“第二届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会”在兰州召开

<正>由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主办、兰州理工大学等单位承办的"第二届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会"于2017年7月24~26日在兰州召开,来自全国的118个单位的610多名代表出席了会议,兰州理工大学副校长俞树荣教授、中国土木工程学会土力学及岩土工程分会副理事长谢永利教授、中国力学学会理事孔令伟研究员和非饱和土与特殊土专委会主任委员陈正汉教授在开幕式上致辞。     

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。     

第2届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会(第2号通知)

<正>由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主办,兰州理工大学承办的"第二届全国非饱和土与特殊土力学及工程学术研讨会"将于2017年7月18~22日在兰州召开。会议将邀请国内外著名专家就热点和难点问题进行研讨。热烈欢迎国内外从事相关领域研究、勘察、设计、施工的科技工作者和研究生踊跃撰稿、积极参加会议。目前已收到论文摘要147篇。为进一步加强论文征集等相关工作,现发出会议第2号通知。     

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。     

非饱和土的一种分类方法

根据理想模型中土颗粒和孔隙水之间的几何关系、热力学原理和土力学基本理论,研究了土的非饱和性在非饱和土中引起的力系。给出了张力吸力和吸力比的定义,并在考虑基质吸力作用面积的基础上定义了等效吸力的概念。按照孔隙水弯液面是否与土颗粒表面搭接,将非饱和土分为搭接非饱和土和不搭接非饱和土两类。进而根据搭接状态将搭接非饱和土细分为水封闭非饱和土和搭接双开敞非饱和土,根据孔隙气状态将不搭接非饱和土细分为不搭接双开敞非饱和土和气封闭非饱和土。在搭接非饱和土中,出现张力吸力并对土体的强度产生增强作用;在不搭接非饱和土中,表面张力只是沿着液面传播,不对土的强度产生效应。另外,张力吸力只对强度问题有贡献,它不是渗流问题的驱动力。     

非饱和土微观结构与粒间吸力的研究进展

吸力是非饱和土研究的重点也是其难点。重点在于自然界中诸多物理现象可以用吸力去解释，难点在于非饱和土吸力的量化测试技术现在还不成熟。非饱和土作为地球表层广泛存在的三相组合材料，其力学性质远远比饱和土复杂，归根结底在于土中水气界面形成的弯液面收缩膜，导致了土体孔隙产生吸力。非饱和土体的强度变形特征就是其内部吸力不断变化的宏观表现形式，其宏观物理力学性质与吸力之间存在一个桥梁——微观结构。对非饱和土微观结构和吸力理论、试验研究的整体把握是完善土力学的一个重要方法。开展对非饱和土液桥动态结构演化及吸力力链分布特性的研究，是全面了解非饱和土力学性能的重要基础之一，也是深入把握和量化非饱和土吸力的重要手段。     

基于SWCC试验数据的坝体非饱和非稳态渗流与稳定性研究

饱和-非饱和状态是土存在于自然界的真实状态,描述和解释这种状态的非饱和土力学理论在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变、边坡和路基稳定性分析等领域有着广泛的应用。非饱和土的土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学研究的基本内容之一,对非饱和土体渗流和稳定性分析至关重要。采用Python语言开发了非饱和渗流与稳定性分析软件包USSA和非饱和土土水特征曲线试验数据处理和模型拟合界面。对非饱和土的土水特征曲线数据进行处理,以模型拟合参数作为基本输入进行非饱和渗流场的模拟,再到非饱和土的稳定性分析,详细呈现了非饱和土渗流与稳定性分析及软件开发的全过程。基于SWCC模型的拟合参数对坝体渗流稳定性进行了分析,分析结果表明水位变化过程中坝体两侧斜坡具有明显不同的稳定性演化规律。当采用有限元强度折减法进行非饱和土斜坡稳定性分析时,最终安全系数为所有边坡安全系数演化曲线的最低包络线。     

非饱和土剑桥模型的基本框架

分析了用有效应力原理和用两个应力变量建立非饱和土力学理论的区别与联系，借助于有效应力原理将饱和土的剑桥模型推广到非饱和土，并与现有的几种塑性模型作了对比分析。     

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。     

基质吸力对基坑支护结构土压力的影响研究

在进行基坑支护设计时,现行规范采用朗肯土压力理论计算基坑支护结构土压力。这种设计计算方法是基于饱和土力学理论的,误差较大。依据非饱和土力学理论,对基坑非饱和土体主动土压力及被动土压力计算公式进行了推导。在此基础上,以实际工程为例,就基质吸力及施工季节对基坑支护结构土压力的影响进行了探讨。     

