非饱和土土-水特征曲线预估方法研究

在Wei等[1]基于多相孔隙介质非平衡渗流理论提出的多孔介质热动力学混合物理论模型的基础上,建立了一个能描述不考虑土骨架变形的非饱和土土-水特征曲线动态模型。依据非饱和土土-水特征曲线动态模型,推导出不考虑土骨架变形的气-水两相非饱和土的饱和度演化方程。利用饱和度演化方程并结合多步流动瞬态试验的成果,通过数值反演,提出了一种能利用多步流动瞬态试验数据快速确定非饱和土土-水特征曲线的方法。通过对低液限粉土及低液限黏土的多步流动瞬态试验研究发现,饱和度演化方程能较好地模拟非饱和土在小基质吸力步长变化下饱和度的变化规律。此外,通过对多步流动瞬态试验试样饱和度的模拟确定的非饱和土土-水特征曲线与联合测试系统测得的土-水特征曲线的结果较为一致。     

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。     

一种测定非饱和土-水力学参数的方法

详细介绍了非饱和土-水力学参数联合测试系统,该系统分别利用轴平移技术和达西定律测定非饱和土土-水特征曲线和水相渗透系数。通过试验结果对比可以发现,由联合测试系统确定土-水特征曲线与压力板仪溢出水校正称量法确定的土-水特征曲线接近,但由联合测试系统确定的试样残余含水率比使用压力板仪溢出水校正称量法确定的试样含水率要小;由联合测试系统确定的渗透函数,当饱和度较大时,实测值与模型预测值较为接近;当饱和度较小时,实测值与模型预测值相差较大。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

测定非饱和土土-水特征曲线的溢出水校正称量法

在利用压力板仪测定非饱和土的土-水特征曲线时,常用的取样称量法、溢出水称量法分别存在实测试样质量与实际试样质量不相等、实测排水量与实际排水量不相等等问题,从而造成试验结果失真。为此,溢出水校正称量法被引入用来消除取样称量法及溢出水称量法中存在的问题。通过取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的对比研究发现,在同一基质吸力作用下,由取样称量法、溢出水称量法确定的试样饱和度均小于由溢出水校正称量法确定的试样饱和度,并对该现象进行了解释。随后,对取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的适用范围进行了探讨。     

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。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

基于统计损伤理论的非饱和土简易本构模型

外部荷载与基质吸力的耦合作用使得非饱和土本构关系的构建极为复杂。本文首先开展了非饱和土的加载试验及脱湿试验,分析了非饱和土在不同基质吸力与外部荷载作用下的破坏模式及破坏规律。在此基础上,引进统计损伤理论,假定非饱和土是由众多强度服从Weibull随机分布的微元体组成的组合体,同时为考虑外部荷载与基质吸力对非饱和土变形的影响,采用扩展莫尔-库伦准则模拟微元体的承载能力,建立了非饱和土统计损伤演化方程,进而导得非饱和土的统计损伤本构模型,并基于常规试验提出了其主要参数的确定方法。     

考虑竖向附加应力作用的一维垂直土柱仪研制与应用

渗透系数是研究实际工程渗水问题的关键参数之一。以往对于非饱和土渗透系数的试验研究中,增湿工况较为单一,极少考虑竖向附加应力的影响。基于此,开发了一套一维垂直土柱试验装置以弥补这一缺陷。该装置主要由试验台架、土柱筒、竖向加载装置、供水装置、水分传感器、张力传感器以及数据采集系统等组成,可模拟竖向附加应力作用下降雨、积水入渗、毛细上升工况,可测定增湿过程中水的入渗量与浸润峰时程线、土柱竖向变形以及不同截面的体积含水率与基质吸力的时程曲线,基于瞬态剖面法可获得不同截面处增湿时土的非饱和渗透系数与吸力关系。最后,以兰州Q3非饱和粉质黄土为例,初步开展了不同竖向附加应力作用下土柱积水入渗试验,分析入渗量、湿润锋、体积含水率、吸力及竖向变形时程线变化规律,获取渗透系数与吸力关系的渗透函数变化规律,通过对比类似试验结果,表明试验结果符合渗水规律,验证了研制土柱仪的有效性,但其可靠性还需进一步研究。本试验装置为不同工况下非饱和土体变形、水分迁移规律及渗透特性研究奠定基础,并获得相应试验参数。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

两种快速测定非饱和土水力学参数方法的对比分析

非饱和土水力学参数包括土-水特征曲线和渗透函数是非饱和土研究的重要内容。鉴于传统的测试方法耗时较长,提出了能够快速测定非饱和土水力学参数的一步流动方法和动态多步流动方法,并利用联合测试系统分别开展流动试验。通过对比分析,这两种方法得到的试样平衡态土-水特征曲线均与实测值接近,并且有效地避免了由于测试时间较长高压气体通过水流在陶土板背面析出的问题。一步流动方法比动态多步流动方法需要的时间短,但反算得到的土-水特征曲线与实测值的接近程度不如动态多步流动方法,因此,动态多步流动方法要优于一步流动方法。     

Application of Hysteretic Trends in the Preconsolidation Stress of Unsaturated Soils

