非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展

将制样含水率分别小于和大于最优含水率制备得到的红黏土(称为干侧样和湿侧样),通过轴平移技术(ATT)或蒸汽平衡技术(VET)施加吸力后,用非饱和土三轴仪开展同一净应力下的吸力控制三轴剪切试验,分析制样含水率对压实红黏土强度特性的影响。试验结果表明：无论是干侧样还是湿侧样,土体的峰值强度和剪胀量都随着吸力的增大而增大,且高吸力试样表现出明显的剪胀和软化力学特性。此外,相同吸力下,干侧样的峰值强度和剪胀量均大于相应湿侧样的试验结果,证实了制样含水率会对压实红黏土的力学特性产生重要影响。相同吸力和孔隙比的干侧样和湿侧样压汞试验结果表明,干侧样和湿侧样的孔径分布曲线存在明显差异,干侧样为双峰型孔径结构,湿侧样则为典型的单峰型孔径结构。进一步量化分析后确定,干侧样峰值强度大于相应的湿侧样,主要是由于干侧样的大孔径(d>0.2 μm)累计体积量小于相应湿侧样的大孔径累计量引起的。而且,土体的峰值强度随大孔径累积体积量的增大而呈指数减少。     

非饱和土固结理论新进展

总结了国内外多年来在非饱和土固结理论领域研究的主要理论成果,内容包括国内外非饱和土固结理论研究的概况,涉及线性、非线性、弹塑性和结构性等方面,非饱和土固结理论的研究具有非常好的应用前景。但非饱和土固结理论还很不成熟,有待广大科研工作者的进一步研究。     

非饱和土与特殊土力学及工程应用的研究进展

对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结,内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。文中对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面,详细讨论了持水特性、水气运移特性、结构演化、强度特性、应力理论、本构模型和数值分析;在特殊土研究进展方面,涉及16类土,主要介绍了我国广泛分布的黄土和膨胀土及用于高放废物地质处置库的缓冲材料,对其土压力、增湿变形、蠕变特性、浸水试验、边坡、动力特性和地质灾害等有关问题作了详细讨论;在非饱和土与特殊土力学的应用方面,介绍了两方面的进展:理论成果的工程应用和实用技术的研发。文末对今后的研究工作提出了若干建议。     

非饱和土与特殊土力学及工程应用的研究进展

对非饱和土与特殊土力学及其工程应用的近期进展做了全面系统的总结,内容包括仪器研发、基本特性、理论模型和工程应用。文中对非饱和土的应力理论和本构模型及缓冲材料的热力学特性等前沿科学问题做了重点阐述。在非饱和土的基本问题研究进展方面,详细讨论了持水特性、水气运移特性、结构演化、强度特性、应力理论、本构模型和数值分析;在特殊土研究进展方面,涉及16类土,主要介绍了我国广泛分布的黄土和膨胀土及用于高放废物地质处置库的缓冲材料,对其土压力、增湿变形、蠕变特性、浸水试验、边坡、动力特性和地质灾害等有关问题作了详细讨论;在非饱和土与特殊土力学的应用方面,介绍了两方面的进展:理论成果的工程应用和实用技术的研发。文末对今后的研究工作提出了若干建议。     

第1届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会(第1号通知)(2013年10月12-13日,重庆)

主办单位:中国土木工程学会土力学及岩土工程分会非饱和土与特殊土专业委员会承办单位:中国人民解放军后勤工程学院协办单位:重庆交通大学兰州理工大学机械工业勘察设计研究院西安理工大学     

非饱和土直渗仪的研制与应用

基于对非饱和土-黄土灾害的认识,设计了一套非饱和土垂直渗流实验仪。实验仪器包含降雨、径流、渗流(取样)以及富集等装置,可以较好地模拟大气降水、灌溉水等在黄土中入渗、富集过程,获得土体渗流路径、入渗锋面移动速度、渗透水量等参数; 可以建立径流量-时间关系(径流速度)、雨水入渗锋面位移-时间关系(渗流速度)、渗流量-时间关系(富集速度),对黄土灾害(滑坡、崩塌、泥流等)研究具有重要意义。采用实地原状黄土试样进行实验,结果表明:实验仪器能够较好获取所需要的黄土渗透参数,简单而有效。     

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。     

新书《非饱和土与特殊土力学》内容及特色简介EI北大核心

陈正汉教授新著《非饱和土与特殊土力学》一书,获2022年度国家科学技术学术著作出版基金资助,于2023年2月由中国建筑工业出版社出版发行,大16开本,共1100页,分为上、下卷(照片附后)。该书内容是作者及其学术团队40年来在非饱和土与特殊土力学领域创新成果的系统总结和结晶,分为六篇31章。     

