冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究

采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同NaCl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明：冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。     

表面波有效相速度近似分析方法

分层介质中瑞利面波有多个模态,表面瞬态响应是多个模态响应的叠加。在近场,面波模态响应传播速度随传播距离而变化;在远场,其趋于模态相速度。由分层介质表面两不同点响应互谱分析(SASW)得到的有效相速度并不对应于面波基阶模态相速度,它与波场中高阶模态能量分配比例有关。有效相速度随传播距离而变化,近场体波对有效相速度影响较大。对分层介质在简谐荷载下表面质点位移响应进行了互谱分析,得到了有效相速度理论值,通过理论值与测试值匹配分析可估算分层参数,该分析方法考虑了近场及高阶面波模态对有效相速度的影响。     

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。     

不同水力路径下非饱和粉质土的破坏与变形特性

通过压力板仪、temple仪和直剪仪对非饱和粉土经过脱湿之后和不同含水量状态分别进行抗剪强度试验研究。试验结果表明:如果采用净应力来描述,非饱和土的有效粘聚力随着含水量的增大而减小,或随着基质吸力的增大而增大,但有效内摩擦角基本保持不变。当饱和度相同时,经过脱湿之后的土体有效粘聚力较大,反映出滞回效应。如果采用有效应力来描述,抗剪强度曲线则归一化为一条临界状态线,而与含水量大小和水力路径无关,从而证明了采用有效应力的合理性与有效性。在修正剑桥模型基础上,将饱和度和基质吸力作为内变量,提出屈服强度的硬化函数,建立渗流与变形耦合模型,从而可以考虑前期降雨历史对非饱和土边坡稳定性的影响。     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。     

正冻土水热迁移的移动泵模型

通过引入脉冲函数将流量边界条件转化为源（汇）项,冻结锋面处的假想泵从未冻土中抽吸水分并储存在冻结锋面附近的狭窄区域.将水分扩散方程在整体求解域上等效分解为两个方程,避免了处理移动冻融边界的难题.在一个分解方程中引入汇项以表达未冻区水分的流出,在另一个分解方程中引入相同大小的源项以表达冻土中水分的聚集.将移动泵模型相关场方程和变量输入COMSOL Multiphysics模拟软件的数学模块中,对一个封闭系统非饱和土冻结过程中水分和温度的变化过程进行了数值模拟,将模拟结果与前人试验和模拟结果进行了对比.     

软土固结系数刍议

在土的固结分析中,要正确估算土体中超静孔隙水压力的消散与沉降过程,重要的是确定可靠的固结系数C_v值.通过在天仙一级公路软弱地基路基工程沿线选择的二个试验场地上开展原位试验及室内试验,并结合珠江口某海区软土的固结试验数据,研究软土固结系数的规律,探讨其确定方法.研究表明：（1）由原位孔隙水压力消散试验得到的固结系数C_v值比室内高压固结试验时间平方根法所得到的相应值大一个数量级;（2）由室内高压固结试验时间平方根法所得到的固结系数C_v值大于时间对数法、反弯点法、三点法及司各脱法所得到的C_v值.（3）由于反弯点法、三点法及司各脱法确定固结系数C_v值有其各自的优点,在实际工程中均值得去尝试和推广.     

利用溢出量数据确定非饱和土-水力学参数

在Wei & Muraleetharan基于非饱和土两相流交界面上的动态相容条件提出的多孔介质热动力学混合物理论模型基础上,推导出能描述溢出量与时间关系的溢出量演化方程。根据溢出量演化方程,结合一定变化规律的基质吸力序列,建立了给定基质吸力序列作用下利用多步流动试验瞬态溢出量数据确定非饱和土-水力学参数的方法。通过对低液限粉土、低液限黏土的多步流动试验研究发现,利用瞬态溢出量数据的拟合来确定非饱和土-水力学参数的方法而得到的各基质吸力作用下试样饱和度和渗透系数预估值,与联合测试系统测得的各基质吸力作用下试样的饱和度及渗透系数接近。     

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。     

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。