体积含水率随着干密度的增大线性增大,参数a与进气值的倒数线性相关,参数n随干密度的增大线性增大;回弹模量随着含水率的增大而减小,随着干密度的增大而增大;地下水位上升导致路基土的含水率显著增加,回弹模量明显下降,引起不可忽视的路基变形;不同填筑压实度下,地下水位变化引起的路基变形差异很明显,控制路基土的压实度是提高路基土性能的有效途径。     

不同影响因素下非饱和红土土-水特征曲线的试验研究

以江西典型的红土为研究对象,利用GEO-Experts压力板仪进行不同影响因素下红土的土-水特征曲线试验研究。研究内容包括不同粒径、不同干密度、不同含水率、不同预固结压力、脱湿和吸湿循环以及反复脱湿和吸湿循环对土-水特征曲线的影响;通过三种常用的SWCC模型(Brooks和Corey模型、van Genuchten模型及Fredlund和Xing模型)对试验数据进行拟合和分析,找出适合江西典型红土的土-水特征曲线方程,并提出了模型中参数的取值范围;本文还提出了土-水特征曲线的双曲线模型,该模型对计算残余含水率非常方便,参数变化范围小,容易选取。     

压实宽级配砾质土干-湿循环效应研究

为探索在干-湿循环条件下,宽级配砾质土作为垃圾填埋场复合防渗系统中土工织物黏土垫和土工膜（GCLs/GM）防渗衬垫的保护层时其水力特性的变化规律,采用压力膜仪测试了土样干-湿循环作用下的土-水特征曲线参数,并借助van Genuchte方程和Fredlund 3参数方程拟合了0～3次干-湿循环的压实宽级配砾质土样的4条脱湿土-水特征曲线。结果显示：随着干-湿循环次数的增加,试样的土-水特征曲线在0～100 kPa的低吸力区间内逐渐变陡,含水率随吸力增加而逐渐减小,在位于400 kPa附近趋于平缓;干-湿循环过程中,试样的饱和含水率存在峰值,而残余含水率逐渐降低并趋于稳定;两种模型拟合的宽级配砾质土土-水特征曲线的差异不大,van Genuchte模型略优于Fredlund 3参数模型。在此基础上,将试验结果与已有文献中干-湿循环条件下的黏性土以及膨润土的土-水特征曲线进行了比较,表明作为防渗垫保护层的宽级配砾质土更有利于GCLs的吸湿与水化。     

盐渍土土水特征曲线测试及预测

作为一种特殊土,盐渍土有着独特的工程性质并由此引发了盐胀、溶陷等工程问题,其发生及发展均与土体含水量密切相关,不同含水量条件下土中的吸力也对土体工程性质有着较大影响.本文选取甘肃酒泉地区的盐渍土,室内利用Ku-pF非饱和导水率仪测试了不同干密度状态下盐渍土试样的土水特征曲线,发现渗透吸力的存在使得盐渍土试样的土水特征曲线转化阶段较一般土平缓,同一含水量条件下土中的吸力较一般土大,土体持水能力有所增强.不同干密度试样土水特征曲线的测试结果表明,干密度增大后土中大孔隙减少,中、小孔隙增多,孔隙连通性变差,导致土样饱和含水量降低,进气值增大,失水速率减慢,土体持水能力有一定增强.对比国内外广泛使用的模型对实测盐渍土土水特征曲线进行拟合,发现Fredlund and Xing模型能较好地反映盐渍土土中吸力与含水量的关系.最后,基于盐渍土的颗粒累积分布曲线及其基本物理指标,依据Fredlund物理-经验预测模型的理论和方法,预测了不同干密度盐渍土的完整土水特征曲线,以期为盐渍土地区土体工程性质的研究和预测提供理论支持和有益参考.     