非饱和土土力学工程应用方法

通过引入文[1]提出的广义朗肯土压力计算公式,本文针对非饱和土主动(被动)土压力计算问题提出了工程应用方法,能够把非饱和土土压力理论应用于实际工程。该方法可以推广到非饱和土地基承载力、边坡稳定等其他领域,从而为非饱和土土力学理论应用于工程实践提供了一个新的思路。     

非饱和土向上渗流试验仪的研制与应用

地下水(潜水)位上升,在黄土(非饱和土)中会产生一种特殊的渗流现象向上渗流。为了探索黄土中的向上渗流规律,研制了非饱和土向上渗流试验仪。试验仪器由补水装置、渗流装置、连接管及试验台等部件组成,可用来模拟不同水势压力(定水头压力)条件下潜水位上升的水土作用过程。该试验仪不仅可直接观察水在土中向上渗流的过程、渗流锋面形态及变化,而且可以获取渗流锋面位移-时间关系(渗流速度)、渗流压力-渗流速度关系等渗流特征参数,揭示向上渗流规律,服务于黄土灾害(滑坡、崩塌、地面沉降等)研究。基于此试验仪器,采取两组原状非饱和离石黄土,对其均分别进行定压力水头为1cm、5cm、10cm的向上渗流模拟试验,试验结果表明:试验仪器能够较好模拟定水头压力条件下潜水位上升的水土作用过程、直观再现水在土中的向上渗流以及获取所需的向上渗流特征参数,具有一定的应用前景及价值。     

新时代岩土力学基本问题探究北大核心CSCD

“一带一路”新时代背景下大规模的工程建设,推动着岩土工程学科的繁荣和蓬勃发展。土动力学、非饱和土与特殊土力学与环境岩土工程是未来土力学的重点研究方向,有必要进行系统梳理分析。本文从土工动力测试技术、动本构关系和土-结构动力相互作用方面对土动力学的主要内容进行了阐释,然后从非饱和土有效应力原理、非饱和土本构模型及黄土力学特性方面对非饱和土与特殊土力学的基本理论进行了分析,最后对垃圾填埋处置和水土污染等环境岩土工程亟待解决的问题进行了探索,并提出了合理的应对措施。土力学学科面临着极大的发展机遇,也面临着严峻的挑战,这一系列核心问题的解决,必将为全面提升岩土工程项目建设的质量和效益作出贡献。     

非饱和土的清华弹塑性模型

为研究土在非饱和增湿情况下的应力、应变和强度关系,提出将含水率引入清华模型的硬化参数中建立非饱和土的清华弹塑性模型。通过在干土中掺加冰屑的方法进行增湿试验,表明该模型可以预测不同含水率的非饱和土的应力-变形和强度关系,从天然风干状态增湿到其他含水率的应力-应变全过程的计算结果也与试验结果相符合。将含水率直接引入弹塑性模型而不去研究复杂的基质吸力,可能是非饱和土本构模型工程应用的一条简便途径。     

成层非饱和土渗流的耦合解析解

成层土在工程中很常见,研究降雨过程中成层非饱和土的渗流-变形耦合对非饱和土土力学的发展具有重要的意义。由流体质量守恒,Darcy定律和Lloret等的非饱和土本构模型可得成层非饱和土渗流-变形耦合的控制方程。采用Gardner的非饱和土的渗透系数公式以及Boltzman模型,基于Laplace变换得到耦合方程的解析解。解析及其参数分析表明,渗流和变形耦合是具有时间效应的。与吸力变化相关的土的模量F,对成层土的孔隙水压力分布有明显影响。两层土的F差异越大,孔隙水压力消散得越慢,耦合效应越不显著。增大表层土的F值有利于降低耦合效应。成层土饱和体积含水率变化对吸力变化产生有限的影响     

Bearing capacity of unsaturated expansive soils

It is difficult to determine the bearing capacity of a foundation in unsaturated expansive soil, although this is most important. The bearing capacity of unsaturated expansive soil is related to the drying and wetting environment. Swelling pressure occurs when the soil volume change is constrained as an expansive soil is inundated. The expansive lateral pressure, induced by the swelling pressure is similar to the passive earth pressure. By considering the effect of the expansive lateral pressure in Terzaghi's bearing capacity formula, the bearing capacity of unsaturated expansive soil is derived. Because it is very difficult to measure suction in situ, the bearing capacity is expressed using the expansive lateral pressure offers a feasible approach to calculate the bearing capacity of a foundation in unsaturated expansive soil, when suction is not measured. Plate load tests to measure the bearing capacity in situ were performed for the foundation in natural soil and saturated soil immersed by water. The verification of the bearing capacity formulae presented in this paper is conducted by comparing the predicted results with the results of the plate load tests on unsaturated expansive soils in Handan and Bingxia, China.     

