不同初始孔隙比下非饱和黏土渗透性试验研究及模型预测

不同初始孔隙比下非饱和土渗透系数的试验测量及预测,是进行非饱和土渗流分析及水-力耦合研究的基础,相关工作具有重要的意义。以湖南邵阳红黏土为例,利用千斤顶制备5种不同初始孔隙密度塑土样;采用压力板仪测量其土-水特征曲线;选用变水头法测量其饱和渗透系数;自制有机玻璃桶试验装置,采用瞬态剖面法进行非饱和渗透试验,测量不同初始孔隙比土样的非饱和渗透系数。选用CCG(Childs和Collis-George)修正模型和陶-孔模型预测非饱和渗透系数,并与实测值进行比较,验证模型有效性。以上述试验及模型预测的成果为基础,研究初始孔隙比对非饱和(相对)渗透系数的影响规律。研究结果表明:湖南非饱和黏性土渗透系数随基质吸力增加而降低,在低基质吸力阶段(100 k Pa以内)变化较为剧烈,在高基质吸力阶段(100 kPa以上)变化较为缓慢;CCG模型预测误差较大,陶-孔模型预测值与实测值总体吻合较好;进气值之后,初始孔隙比对非饱和渗透系数的影响较小,对非饱和相对渗透系数的影响较大,相同基质吸力条件下初始孔隙比越小,相对渗透系数越大。     

刚性挡墙后非饱和土破坏模式及主动土压力计算

目前主动土压力计算方法多仅针对土体处于饱和或干燥状态,忽略了其从非饱和到局部饱和,或饱和到非饱和的渐变过程,进而导致计算结果失真。鉴于此,首先开展了一系列刚性挡墙非饱和砂土主动土压力模型试验,揭示了墙后土体的破坏规律：（1）墙后土体顶部出现了近似竖直裂缝,且其发展深度随墙面粗糙度和含水率的增加而变大;（2）墙土界面摩擦对塑性区形状影响较小,且在挡墙移动过程中,墙后土体塑性区形状始终近似保持为平面。在试验基础上,引入广义有效应力原理,基于极限平衡分析建立了考虑吸应力效应的非饱和土主动土压力计算方法,理论与试验实测值表明,所提方法相比其他方法,更接近于试验值。分析了各主要因素对非饱和土压力分布规律的影响,结果表明：主动土压力随有效内摩擦角值增加而减少,而界面摩擦角对其分布影响较小;相比于无吸力情况,考虑吸力时主动土压力更小;随着进气值增加,吸应力对主动土压力的贡献减少,最终趋于恒定。     

非饱和粘性土中气体渗透特征

由于气体的进入形成了非饱和带,饱和土层中的气体渗透实质上是非饱和渗透问题。本文借助基于多孔介质气体渗流理论并考虑气体压缩性的、描述非饱和土中气体渗流运动的本构方程,试验研究了上海地区饱和粘性土层中的气体渗透规律。结果表明,饱水粘性土层中,气体渗透存在起始压力值,数值为100～200kPa, 与上海地区粘土的非饱和进气值较为接近;气体渗透速度与外界所施加的压力平方差梯度之间存在明显的分段特征。后者可能与在充满结合水的微孔隙通道中,只有一部分结合水在气压梯度的作用下发生流动,从而形成气体通道,施加的外力越大,形成的气体通道也越大,气体渗流也越明显。非饱和粘性土中气体渗透规律的研究,对于饱和粘土中的气压法施工,具有重要的理论与工程实践意义。     

基于土颗粒级配预测非饱和渗透系数函数的物理方法

针对非饱和渗透系数函数研究中引入未知经验参数会降低预测可靠度的问题,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体。通过分析两者的几何特征和物理性质,提出计算土孔隙半径的理论表达式;将每个粒组对应的孔隙简化为理想圆柱形孔隙,基于天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,结合Hagen-Poiseuille公式,构建预测非饱和渗透系数函数的物理方法。依据非饱和土水力特性数据库UNSODA中8个典型土样的持水试验结果验证了孔隙半径表达式在表征土孔径分布时的合理性。结合该数据库及已有文献中26个土样的非饱和渗透试验结果对物理方法进行了验证,通过计算非饱和渗透系数预测值与其实测值之间的相关系数发现其在0.703～0.999范围内变化,并对土样非饱和渗透系数与体积含水率关系的形态和吻合度描述较好,为研究土的非饱和渗透特性提供了一种无需引入未知经验参数的新方法。     