土-水特征曲线的分形特性及其分析拟合

为了建立一种参数有明确物理意义的土-水特征曲线拟合方法,基于分形理论,给出了一种直接通过土-水特征曲线实测数据求解分维数的计算方法,建议了一种土-水特征曲线拟合分析的分形模型。为验证所建议拟合方法的合理性,采用液压千斤顶制作了7个不同干密度黏性土试样,利用压力板仪测量了土-水特征曲线。基于土-水特征曲线实测值计算了分维数,在此基础之上对土-水特征曲线实测数据进行分析拟合。结果表明：分维数计算及拟合分析时,7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间,从而证明了土-水特征曲线具有良好的分形特性,建议的拟合方法效果较好。此外,研究发现,分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加,据此建议了一种不同压实度下的土-水特征曲线预测方法,其预测结果与实测值吻合较好。     

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。     

水泥土应力-应变特性真三轴试验研究

采用研制的真三轴仪对水泥土进行等小主应力 、等中主应力参数b真三轴试验,研究中主应力参数、小主应力对水泥土应力-应变特性的影响。试验结果表明,相同?3条件下,水泥土应力-应变曲线的初始切线模量、破坏强度均随b的增大而增加,破坏时的大主应变则随b值的增大而减小;水泥土破坏强度与中主应力参数b近似呈线性关系,直线斜率随?3的增加而增大。对于相同b值,水泥土的应力-应变曲线初始切线模量、破坏强度、破坏时的大主应变均随?3的增加而增大;水泥土破坏强度与?3近似呈线性关系,且随b值的增大,线性关系更加明显。随着中主应力和?3的增大,水泥土应力-应变曲线逐渐由软化型向硬化型过渡。破坏应力比则随?3的增加和b值的增加而逐渐降低。获得了水泥土的广义Tresca准则和广义Mises准则模型参数,对比分析表明广义Tresca准则更适用于水泥土。     

非饱和土脱湿与吸湿水力特性对比研究

非饱和土水力相互作用特征曲线(土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线等)的获取在非饱和土斜坡的渗流和力学分析中有着至关重要的作用。目前,大多数试验方法中最适合确定脱湿状态的是土水特征曲线,但能够反映降雨过后斜坡短期内入渗和径流现象的反而是吸湿状态。基于此,采用瞬态脱湿与吸湿的试验方法 (TRIM),在短时间内获取该类土脱湿和吸湿条件下全吸力(0~10~6k Pa)范围内的土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线,并对其脱湿与吸湿路径下的水力特性、模型参数及滞后特性进行了对比研究。结果表明,土的脱湿过程与吸湿过程的土-水特性明显不同,两种路径下的非饱和渗透系数、进气值、饱和渗透系数等参数均存在差异,而这种差异体现了吸应力的滞后特性,而这种滞后性足以诱发该类土的滑坡。这一研究结果对提高土-水特征曲线参数拟合的精度、提高试验效率及降雨型滑坡灾害的防灾预警具有一定的实用价值。     

Laboratory Investigation of the Effect of Initial Dry Density and Grain Size Distribution on Soil–Water Characteristic Curves of Wide-Grading Gravelly Soil

Wide-grading gravelly soils are often encountered in debris flow source areas. To perform stability analyses under rainfall conditions, the soil–water characteristic curves (SWCC) are significant. However, the studies for SWCC of wide-grading gravelly soils are rare. In order to investigate the effects of initial dry density and grain size distribution on the SWCCs of wide-grading gravelly, a large-scale osmotic column, allowing the measurement of both volumetric water content and matric suction at various levels, was fabricated for a series of osmotic column tests. The test data were best-fitted to Van Genuchten equation using a least-squares algorithm and found that both the initial dry density and grain size distribution had a greater effect on the SWCCs. An increase in the initial dry density resulted in an increase in water retention capacity. The air entry value and residual volumetric water content increased linearly with increases in the initial dry density, whereas the maximum slope of SWCC decreased linearly with increases in the initial dry density. The air entry value and residual volumetric water content increased linearly with increases in the fine content (particle diameter <0.075), whereas the maximum slope increases linearly with increases in the effective size, d ₁₀.     

