土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。     

非饱和土力学中几个基本问题的探讨

近些年非饱和土力学的研究非常活跃,但对一些基本问题的认识并不一致,有时甚至概念混淆。针对非饱和土力学的几个基本问题：非饱和土状态变量的选择、非饱和土有效应力变量的选择、吸力概念的界定和轴平移技术的局限性、非饱和土的结构的表征方法等问题进行了分析和探讨。其中非饱和土状态变量和有效应力的选择对于非饱和土力学的理论和相应本构模型的建立具有重要影响,因此,首先深入讨论了这一问题,概括论述了非饱和土有效应力的演变并深入探讨了目前各种形式有效应力的优缺点。其次,指出由于受负压孔隙水气化（液-气相变化）的影响,在实际场地中大于某一界限值的基质吸力是不存在的;目前被广泛使用的轴平移试验技术却掩盖了这一情况,而基于此所建立的非饱和土强度和变形理论的适用性需要进一步的研究和论证。再次,指出非饱和土的结构除了包括组构和颗粒之间作用力的综合效应外,还建议增加孔隙水和孔隙气的分布以及各相之间的相互作用和物理-化学作用。最后对一些容易混淆的概念进行了梳理。其目的是希望国内同行在今后的研究中对这些问题加以关注,并建立正确的认识,促进非饱和土力学沿着正确的方向发展。     

非饱和土土-水特征曲线的温度效应

基于热力学的理论,利用van Genuchten的土-水特征曲线表达式,建立了一种能考虑温度影响的土-水特征曲线方程,并给出了推导过程。该表达式综合考虑了温度对表面张力和浸润系数的影响。相对于根据试验数据拟合的表达式,该表达式具有更加坚实的理论基础,更具适用性和一般性。选用MX-80斑脱土和黄土土样的试验结果,将该方程预测结果和试验结果进行了比较;可以看到,所提出的方程能较好地反映非饱和土土-水特征曲线随温度而变化的情况。     

区分毛细和吸附作用的非饱和土抗剪强度模型

基于对非饱和土中孔隙水毛细和吸附作用的区分,得到了一种机制明确的非饱和土抗剪强度模型。首先,假定两种非饱和土的特殊状态,即只存在毛细作用的理想毛细状态和只存在吸附作用的理想吸附状态。分别给出了这两种理想状态的抗剪强度模型,其中毛细作用的影响可表示为考虑气化过程的有效饱和度和吸力的乘积,吸附作用的影响可初步简化表示为表观黏聚力的最大值。其次,利用二元介质模型,认为非饱和土中土-水作用是由这两种理想状态的不同权重组合而成。通过气化概率分布函数,表示了实际非饱和土中两种理想状态的参与比重,建立了适用于较广吸力变化范围的非饱和土抗剪强度模型。最后,通过与试验结果及当前流行的模型拟合结果的对比,验证了所建立的模型的合理性。研究表明,在考虑吸力对非饱和土力学性质的影响时,应该区分吸力的不同作用。     

盐城、泰州在江苏率先实现矿业秩序根本好转

今年2月底和3月初，由杨维兴副厅长带队的省国土资源厅检查验收组对盐城、泰州两市的矿业秩序根本好转情况进行了检查验收。检查验收组听取了两市关于实现矿业秩序根本好转工作情况的汇报，检查了市和部分县矿政管理及规划等资料档案，并分别与两市领导交换了意见。在盐城，检查组实地查看了大丰、射阳砖瓦粘土开采现场以及阜宁砂矿开采和矿区复垦情况。在泰州，实地查看了二氧化碳的开发利用情况以及兴化、姜堰砖瓦厂合理利用资源情况。     

黏土的张拉-剪切耦合强度研究

现有的土体强度研究主要集中在土体受到压缩剪切作用,而针对单轴拉伸、拉剪耦合或多向拉伸作用的研究较少。当前土的联合强度理论仍建立在土体受压缩剪切作用的基础上,不适用于分析土的抗拉强度和拉剪耦合强度。针对饱和黏土中的拉剪联合作用,建立了饱和黏土的张拉-剪切耦合强度模型,给出了饱和黏土张拉-剪切耦合强度公式以及多向拉伸作用下的强度公式;基于已有的饱和黏土试验数据以及所做的饱和黏土室内试验数据对所建立的强度模型预测能力进行了验证,并与其他联合强度模型进行对比分析,检验了强度模型的适用性和准确性;强度模型全面、合理地描述了饱和黏土的压剪强度、张拉-剪切耦合强度及多向拉伸强度特征,为饱和黏土张拉-剪切耦合问题的解决奠定了理论基础。     

土力学理论的发展和面临的挑战

随着社会经济的不断发展,土力学所要分析和处理问题的范围越来越广,问题本身也越来越深入和复杂。这些问题主要是由于土与环境的相互作用而产生的。为了分析和处理这些问题,经典土力学需要拓宽和深入发展,它应该包含一些新的现象和新的变量以及相应的新理论。论述了土力学所面临的三大挑战,即①没有严格、统一和完备的土力学理论;②对更具一般意义的非饱和土的行为的研究不够充分,现有的认识也不完善;③没有在多种环境作用下土的统一和完备的多场耦合理论。还论及了其他一些超出经典土力学范围的问题。     

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。     

基于热力学并考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线模型

基于热力学内变量理论,提出能综合考虑毛细滞回效应和非饱和土体积变形影响的土-水特征曲线模型。热力学第二定律推导结果表明：毛细滞回现象和塑性变形本质上是一种耗散行为;吸力和饱和度的变化不仅与流相变化直接相关,而且也受到固相体积变化的约束与影响;土-水特征曲线的流相体积变化与固相变形之间存在相互耦合作用。从微观上阐明滞回现象产生的机制以及变形对吸力的影响,建立了考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线一般性模型。然后采用边界面塑性理论,在只增加两个新参数的情况下,建立了一个简化的能描述毛细滞回及塑性孔隙比变化影响的新模型。最后,利用已有试验数据对这一模型进行了验证,结果表明,新模型能考虑土体变形的影响,并能较为准确地描述毛细滞回现象,模型预测结果与已有的试验数据吻合较好。     

考虑组构变化效应的饱和密砂循环本构模型

为了真实地描述饱和密砂在循环加载过程中的变形行为,需要引入考虑剪胀阶段组构变化的宏观参量。在已有的基于状态参量的本构模型基础上,引入反映组构变化的剪胀内变量,简称组构-剪胀内变量z。以相变线PTL作为参考线,采用基于相变的状态参量判断砂土在初始时刻和任意时刻体积变形的变化趋势,并通过z对剪胀比d的影响,考虑反向加载过程中塑性变形的累积,建立了一个针对饱和密砂的循环加载的弹塑性本构模型。该模型根据试验现象将已有模型中的塑性剪切模量区分为首次加载模量与再加载模量,能较好地模拟排水情况下砂土循环加载的胀-缩变化过程。最后,针对密砂的三轴排水情况,利用文中模型进行预测,并把预测结果与试验结果进行比较,结果表明该模型能够总体反映砂土循环加载的变形行为。