非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

某滑坡土体土-水特征曲线试验研究

利用能够控制基质吸力的4联式非饱和土直剪仪,对清江流域古树包滑坡滑带土体进行了不同固结应力条件下土-水特征试验,得出了土-水特征曲线并进行了函数拟合。结合土-水特征曲线拟合函数,经过数学推导确定了函数中各个参数的物理意义,建立了能够同时反映固结应力、基质吸力和含水率之间关系的函数表达式,弥补了其他方法不能考虑固结应力的缺陷,对补充和发展土-水特征曲线试验和理论具有重要意义。     

辽西风积土路基土水特征曲线试验研究

基于土水特征曲线对工程性质的重要性,利用SDSWCC压力板仪和GDS饱和-非饱和应力路径三轴试验系统,详细研究了不同干密度、干湿循环次数和净平均应力对辽西风积土土水特征曲线的影响,并采用常用的3种模型,使用数学方法对所测数据进行拟合。试验结果表明,低基质吸力阶段,干密度、干湿循环和应力作用对风积土土水特征曲线影响显著:干密度更大时,土体内部孔隙率降低,饱和含水率降低,进气值升高,持水性能更好;干湿循环作用下,随着循环次数的增加,饱和含水率增高,失水速率变大,进气值降低,持水性能减弱,但3次干湿循环后趋于稳定;应力作用下土体发生收缩变形,密度变大,其产生的影响规律与干密度相似。高基质吸力阶段,三者的影响均很小。曲线拟合分析表明,Van Genuchten模型的拟合精度最高,能够更好地描述和预测辽西风积土的土水特征曲线。研究结果揭示了辽西风积土力学、工程性质与其它地域土体的一致规律,以及风积土自身独有的特性,为广泛开展的风积土路基、桥基等工程提供了判定风积土性质的参考和依据。     

土-水特征曲线的试验研究及曲线拟合

土-水特征曲线是非饱和土力学研究中的一条重要曲线,其拟合参数对于分析非饱和土的各种性质具有重要意义。基于渗析法及滤纸法试验,测定了合肥市某工地非饱和膨胀土的土-水特征。以van Genuchten模型为基础,采用科学计算语言Matlab中的Lsqcurvefit函数对试验结果进行了曲线拟合,分析了土-水特征曲线拟合参数的多解性及其影响因素。拟合结果表明：渗析法试验得到的吸力范围偏低,拟合参数多解性较为明显;综合2种试验结果,可以得到较大吸力范围内的土-水特征曲线,且参数多解性较小;参与土-水特征曲线拟合的试验数据点的吸力范围应足够大,试验数据点应能够代表整条曲线的形状,试验点不必太过于密集,否则土-水特征曲线拟合参数的多解性较为明显;另一方面,只要试验数据点能代表整条曲线的形状,试验数据点的个数不必太多。这一研究结果对提高土-水特征曲线拟合参数的精度、提高试验效率有重要指导意义。     

压实度与级配对路基重塑黏土土-水特征曲线的影响

对重庆路基黏土采用压力膜仪量测了不同压实度重塑土样脱湿过程的土-水特征曲线（SWCCs）、采用体积压力板仪量测了不同压实度、不同级配重塑土样脱-吸湿过程的土-水特征曲线。试验结果表明：（1）压实度超过90%以后,不同压实度的SWCCs在其直线段范围相互靠近,即在路基土基质吸力平常变化范围的SWCCs逐渐趋于稳定;（2）随着压实度的增大,脱-吸湿循环滞回圈逐渐上移,曲线由陡变缓。表明随着压实度的增大,土体的储水系数逐渐减小,土中的水分更不易吸入和排出,对路基的稳定有利;（3）相同含水率下,大约以压实度85%为界,压实度小于85%的黏土样和大于85%的黏土样的基质吸力基本上不随压实度（干密度）的变化而变化;（4）相同压实度和含水率状态下,粗粒含量多的土吸力更小,SWCCs的滞回圈更小,即干湿循环的影响更小。因此,粗粒土较细粒土更适合用作路堤填料     