铜离子在非饱和土中迁移的离心模型试验研究

利用土工离心机考察了铜离子泄漏后6个月至3年的时间里非饱和土中铜离子的变化和污染物的迁移机理。通过4种黏性上的离心模型试验研究，总结出铜离子在这类土体中的扩散规律。铜离子在一年内，主要受重力影响和水力梯度的作用，随渗流运移，存在一个舌状竖向扩散峰，污染范围近似呈三角形；一年后扩散范围逐渐转变为近似的正方形。竖向扩散速度高于水半向。土体密实度对铜离予的扩散有较为明显的影响，有效的击实或者碾压有助下防止污染物迁移。黏粒含量对铜离子的迁移阻碍非常迅速而且有效，黏粒含量很小的变化都会对迁移范围和速度有较大的影响。     

非饱和土广义有效应力原理

综述了非饱和土有效应力的沿革,并就非饱和土有效应力的研究和发展中存在的问题进行了讨论。基于多相孔隙介质理论推导得到的变形功的表达式,提出了非饱和土广义有效应力原理。该原理认为,由非饱和土中的单应力变量的有效应力或双应力变量理论很难唯一地确定非饱和土的变形和强度。广义有效应力原理实质上就是要综合考虑影响非饱和土变形和强度的三种广义应力以及与其对偶的广义变形,给出考虑因素更为全面、理论基础更为坚实的广义有效应力原理。它为非饱和土基本性质的研究和本构方程的建立奠定了坚实而科学的理论基础。     

Explicit approximate analytical solutions of seepage‐deformation in unsaturated soils

An approximate analytical solution is presented for the coupled seepage and deformation problem of unsaturated soils. Because of the matric suction dependence of both saturation and permeability coefficient, the coupled governing equations are strongly nonlinear. To obtain an analytical solution, these coupled governing equations are linearized and analytically solved for a specified saturation using the eigenfunction method. Then, the obtained analytical solutions are extended to the entire saturation range. Comparison between the current solution and the previous theoretical solution indicates that the proposed solution yields excellent results. Due to its analytical nature, the proposed procedure can be effectively used to obtain the solution of the coupled seepage and deformation of unsaturated soils.     

Analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in unsaturated soils

An analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation is derived using a Fourier integral transform. Exponential functional forms are used to represent the hydraulic conductivity–pore‐water pressure relationship and the soil‐water characteristic curve. Fredlund's incremental‐linear constitutive model for unsaturated soils is adopted. The analytical solution considers arbitrary initial pore‐water pressure distributions and flux and pressure boundary conditions. The corresponding analytical solutions to coupled steady‐state problems are also obtained. The analytical solutions demonstrate that the coupling of seepage and deformation plays an important role in water infiltration in unsaturated soils. In the early stages of infiltration, the difference between uncoupled and coupled conditions becomes marked over time, and in late stages, the difference caused by the coupling effects diminishes toward the steady state. The difference between the uncoupled and coupled conditions increases with decreasing desaturation coefficient (α). Pore‐water pressure or deformation changes caused by the coupling effects are mainly controlled by the degree of soil volume change due to a change in soil suction (H). The smaller the absolute value of H, the greater the effect of coupling on the infiltration and deformation. The ratio of rainfall intensity to saturated permeability (q/k_s) also has a strong influence on the coupled seepage and deformation. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.     

非饱和粗颗粒土体的冻结试验研究

按照实际工程中路基填料的级配要求配制试样,在考虑覆盖层和补水条件下进行室内单向冻结试验,开展了土质、温度梯度和温度边界条件对非饱和粗颗粒填料冻胀特性的影响研究。试验结果表明：土质、温度梯度和温度边界对粗颗粒填料的冻胀特性影响显著。其中混合细粒的冻胀量最大、黏质黄土次之、粉质黏土最小,且其对应的试样顶部、冻结锋面处的含水量及外界补水量均具有相同的大小关系。温度梯度越大,冻胀量越大,试样顶部含水量越高,但冻结锋面处的含水量变化比较小,同时外界补水量越小。试样冷端温度边界越低,冻胀量越小,试样冷端含水量越小,但外界补水量越大。