On the soil water characteristic curves of poorly graded granular materials in aqueous polymer solutions

Tempe cell with a self-developed horizontal hanging column attachment was used to measure the soil water characteristic curves (SWCCs) of granular materials initially saturated with either water or polymer solutions. For SWCCs of six poorly graded granular materials with d ₅₀ ranging from 0.04 to 0.7 mm in water, it was found that (1) as grain size decreases, air entry value increases, and matric suction (ψ) for the funicular and pendular regimes increases and that (2) steep desaturation curves over narrow ψ range in the funicular regime were observed. Air entry values obtained from the fitting parameter 1/α in van Genuchten SWCC equation fall in the boundaries calculated from the pore throat sizes in both simple cubic and face-centered cubic packings. A toroidal meniscus water model, which incorporates the measured surface tension and contact angle values between aqueous solutions and solid surfaces, was proposed for the SWCC in pendular regime and was compared to well-received numerical methods. This toroid model successfully depicts SWCC of poorly graded granular materials in water. However, SWCCs predicted by this toroid model underestimate the degree of saturation in the pendular regime for Ottawa 20–30 sands in polymer solutions. Herschel–Bulkley fluid, which is a type of non-Newtonian fluids, is postulated to increase the ψ needed to drain the polymer solution due to the nonzero shear stress intercept. In addition, it is also postulated by scanning electron microscopy and optical confocal imaging results that the rough surfaces of Ottawa 20–30 sand, which have many micron-sized “kinks”, together with the possible chemical attractions, help retain the polymer solutions on the solid surfaces, or water film.     

土-水特征曲线与核磁共振曲线的关系

土-水特征曲线在非饱和土的研究中扮演着重要的角色,其预测方法的研究具有重要的科学意义。以武汉黏性土为研究对象,在土-水特征曲线试验和核磁共振（NMR）试验的基础上,利用Fredlund-Xing模型对试验数据进行拟合分析。结合KST模型和Young-Laplace理论,建立了基质吸力与土体中孔隙水的弛豫时间（T2）之间的理论关系式,试验结果表明该理论关系式并不能简单有效的描述基质吸力与T2值之间的实际关系。基于土-水特征曲线和NMR试验结果,建议了基质吸力与T2值之间的经验关系式,在此基础之上,给出了基于NMR曲线的不同初始干密度非饱和黏性土土-水特征曲线的预测方法。     

非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究

非饱和土中存在的基质吸力对其性质有着十分重要的影响,而基质吸力又与土的含水率之间存在着密切的关系。为了探讨基质吸力与非饱和红土含水率和密度之间的关系,采用滤纸法在试验室进行了基质吸力的量测,得到了不同干密度下非饱和红土的土-水特征曲线,拟合出了该类非饱和红土土-水特征曲线公式。试验结果分析表明：在相同的干密度下,随着含水率的增加,基质吸力呈现出急剧减小的趋势。当含水率 <24 %时,这一变化规律特别明显。对参数 分析发现,在非饱和状态下基质吸力对红土强度的提高是有限的。通过分析不同干密度对基质吸力的影响规律得出,基质吸力在含水率较高时对密度状态的变化不敏感,而在含水率较低时对密度状态的变化比较敏感。     

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。     

击实黄土孔隙结构对土水特征的影响分析

土水特征曲线是非饱和土的基本土物理-力学关系,即将含水率这一物理参数转化为土粒间力的作用,土水特征曲线受土的结构控制。为了探讨击实黄土孔隙结构对土水特征曲线的影响,本文在3种不同的初始含水率（小于最优含水率8%、最优含水率17%和大于最优含水率19%）下制备不同结构的击实黄土试样,分别用压汞试验测其孔隙分布曲线,用滤纸法测其土水特征曲线,并用扫面电镜获得其微观结构图像。对以上测试结果的分析表明,3种击实土样的孔隙分布曲线在相应的大孔径范围内相差较大,在小孔径范围内趋于一致;土水特征曲线在低吸力区差异较大,小于最优含水率的击实黄土土水特征曲线最陡;在高吸力区,3种击实土样的土水特征曲线趋于一致,这与孔隙分布特征一致。对比孔隙密度分布曲线与土水特征区曲线发现,土的土水特征受孔隙分布的控制,孔隙密度越大,土水特征曲线的斜率越陡。SEM图像也显示出3种击实土样的结构特点,小于最优含水率的土样有较多架空孔隙,优势孔径最大;高于最优含水率的土样,大孔隙减少,小孔隙增多,优势孔径最小。而最优含水率的击实黄土的孔隙分布较均匀,优势孔径覆盖范围大。