不同影响因素下非饱和红土土-水特征曲线的试验研究

以江西典型的红土为研究对象,利用GEO-Experts压力板仪进行不同影响因素下红土的土-水特征曲线试验研究。研究内容包括不同粒径、不同干密度、不同含水率、不同预固结压力、脱湿和吸湿循环以及反复脱湿和吸湿循环对土-水特征曲线的影响;通过三种常用的SWCC模型(Brooks和Corey模型、van Genuchten模型及Fredlund和Xing模型)对试验数据进行拟合和分析,找出适合江西典型红土的土-水特征曲线方程,并提出了模型中参数的取值范围;本文还提出了土-水特征曲线的双曲线模型,该模型对计算残余含水率非常方便,参数变化范围小,容易选取。     

氯盐渍土土-水特征曲线的试验研究

采用滤纸法和压力板法测定不同含盐量盐渍土的土-水特征曲线（SWCC）,探讨土中含盐量对盐渍土土-水特征曲线的影响。试验结果表明,粉土中含盐量对基质吸力土-水特征曲线的影响不大。采用滤纸法测得的总吸力与基质吸力之间的差值随着土中盐溶液浓度的增加而增加,且该差值要大于相同浓度纯盐溶液的渗透吸力,其原因是由于土颗粒表面对溶液吸附作用引起的,用滤纸法测得的基质吸力土-水特征曲线处于脱湿曲线和吸湿曲线之间。采用蒸汽平衡法测定Whatman 42号滤纸在高吸力阶段的总吸力的率定曲线,使得高吸力时用滤纸法测定吸力更为精确。     

路基煤矸石填料土水特征曲线试验研究

煤矸石作为煤层开采和洗选过程中产生的废弃料,常用于路基填筑。压实的路基煤矸石填料存在双孔隙群结构,其土水特征曲线(SWCC)具有双台阶现象。而SWCC与土体非饱和渗透系数密切相关,对路基内部水分运移以及路基长期累积变形有重要影响。为了探究压实度、粉粒含量、最大颗粒粒径对双台阶SWCC的影响,对路基煤矸石填料进行了一系列压力板试验。并用描述双台阶SWCC的Bi-V-G公式拟合实测SWCC,分析了模型参数变化规律。试验结果表明,粉粒含量为5%时,不同压实度试样SWCC均存在双台阶现象;粉粒含量为50%时,随着压实度增大,试样SWCC由双台阶形过渡为单台阶形,在0.90和0.95压实度之间存在一个界限值,双台阶现象消失;增大压实度、提高粉粒含量或减小最大颗粒粒径,均会使SWCC台阶高差减小。随着压实度增大或粉粒含量提高,模型参数α_1、α_2(与进气值有关的参数)和n_1、n_2(与排水程度有关的参数)值均逐渐减小,试样大、小孔隙部分均进气值增大、持水能力提高。     

土-水特征曲线与核磁共振曲线的关系

土-水特征曲线在非饱和土的研究中扮演着重要的角色,其预测方法的研究具有重要的科学意义。以武汉黏性土为研究对象,在土-水特征曲线试验和核磁共振（NMR）试验的基础上,利用Fredlund-Xing模型对试验数据进行拟合分析。结合KST模型和Young-Laplace理论,建立了基质吸力与土体中孔隙水的弛豫时间（T2）之间的理论关系式,试验结果表明该理论关系式并不能简单有效的描述基质吸力与T2值之间的实际关系。基于土-水特征曲线和NMR试验结果,建议了基质吸力与T2值之间的经验关系式,在此基础之上,给出了基于NMR曲线的不同初始干密度非饱和黏性土土-水特征曲线的预测方法。     

土-水特征曲线的分形特性及其分析拟合

为了建立一种参数有明确物理意义的土-水特征曲线拟合方法,基于分形理论,给出了一种直接通过土-水特征曲线实测数据求解分维数的计算方法,建议了一种土-水特征曲线拟合分析的分形模型。为验证所建议拟合方法的合理性,采用液压千斤顶制作了7个不同干密度黏性土试样,利用压力板仪测量了土-水特征曲线。基于土-水特征曲线实测值计算了分维数,在此基础之上对土-水特征曲线实测数据进行分析拟合。结果表明：分维数计算及拟合分析时,7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间,从而证明了土-水特征曲线具有良好的分形特性,建议的拟合方法效果较好。此外,研究发现,分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加,据此建议了一种不同压实度下的土-水特征曲线预测方法,其预测结果与实测值吻合较好。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