This paper involves an evaluation of a relationship describing the evolution in yield stress of unsaturated soils during hydraulic hysteresis, and an application of this relationship in an elasto-plastic framework to predict the compression curves of unsaturated soils under drained (free outflow of air and water with constant suction) or undrained (constant water content with no outflow of water and varying suction) conditions. The yield stress was quantified as the apparent mean effective preconsolidation stress obtained from compression tests reported in the literature on specimens that had experienced different hydraulic paths. It was observed that the preconsolidation stress does not follow a hysteretic path when plotted as a function of matric suction, but does when plotted as a function of the degree of saturation. Accordingly, an existing logarithmic relationship between the preconsolidation stress and matric suction normalized by the air entry suction was found to match the experimental preconsolidation stress results. This same relationship was also able to satisfactorily predict the trends in preconsolidation stress with degree of saturation by substituting the hysteretic soil–water retention curve (SWRC) into the place of the matric suction. The relationship between preconsolidation stress and suction was combined with an elasto-plastic framework to predict the compression curves of soils during drained compression, while the wetting-path relationship between preconsolidation stress and degree of saturation was combined with the framework to predict the compression curves of soils during undrained (constant water content) compression. A good match was obtained with experimental data from the literature, indicating the relevance of considering the hysteretic SWRC and preconsolidation relationships when simulating the behavior of unsaturated soils following different hydro-mechanical paths.     

一维稳态渗流时非饱和土中的基质吸力分布

首先对非饱和土中的土水势和干土吸水过程中土水势的变化进行了定性分析。然后利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立了非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式,并利用差分方法对稳态入渗和稳态蒸发两种情况进行了求解。根据提出的方法,不仅可以方便地得到基质吸力沿深度的分布,而且可以求出水头和导水系数沿深度的变化。     

测定非饱和土水力参数的一步流动方法研究

详细介绍了改进的常流速联合测试系统,该系统增加了气泡冲刷和量测装置,能够冲刷试验过程中溢出陶土板的气泡并测量气泡的体积,进而对溢出水量进行修正,使测量值更加接近于真值。使用该系统对试样进行一步脱湿、吸湿流动试验,得出溢出水量随时间变化的关系曲线,利用HYDRUS-1D水分运移模型对该曲线进行拟合并得出相关参数。根据这些参数,反算得出试样脱湿段和吸湿段的土-水特征曲线和渗透函数并和实测数据进行对比。结果表明,该方法能很好的拟合实测溢出水量随时间变化的关系曲线,通过模型得出的土-水特征曲线和实测值比较接近,证实了该方法的可靠性。并且,与传统的测试方法相比,该方法能够节约大量的时间。因此,通过一步流动试验测定非饱和土-水力学参数的方法是可行的。     

粉土基质吸力的新型量测装置与土-水特征研究

以非饱和土张力计原理为基础,制作了一种新型的基质吸力量测装置,并通过实测过程的不断总结与改进,得到了一种成本低廉、制作简单、操作便利、试验快速和结果可靠的非饱和土基质吸力量测装置,以此装置测定了不同体积含水率、不同压实度和干湿循环后粉土的基质吸力变化规律,得到了不同压实度粉土的土-水特征曲线,并通过Origin软件中的Boltzmann模型进行拟合对比分析,得到了与压实度相关的土-水特征曲线,比较了不同压实度粉土的含水率变化对基质吸力的不同影响特点。试验结果表明,干湿循环对粉土的基质吸力和强度有很大影响。     

基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献

非饱和土抗剪强度随饱和度降低、基质吸力增大而提高.然而,不同类型非饱和土中,基质吸力对抗剪强度的贡献却显著不同.本文通过室内试验,探讨了基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度贡献的基本特征.研究结果表明,非饱和重塑黄土抗剪强度随着基质吸力的增大,表现为非线性的和明显的4个阶段性增、降和逐渐稳定特征,且分段特征值与土-水特征曲...     

随机单裂隙饱和/非饱和渗透系数研究

裂隙易在降雨作用下诱发滑坡等灾害,裂隙的饱和/非饱和渗透特性是研究此类问题的关键。利用精密数控机床制作随机粗糙裂隙面,并研制了一套仪器进行此随机粗糙裂隙的渗流试验,得到了裂隙的饱和渗透系数,然后通过间接方法预测此裂隙的非饱和渗透系数。研究发现,当裂隙平均开度为0.4 mm时,其饱和渗透系数为0.1 m/s。通过立方定律得到的水力等效隙宽为0.35 mm,小于其平均隙宽。同时裂隙的渗透系数与平均隙宽的平方成正比,这与立方定律的趋势相一致。研究得到了不同隙宽裂隙的非饱和渗透系数函数,当基质吸力小于进气值时,渗透系数为一常数,即为饱和渗透系数;当基质吸力大于进气值时,裂隙板的渗透系数急剧减小。当裂隙板的基质吸力达到其残余含水率对应的吸力值时,裂隙板的渗透系数基本稳定。在此情况下,基质吸力的继续增加对渗透系数的影响非常小,很难使渗透系数减小。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

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...