非饱和重塑黏土渗透性试验研究

工程中常常遇到非饱和土渗流问题,其渗透性是非饱和土的重要研究内容。采用常规压力板仪详细研究了重塑黏土在3种不同击实功和5种不同击实含水率下的土-水特征曲线,并用变水头法测量了相应的饱和土渗透系数。结合土水曲线和饱和渗透系数,基于Van Genuchten模型和Fredlund模型,详细探讨了重塑非饱和重塑黏土在不同击实条件下的渗透性。结果表明,土样饱和渗透系数随着击实含水率的增大而减小,且随着基质吸力的增大土样渗透性差别逐渐减小。当试样吸力达到1 MPa时,可认为不同击实含水率下试样的渗透性基本相同;在轻型击实和简化轻型击实下,试样渗透性很相似。重型击实功下试样的渗透系数和轻型击实下土样渗透系数的比值 随着吸力的增大而逐渐增大,在饱和状态时比值约为1/100,当吸力达到1 MPa时比值逐渐稳定在1/10右。     

冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试中的应用

冷镜露点技术是一种快速测试非饱和土吸力的间接方法。本文简要介绍了冷镜露点仪的工作原理和试验方法,利用Decagon公司生产的WP4C冷镜露点仪测试非饱和成都黏土压实土样的总吸力,以Van Genuchten模型为基础,结合Origin软件对试验结果进行了曲线拟合,得到成都黏土的SWCC曲线,并给出拟合参数参考值。借助CT-3031型电导率仪测得土样的渗透吸力,由基质吸力等于总吸力减去渗透吸力,间接得到土样的基质吸力-含水率关系曲线。对比滤纸法测试相同土样得到的SWCC曲线,得出相同含水率时冷镜露点技术测得的吸力值低于滤纸法测得的值,和国外文献的相关结论一致,验证了冷镜露点技术测试吸力具有快捷、方便、准确等特点。指出冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试应用中是可行的,同时可推广到国内岩土工程相关领域的吸力测试中。     

降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究

非饱和土在不同含水率条件下的基质吸力及其抗剪强度对降雨型浅层土质滑坡的防治具有重要意义。以武陵山区湘西北慈利县陈溪峪滑坡为例,选取了滑坡不同位置的多组粉质黏土原状样,首先利用现场双环渗透试验测定其饱和渗透系数,通过室内土-水特征试验获取其水-力相互作用参数,并利用VG模型和Mualem模型分别得到试样的土-水特征(SWCC)曲线和渗透系数函数(HCF)曲线;进而开展非饱和土直剪试验,研究不同含水率条件下滑体粉质黏土的抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同水力路径下,粉质黏土土-水特征曲线和渗透系数函数曲线具有明显滞后效应,干密度越小则滞后效应越明显,基质吸力对体积含水率的敏感性就越小;粉质黏土由饱和状态到非饱和状态,基质吸力增大提高了黏聚力,导致土体抗剪强度不断增大。研究结论可为降雨型浅层土质滑坡的防治提供科学依据。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

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。     

干密度对非饱和膨胀土水分迁移参数的影响

研究了非饱和膨胀土的两个水分迁移参数--水体积变化系数 和渗透系数kw,得出非饱和膨胀土的水分迁移参数 和kw并非恒值,是基质吸力的函数,而基质吸力与含水率密切相关。因此,其参数大小随含水率变化而变化。此外,还明显受到干密度的影响,随干密度的不同而变化。取得了考虑干密度和含水率的水体积变化系数 、渗透系数kw和基质吸力之间的非线性关系,为进一步研究非饱和膨胀土地基水分场变化提供基础资料。     

黄河大堤非饱和土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,模拟实际工程中土体的受力条件,对黄河大堤非饱和土在不同围压条件下的土水特性以及非饱和土的强度进行了试验研究。试验表明：非饱和土基质吸力随着土体周围压力的增大而减小,随着含水率的增大而减小;非饱和土的有效摩擦角 值受含水量的影响不大。但总凝聚力 受含水率的影响较大,含水率越小,基质吸力就越大,总凝聚力亦越大。根据试验结果,提出了非饱和土的抗剪强度的拟合模型,该模型参数易于确定,与实测结果：拟合误差较小,满足非饱和土的强度计算精度要求。     

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     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

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。     

NaCl溶液对土体持水特性影响的试验研究

分别采用不同浓度的NaCl溶液对低塑性黏土进行饱和,然后进行压力板和蒸汽平衡法试验,获得整个吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）。分析不同浓度的孔隙溶液对SWCC的影响规律,结果表明：盐分对基质吸力的影响较小,对总吸力影响较大,这主要是因为盐溶液引起的渗透吸力所致。在蒸汽平衡法试验中,随着含水率的降低,孔隙浓度增大,渗透吸力增大。然而,基质吸力随着含水率的减小迅速增大,使得渗透吸力所占的比例逐渐减小。在非饱和土中,总吸力包括基质吸力和渗透吸力;基质吸力包括毛细部分和吸附部分,当土体中含水率较低时,主要是吸附效应在起作用;渗透吸力与溶液浓度有关。根据试验结果深入分析了吸附水膜和土颗粒之间的相互作用,得出由于溶质的存在对分子间吸附力的影响规律。根据表面化学原理,建立了分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的土-水特征曲线。     