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。     

考虑吸附水的非饱和土耗散本构关系研究

为了探索土水吸附特征对非饱和土力学特性的影响,根据赋存环境把土中水分为储存在毛细管内液面张力吸纳作用占主导的自由水和包裹在土颗粒周围基质静电吸着作用占主导的吸附水。通过把土颗粒基质与吸附水一起共同视为非饱和土骨架相,自由水视为液相、土中气视为气相,获得了考虑吸附水的非饱和土功表达式。根据热力学耗散理论,利用功表达式和局部热力学平衡假定,获得非饱和土在绝热变形过程中的熵流和熵产。基于热力学吸附平衡理论获得土中吸附水的吸附方程,进而提出具有实用性的吸附水土-水特征曲线。利用熵产表达式中的热力学共轭量和耗散空间的Drucker 塑性公设,采用纯简化有效应力和有效吸力这一对双应力变量,建立了考虑吸附水的土水完全耦合的非饱和土弹塑性理论框架,据此获得采用净应力和吸力表示的弹塑性柔度矩阵,用于采用上述本构理论建模时理论模型与土工试验成果之间直接相互验证。     

非饱和抗剪强度指标c、φ值与含水率w的关系

非饱和土力学已经确认了基质吸力与非饱和土的强度指标有关,而基质吸力与含水率有着密切的关系。通过理论和三轴剪切试验分析,探讨了非饱和残积土抗剪强度指标c、φ与含水率ω变化的一般规律;同时结合已经推出的土水特征曲线关系,探讨抗剪强度指标c、φ与基质吸力μ的变化的一般规律。结果表明:随着非饱和土含水率ω增加、基质吸力μ的减小,黏聚力c有减少的趋势,内摩擦角φ变化不大。通过线性回归分析,黏聚力与含水率成半对数线性关系,黏聚力与基质吸力成线性关系。现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度指标有待进一步的研究与完善。     

考虑非饱和粘性土含水量变化的地铁隧道围岩土体稳定性分析

含水量是非饱和土力学性质的重要控制因素,非饱和粘性土是北京地铁苏州街车站隧道的主要围岩土体类型,应用钻孔取样的方法取得隧道周边区域内的土体系统样本,通过三轴试验和含水量测试建立了非饱和粘性土围岩的变形和强度参数与含水量的相关性,进而明确了该工程场地非饱和粘性土的主要参数与含水量的关系,以此为基础确定了工程场地不同区域的土体力学参数,通过有限元数值分析方法研究了施工过程中的围岩土体稳定性与地表沉降量,明确了考虑土体含水量变化条件下的隧道开挖施工过程中的围岩土体稳定性状况。     

饱和度对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态量,不能直接考虑饱和度或含水率对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。在非饱和土三轴试验结果表明,即使在净应力和吸力路径相同的条件下,具有不同饱和度试样的应力-应变关系和强度也是不同的。其他条件相同时,试样饱和度越高,其应力比-应变关系曲线越高,强度越大。最新的水力-力学特性耦合的弹塑性本构模型可以定量地表示上述非饱和土的性质     

不同类型黏土的强度特性及其预测

强度特性是非饱和土力学中基础性的研究内容。目前对广吸力范围内非饱和黏土强度的预测研究相对较少。本文首先基于文献中粉质黏土、Madrid黏土和南阳弱膨胀土的非饱和强度特性进行了对比与分析。将不同类型非饱和黏土的强度特性大致分为3种类型:（1）在某一吸力范围试样出现强度峰值,并随着吸力值的进一步增大而降低;（2）达到某一吸力值后其强度几乎维持不变,不受吸力值的影响;（3）其强度随着吸力值的增大而增大。此外,基于现有考虑吸附水膜和毛细水作用的方法拟合广吸力范围内不同类型土的土水特征曲线,并将土水特征曲线分离成吸附土水特征曲线和毛细土水特征曲线。在非饱和土的抗剪强度公式中,认为吸力引起的非饱和强度增强部分主要由毛细水作用决定的,故将非饱和抗剪强度公式中吸力引起非饱和增强项的有效应力系数（即饱和度或有效饱和度）用毛细水对应的饱和度替代。最后,利用修正后的非饱和抗剪强度公式对3种较广吸力范围内非饱和土的强度进行了预测。预测结果表明过渡区段内的强度预测效果较好,但高吸力段非饱和强度的预测还有待进一步研究。     

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。     

土体抗拉张力学特性研究进展

在传统土力学的观念中,土体通常不主动作为抗拉材料使用,土的抗拉强度很小,因而土体的抗拉强度往往被忽略或几乎视为零,造成土体抗拉强度理论远落后于抗剪强度理论。实际上,土体的抗拉张力学特性在土体变形与破坏的过程中起着非常重要的作用。总结了土体抗拉张力学特性试验的发展过程及发展特点,介绍了土体抗拉张力学试验的最新进展,并结合非饱和土力学及其抗拉强度理论的研究热点,认为对非饱和土合理统一的"吸力"认识仍然是非饱和土抗拉张特性研究的关键。然后,从岩土破坏模式角度,总结了岩土拉剪耦合破坏规律的8类破坏模式,分析了土体在此研究领域的现状,最后阐明了土体尤其是非饱和土的抗拉张力学特性研究现状的5个特点,展望了土体抗拉张力学特性新的重要研究方向。