基质吸力对非饱和离子型稀土抗剪强度的影响

掌握基质吸力对非饱和离子型稀土抗剪强度的影响,对于认清水对矿体强度的弱化作用具有重要意义。现场测试了矿体的土?水特征曲线和抗剪强度,由此得到基质吸力对矿体抗剪强度的影响特性,即随着基质吸力的增大,矿体的内摩擦角略有增大,黏聚力大幅增大。同时,根据进气值所代表的物理意义进行分析可知,当基质吸力小于进气值时,基质吸力对抗剪强度的贡献速率可看成一稳定值;当基质吸力大于进气值时,基质吸力对抗剪强度的贡献速率逐渐减小。由此,以进气值为分界点,提出非饱和强度改进模型,通过改进模型计算得到的抗剪强度贡献值与现场实测值的误差绝对值基本在15%以内,且优于其他模型预测结果,表明本文的非饱和强度改进模型是有效的。     

垃圾土渗透性和持水性的试验研究

通过室内常水头试验测定了垃圾土的饱和渗透系数,通过室内压力板仪试验测得垃圾土的土-水特征曲线。基于土-水特征曲线预测了垃圾土的非饱和渗透系数,并通过室内入渗试验进行了初步验证。常水头试验得到深层、中层和浅层垃圾土的饱和渗透系数分别为3.56×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2 cm/s。土-水特征曲线试验表明,垃圾土饱和含水率和残余含水率较高,进气值很小,土-水特征曲线在低基质吸力时存在陡降段,其中浅层垃圾土的陡于深层垃圾。验证试验表明,预测得到的非饱和渗透系数与实测结果接近,基于土-水特征曲线预测垃圾土非饱和渗透系数的方法基本可行。     

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。     

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。     

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。     

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。     

降雨条件下土坡饱和-非饱和渗流及稳定性分析

基于非饱和土力学理论,利用有限元法对降雨条件下边坡的饱和-非饱和渗流及稳定性进行了探讨。数值分析表明,雨水入渗使边坡非饱和区土体的基质吸力减小,是导致边坡稳定性降低的主要因素。进而考察了基质吸力的不同取值及裂隙的不同位置对边坡稳定性的影响,结果表明：在降雨初期基质吸力取值越大,得到的边坡安全系数越高,但经过长时间降雨即边坡土体基本达到饱和后,基质吸力的取值不同对边坡安全系数基本上没有影响;裂隙的存在为雨水入渗提供了良好的通道,因而导致边坡稳定性相对于无裂隙状态来说有所降低。降雨初期下游裂隙使边坡稳定性降低较快,但随着降雨历时的增加,即下游土体逐渐变为饱和状态后,边坡的稳定性变化则主要由上游裂隙控制。     

陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究

以实测土水特征曲线为基础,采用 Van Genuchten 模型,详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响。研究表明:不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与体积含水量呈现出近似直线关系,非饱和保德组红土渗透系数随体积含水量的增大而单调加速增大,且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水量的变化比较敏感。不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力之间呈现出指数函数关系,且非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大而减小,当土体干密度较大时,非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大变化较大,同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究

以实测土水特征曲线为基础,采用Van Genuchten模型,详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响。研究表明:不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与体积含水量呈现出近似直线关系,非饱和保德组红土渗透系数随体积含水量的增大而单调加速增大,且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水量的变化比较敏感。不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力之间呈现出指数函数关系,且非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大而减小,当土体干密度较大时,非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大变化较大,同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

Moisture Movement Through Cracked Clay Soil Profiles

A continuum mechanics approach is used for the formulation of unsaturated hydraulic conductivity functions and the water storage functions for fractured or cracked clay soils in this parametric study. Suggested procedures are based on available research literature related to the behavior of cracked unsaturated porous media. The soil–water characteristic curve, hydraulic conductivity and water storage functions take on the character of bi-modal unsaturated soil property functions. The bimodal character arises out of the independent behavior of the cracks and the intact clay soil. Matric suction changes beneath a slab-on-grade foundation placed on a cracked clay soil profile are modeled for varied surface flux conditions using the proposed unsaturated hydraulic conductivity and water storage functions. The impact of various levels of surface cracking on soil suction distributions is discussed. Suction distribution patterns are dependent on the initial soil surface suction. In particular, the results are dependent upon whether the initial matric suction is less than or greater than the air entry of the cracked clay. There is an extremely wide range of possible conditions that could be modeled but the parametric study results presented in this paper are limited to a series of selected crack widths and densities for an exfiltration case and an infiltration case.     

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     

一维稳态渗流时非饱和土中的基质吸力分布

首先对非饱和土中的土水势和干土吸水过程中土水势的变化进行了定性分析。然后利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立了非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式,并利用差分方法对稳态入渗和稳态蒸发两种情况进行了求解。根据提出的方法,不仅可以方便地得到基质吸力沿深度的分布,而且可以求出水头和导水系数沿深度的变化。     

原状非饱和黄土的三轴试验研究

利用特制的非饱和土三轴仪器,对不同含水量条件下原状非饱和黄土的强度和土-水特征曲线进行了试验研究。试验结果表明：非饱和黄土的抗剪强度随着含水量的不同而不同,含水量越大,非饱和黄土的基质吸力就越小,抗剪强度亦越小。含水量趋于饱和时,非饱和黄土的抗剪强度值逐渐接近于饱和黄土的强度值。原状非饱和黄土的抗剪强度均高于饱和黄土的抗剪强度。非饱和黄土的内摩擦角受含水量的影响不大。凝聚力受含水量的影响很大,含水率越大,基质吸力越小,总凝聚力越小。根据实验结果,提出了非饱和土的抗剪强度模型,该模型易于确定,与实测基本吻合,误差较小,满足非饱和黄土的强度计算要求。     

Effects of coarse-grained material on hydraulic properties and shear strength of top soil

Sidewalk failures associated with top soil of low shear strength are a common problem in urban areas. Mixing top soil with granite chips can be used to increase its permeability and shear strength. The effects of mixing granite chips with top soils on the hydraulic properties and shear strength under saturated and unsaturated conditions were investigated in this study. The results showed that the mixing top soils with granite chips caused changes in several key parameters of the soil–water characteristic curve (e.g., the air-entry value, the residual matric suction, and the residual volumetric water content) and the unsaturated permeability of the top soils. The saturated permeability and shear strength of the soil mixture increased with increasing content of granite chips.     

近饱和条件下非饱和多孔介质渗流过程的数值分析

在非饱和多孔介质渗流分析中,近饱和条件下物理模型与数值模型之间的差异会导致数值不稳定问题。为解决这一问题,并保证模拟结果的可靠性,提出了3种方法,并在有限元分析程序U-DYSAC2中分别进行了程序代码的实施。通过数值试验与试验数据的比较,证实了在近饱和条件下土-水特征曲线和水力传导函数的高非线性可引起数值收敛性、稳定性和精度问题,而且在不同条件下含水率和基质吸力的预测结果差异明显。在3种方法中,修正的Van Genuchten模型（MVGM）方法对含水率的预测较为准确,而Line方法对基质吸力的预测较为合理。因此,解决在分析近饱和条件下非饱和多孔介质渗流问题时,为获得接近真实的模拟结果,采用合适的数值方法进行预测是非常关键的。