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。     

高庙子膨润土与砂混合物的土-水特征曲线

用滤纸法和压力板法对高庙子膨润土与福建砂的混合物进行试验研究,在不同孔隙比和不同膨润土与砂配合比情况下量测脱湿过程的土-水特征曲线,研究土-水特征曲线与孔隙比和配合比之间的关系。试验结果表明：在同一配合比下用饱和度与吸力表示土-水特征曲线时,其曲线随着孔隙比的减小向右上方移动,即当土样的吸力一定时,土样的饱和度随着孔隙比的减小而增大,当吸力小于10 MPa时,这种现象较为显著;在同一孔隙比下膨润土与砂混合物的土-水特征曲线随着膨润土的比例增加而向右上方移动,即混合物的进气值随着膨润土的比例增加而增大;另外,配合比以及孔隙比相同时,膨润土与福建砂的混合物的土-水特征曲线与日本产Kunigel膨润土与丰浦砂的混合物的土-水特征曲线非常接近。     

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。     

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

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。     

南京地区土体热导率性质测试与分析

通过对南京地区大量粘土和粉质粘土样品热导率值的测试,分析了土体热导率与其含水量、孔隙比的相关关系。对影响土体导热值的因素作了详细分析,提出了根据土体含水量、孔隙比值计算土体热导率的经验计算公式。     

红黏土工程性状的干湿循环效应试验研究

为研究湿热多雨气候条件诱发的干湿循环过程对红黏土长期性能的影响规律,对制样过程中干湿循环含水率变化幅度控制技术进行改进,制备不同干湿循环次数以及含水率变化幅度试样。利用固结排水三轴剪切与压缩试验,研究了干湿循环次数与干湿循环含水率变化幅度对压实红黏土工程性状的影响规律。结果表明,压实红黏土的黏聚力 与内摩擦角 均随干湿循环次数 的增加而衰减,首次干湿循环之后衰减效应最显著,其后较弱并趋于稳定, 的衰减程度小于c,且在低围压下的抗剪强度随干湿循环衰减更加显著;压缩模量E1-2随N的总体衰减规律与强度参数类似,但衰减幅度小于c而大于 ;随着干湿循环含水率变化幅度增大,压实红黏土c与E1-2略有减小, 基本不变,压实红黏土含水率在 4%变化范围内,具有相对稳定的力学特性。该研究表明,红黏土不宜直接用于填筑路床与边坡表层的填料,可以作为上下路堤堤心的填料,但必须采取防排水工程措施与边坡防护措施。     

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.     

有机质含量及组分对泥炭土物理力学性质影响

富含有机物质是泥炭土工程性质不良的主要原因。不同有机质含量及组分的泥炭土,其物理力学性质差异很大。为明确有机质含量的影响,对数十组不同有机质含量无定形泥炭土试样进行一系列室内试验,系统分析了物理、变形、强度及渗透性随有机质含量的变化规律;为比较有机质组分不同导致的工程性质差异,将以上无定形泥炭土物理力学指标与纤维泥炭土试验数据进行系统分析。结果表明:无定形泥炭土基本物理力学指标与有机质含量间有一定的线性关系,其中,初始孔隙比（e₀）、天然含水率（w₀）、液塑限（w_L、w_p）、黏聚力（c）随有机质含量增加线性增大,比重（G_s）、固结系数（C_v）和内摩擦角（φ）随有机质含量增大而减小。相较无定形泥炭土,纤维泥炭土比重小、含水率大、孔隙比大。抗剪强度方面,无定形泥炭土黏聚力随有机质含量增大而增大,较纤维泥炭土略高;内摩擦角随有机质含量增大而有下降趋势,约为纤维泥炭土的1/5～1/14。渗透性方面,无定形泥炭土的初始渗透系数（k_v0）及渗透指数（C_k）随有机质含量增大而减小,且普遍小于纤维泥炭土。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

重塑马兰黄土渗透性试验研究

为了研究干密度和初始含水率对重塑黄土渗透性的影响,对延安新区I期工程所取的重塑马兰黄土进行了饱和渗透试验。结果表明:在非饱和状态,干密度对饱和时间的影响最为显著,饱和时间随干密度的增大而增大,而初始含水率对饱和时间的影响不明显。重塑马兰黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小,其关系可以拟合为幂函数关系。在一定干密度范围内,渗透系数随初始含水率的增大而减小,其关系可以用直线关系拟合。渗透系数与孔隙比之间可以用幂函数关系拟合,渗透系数随孔隙比的减小而减小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影响重塑黄土渗透性的重要因素,其主要是通过对试样微结构的影响而影响渗透系数。该研究对延安新区的工程建设具有一定的理论指导和实际应用价值。     