考虑循环温度驱动的土−水特征曲线滞后模型

在温度、水头等边界条件往复变化时,土体内的水分迁移过程会出现滞后效应。为了模拟非饱和土在经历温度循环时水力特性,提出了一个能够反映滞后效应的经验模型,该模型假定各扫面线的曲线形态与对应边界线相似,因此利用土−水特征曲线中两条边界线的方程,无需引入新的参数,即可得到任意状态出发的扫描线方程。以高岭土为介质,设计了循环温度驱动下的土柱试验,在不透水的土柱内,利用水浴加热的方式使土样一端进行升降温循环。试验结果表明,升温后孔隙水会从高温端向低温端迁移,温度降低到初始状态后,含水率的分布不会完全恢复到初始状态,而是表现出一定的滞后效应。利用该滞后模型进行数值计算,可以较好地反映试验过程中滞后效应对土体含水率变化的影响,并结合已有的砂土、粉土试验结果,验证了该模型的有效性。该模型计算方法简单,易于通过程序实现,可应用于地质处置、供热管道设计等工程问题。     

多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟

目前对于土体的干湿循环过程中变形、强度变化规律研究较多,而对经过多次干湿循环后土-水特征曲线的试验研究较少。由于吸力平衡需要时间太长,对干湿循环过程中土-水特征曲线的研究也多限于单次的干湿循环试验。但考虑到实际岩土工程中气候条件的多变性和自然环境的复杂性,一般土体均要经历多次干湿循环,因此,对多次干湿循环后的土-水特性曲线研究显得非常重要。结合已有的试验数据总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律,通过引入一个与干湿循环次数有关的函数,提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的方法。本方法仅需土-水特征曲线的首次干湿循环脱湿与吸湿曲线和塑性指数,就可以预测多次干湿循环后的土-水特征曲线。     

郑开下穿越工程非饱和土土-水特征曲线室内试验研究

利用气相法和渗吸法,对郑州至开封下穿越工程降水施工引起的非饱和砂质粉土和粉质黏土的土-水特征曲线进行了室内试验研究。研究结果表明,非饱和砂质粉土和粉质黏土的进气值约为2 kPa和250 kPa,残余饱和度对应的吸力值约为15 MPa和28 MPa,两种非饱和土的减饱和过程都具有明显的阶段特征。通过该工程非饱和土土土-水特征曲线的分段性研究,对于工程降水施工以及掌子面加固等有重要的指导意义。     

杭州湾浅层储气砂土的持水特征曲线试验研究

利用GDS三轴系统4D应力路径模块,进行了不同围压下含浅层生物气非饱和砂土的持水特征试验。分析不同围压对持水特征曲线形态的影响。结果表明,随着围压的施加与增大,非饱和砂土持水能力逐渐减弱。应用所得持水特征曲线进行含浅层气砂土中气藏压力状态的分析预测,结果表明,使用无围压下持水特征曲线进行预测是偏于安全的     

地震荷载下煤矸石路基变形室内试验与数值模拟分析

通过对重塑煤矸石试件进行动三轴试验,研究了随机地震荷载作用下的煤矸石路基填料震陷特性。依据正弦循环荷载作用下的试验结果,获得了不同轴向固结压力下的煤矸石震陷变形特性经验公式;并运用FLAC3D对辽宁阜新某煤矸石路基进行了地震荷载作用下的响应分析。试验表明：煤矸石轴向累积应变随动荷载幅值增加而增大,呈指数关系;震陷试验中,煤矸石试件变形规律经历了振动压密、振动剪切和振动破坏三阶段,与普通路基填料类同,表明煤矸石作路基填料是可行的。数值模拟表明：地震荷载超越概率10％时,路面残余变形不大,路基整体处于稳定状态;地震荷载超越概率2％时,路基边坡将出现滑动带,处于危险状态,且震后残余变形较大。以上研究成果为煤矸石路基抗震设计提供了一定的试验依据,具有较为重要的工程应用价值。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。