非饱和压实膨胀土渗透特性的试验研究

压实膨胀黏土常用于防止填埋场中固体废物产生二次污染,或作为核废料处置库通道隔绝层,这主要取决于压实膨胀黏土衬垫层或隔离层的防渗特性,而这种压实膨胀黏土层通常又呈现出非饱和特性。基于GDS非饱和土三轴试验系统,开发拓展其试验功能,研究直接测量压实膨胀黏土的水渗透系数的试验方法,同时结合电镜扫描试验,从微观角度定量分析压实膨胀黏土渗透过程中产生的微观、宏观变化特征。结果表明,压实膨胀黏土在渗透过程中产生的体积变形主要是由于土孔隙中气体被压缩、孔隙微结构发生变化的结果;压实膨胀黏土水渗透系数受吸力、围压、干密度、饱和度等因素控制。     

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。     

基于有限元软件自定义本构模型的膨胀土边坡降雨入渗分析

降雨条件下,边坡土体吸水软化造成抗剪强度降低是引发边坡失稳的重要因素之一。雨水在边坡土体中的入渗过程是动态变化的,土体含水率（饱和度）也会随之发生持续变化,因此,研究土体抗剪强度在动态环境下的变化规律,对实时评价降雨工况下土体边坡的稳定性具有重要意义。文章以贵州省尖山营地区的膨胀土为研究对象,基于非饱和土强度理论,结合室内剪切试验数据分析了膨胀土的抗剪强度指标与土体含水率的关系,提出了以含水率为变量的抗剪强度公式;基于ABAQUS有限元软件平台的二次开发技术编写了USDFLD子程序,结合室内试验得出的土体抗剪强度变化规律,分析了降雨条件下土体含水率变化引起的强度衰减与土体重度变化对膨胀土边坡稳定性的影响。结果表明:随膨胀土含水率增加,土中颗粒吸水膨胀,颗粒间距缩小,矿物颗粒间的黏结作用逐渐增大,直至集合体空隙充水,吸力减小,黏结作用迅速减弱;膨胀土的抗剪强度总体呈递减趋势,其中,黏聚力先增后减,内摩擦角递减。应用ABAQUS有限元软件的二次开发技术可实现土体参数随含水率的动态变化而变化,为降雨条件下非饱和土边坡的有限元分析提供了一种新的技术手段。     

三门峡地区黄土状粉质黏土非饱和性质试验研究

以三门峡地区黄土状粉质黏土为研究对象,通过控制重塑土样的干密度及含水率制备不同状态下的试样,在改进的三轴仪上采用不排水试验法,分别对试样进行非饱和土三轴试验。试验结果表明,黄土状粉质黏土的基质吸力变化规律与土的基本状态有着密切关系,尤其是在相同含水率、相同围压、不同干密度的状态下基质吸力会随着饱和度的增加,出现先增后减的变化规律。通过单元土体中土颗粒组成的结构体参数,分析了这种变化规律。     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

PS加固对非饱和遗址土的渗透特性影响研究

高模数硅酸钾（简称PS）对西北干旱区的土遗址具有明显的加固效果,其加固后的土体也具有较好的渗透性。采用VJ-T非饱和土渗透仪和常规压力板仪测试了PS加固前后饱和样的渗透系数和非饱和土的土-水特征曲线(SWCC),并利用相关模型预测了非饱和土的渗透系数。结果显示,PS加固以后,在各个含水条件下的渗透性都有一定程度的提高,7%PS加固样表现非常明显。其原因是PS与土颗粒进行了非常复杂的物理化学变化,在反应中颗粒的几何形状发生变化,大量棱角弱化或消失,土颗粒磨圆度变好。同时,孔隙壁变得光滑、平直,孔隙弯曲因子减小,有效孔隙增大,这些因素导致了非饱和黏土的渗透性能有较大幅度提高。电镜测试分析了PS加固以后黏土颗粒及孔隙的变化,较好地验证了渗透性试验的结果     

ISS对不同初始含水率膨胀土的改良效果研究

离子固化剂(ISS)对膨胀土改良后,膨胀土稳定性会改善。为了分析研究不同初始含水率的膨胀土经过ISS改良效果,进行了膨胀土改良前后的剪切试验、界限含水率试验和自由膨胀率试验。通过改良前、后土体的抗剪强度、塑限、液限、塑限指数、自由膨胀率的变化规律研究,得出膨胀土的初始含水率在11%～30%区间时,改良后土体的膨胀性得到了消除,抗剪强度得到了明显提高; 初始含水率不在11%～30%区间时土样改良后仍具有一定膨胀性,抗剪强度提高不明显。这是因为,当膨胀土烘干时,靠毛细吸力吸附的固化剂量不能与所有黏土颗粒进行反应; 当膨胀土饱和时,靠溶液渗透到膨胀土表面的固化剂也不能与所有黏土颗粒进行反应。该试验结果对膨胀土现场改良时含水率的确定具有重要的指导意义。     

非饱和含黏土砂毛细上升试验研究

采用MP406水分传感器、WM-1负压计和DT80数据记录仪等设备,开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。研究表明：初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响,本套系统可测定毛细上升的实际高度,在土样渗透系数未知的情况下可对不同土样测定其毛细上升的最大高度;可根据湿润锋运动速度、土样含水率变化和吸力变化数值,确定非饱和土渗水系数,从而避免了渗透系数确定费时、费力的困难;可由吸力预测试样的渗水系数,只需测定该土的土-水特征曲线或进行吸力量测即可确定出该土在这一吸力下的渗水系数;并拟合出不同初始含水率试样的湿润锋随时间变化规律     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。