Simulation of liquefaction of unsaturated soil using critical state soil model

Several researchers have reported that the mean effective stress of unsaturated soils having a relatively high degree of saturation gradually decreases under fully undrained cyclic loading conditions, and such soils can be finally liquefied like saturated soils. This paper describes a series of simulations of fully undrained cyclic loading on unsaturated soils, conducted using an elastoplastic model for unsaturated soils. This model is a critical state soil model formulated using effective stress tensor for unsaturated soils, which incorporates the following concepts: (a) the volumetric movement of the state boundary surface containing the critical state line owing to the variation in the degree of saturation; (b) the soil water characteristic curve considering the effects of specific volume and hydraulic hysteresis; and (c) the subloading surface concept for considering the effect of density. Void air is assumed to be an ideal gas obeying Boyle's law. The proposed model is validated through comparisons with past results. The simulation results show that the proposed model properly describes the fully undrained cyclic behavior of unsaturated soils, such as liquefaction, compression, and an increase in the degree of saturation. Finally, the effects of the degree of saturation, void ratio, and confining pressure on the cyclic strength of unsaturated soils are described by the simulation results. The liquefaction resistance of unsaturated soils increases as the degree of saturation and the void ratio decrease, and as the confining pressure increases. Furthermore, the degree of saturation has a greater effect on the liquefaction resistance than the confining pressure and void ratio. Copyright © 2017 John Wiley & Sons, Ltd.     

膨胀土CBR强度特性机制分析

以在建的周集-六安高速公路为依托工程,采集典型弱、中膨胀土开展系统的试验研究,探讨了膨胀土CBR强度随含水率、击实功和膨胀潜势的变化规律。试验研究表明：CBR峰值含水率要大于最优含水率,且膨胀潜势越高,击实功越大,CBR峰值含水率与最优含水率的差值越大。结合非饱和土气水状态理论,分析了膨胀土CBR强度特性的内在机制。研究发现,CBR强度特性的上述规律性,主要是由不同饱和度条件下膨胀土所处的气水状态所决定的。当饱和度小于界限饱和度时,土体处于非饱和状态,CBR强度随饱和度的增加呈指数增长,说明膨胀土的固有特性对CBR强度的影响很大;当饱和度大于等于界限饱和度时,膨胀土强度特性与饱和土类似,CBR强度主要受干密度控制。     

考虑变渗透系数的饱和黏土一维流变固结分析

为进一步探讨饱和黏性土的弹黏塑性和变渗透性对一维固结进程的影响,引入考虑时间效应的统一硬化（UH）本构模型描述饱和黏土的弹黏塑性,并用Taylor的经验关系式表示其渗透系数与孔隙比的关系,修正了太沙基一维固结理论,并利用有限差分法对方程进行求解。通过与一维流变固结试验结果对比,验证本文计算方法的有效性以及UH模型的适用性。在此基础上,讨论了UH模型参数、压缩指数与渗透指数的比值以及荷载强度等对固结过程的影响。计算结果表明:饱和黏土的黏滞性使得在固结初期地基内部出现了孔压升高现象,并减缓了固结中后期地基孔压的整体消散,增大了地基的沉降量,并且这种现象随着初始超固结参数的增大而更明显;另外,随着压缩指数与渗透指数比值的减小,地基固结进程会加快,但地基最终沉降量不受影响;同时,在固结后期,当压缩指数不大于渗透指数时,较小荷载强度对应的地基内孔压消散较慢,然而,当压缩指数大于渗透指数时,荷载强度对孔压消散的影响则相对很小。     

Effect of Soil Parameters on Dynamic Cone Penetration Indices of Laterite Sub-grade Soils from India

The focus of this study was on correlating the effect of grain-size, maximum dry-density (MDD), field moisture content, and the void ratios on penetration measured using the dynamic cone penetrometer (DCP) for laterite soils blended with fines. Tests were performed on soil samples compacted to MDD for moulding water contents set to the optimum moisture content (OMC), dry of OMC, and wet of OMC un-soaked condition. The results indicated that an increase in the fines-content caused a decrease in the MDD, and an increase in the OMC and the DCP penetration. Regressions were developed correlating various parameters.