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     

压实红黏土水分传输的毛细效应与数值模拟

当路基处于地下水水源丰富且水位较高的区域时,容易受到地下水的毛细上升侵蚀作用。为治理因水分毛细上升而引起的路基病害,需了解其毛细上升规律。在水平吸渗试验原理的基础上略加改进,自制了一套毛细上升试验装置,进行了三种不同初始干密度试样的试验。结果表明,毛细上升高度与含水率的关系类似于土-水特征曲线;试样的干密度越大,在相同的时间内毛细上升高度越小;水分因毛细效应的扩散能力随初始含水率的变化存在一个最优含水率点。最后,利用有限元方法模拟了水分在不同时刻沿着试样高度的分布规律,并对比分析了试验终了时刻的计算值与实测值,二者之间的分布规律比较一致。     

基于土水特征曲线预测多孔介质毛细上升过程

多孔介质中毛细吸力作为其重要物性参数,有着重要的工程应用背景。本文结合Gardner模型的土水特征曲线和Micro-CT(Micro computerized tomography)断层扫描仪获取的多孔介质的结构形态参数,根据吸力和饱和度的拟合关系,建立了一维非饱和毛细上升模型。同时,采用有限差分方法对多孔介质非饱和毛细水上升模型进行非稳态求解,获取不同时刻湿度场和毛细吸力的分布情况,并给出了一种量化多孔介质毛细上升过程的理论方法。为验证该方法的有效性,本文在室内以窄筛分洗砂作为研究对象,通过室内试验测定其毛细吸渗上升过程及稳定时的湿度分布。结果证实,模拟结果和实测结果整体上具有较高的吻合性。本文提出的多孔介质毛细上升的预测方法具有可行性,可用于预测砂土的毛细水上升高度和湿度场的分布状态。     

水位波动下路基湿度动态响应及地下防排水模型试验研究

设计加工了室内路基防排水模型试验系统,进行了地下水位波动影响下的路基水分迁移及地下防排水的室内试验研究。通过改变地下水位高度,研究了无任何隔水措施、加入普通砂垫层及新型防排水材料作为地下防排水基层工况下路基湿度的动态响应,评价了公路路基地下防排水基层的防排水效果。试验结果表明,在地下水位的波动影响下,近地下水位的路基湿度不仅随着地下水位的变化作相应的变化,上部土体湿度因毛细作用的存在也有较大幅度的增加,当地下水位较低时,砂垫层起到了较好的防排水效果;而当地下水位较高时,砂垫层内部的毛细水上升高度大于砂垫层的高度,路基湿度产生较大变化;新型的防排水材料能有效阻止毛细水进入路基内部,具有较好的防排水效果。     

非饱和路基土水分运移的室内试验研究

模拟路基填土的实际情况,研究设计了不同表面辐射温度和降雨强度的非饱和土水分运移的室内试验方法。通过测定土样在相应边界条件下土体不同深度位置的含水率随时间的变化,揭示了温度、压实度、降雨强度3个因素对非饱和土水分运移影响的规律,据此探讨了路基填土的水分运移规律,认为提高压实度能显著减少水分运移变化。     

毛细水作用下非饱和土压缩过程的微观非连续变形数值分析

研究非饱和土微结构的动态演化规律对认识非饱和土宏观物理力学行为的本质有重要意义。然而目前岩土学界对此尚不清楚。文章提出利用毛细水算法进行非饱和土压缩数值试验,研究其宏观变形过程中土水作用与孔隙的演变规律。首先参考黄土骨架颗粒的形态和优势颗粒的大小,建立了540 μm×400 μm理想的非饱和土微观结构模型;其次利用毛细...     

湿度对盐溶液在壁画地仗中的毛细迁移影响研究

盐溶液在地仗中毛细迁移引起的盐分迁移、富集已成为壁画病害发生的重要原因。研究不同湿度条件下盐溶液在模拟地仗中的毛细迁移过程对可溶盐再分布的影响。分析不同湿度条件下毛细上升高度随时间的变化关系,含水率和电导率随高度变化关系,毛细饱和后试样表面变化情况及可溶盐含量随试样高度的分布。试验结果表明,空气相对湿度越低,毛细上升过程中水分向空气中迁移越多,水分难以向上迁移。试样的含水率随高度呈递减趋势,而电导率随试样高度增加而增大。可溶盐在毛细水上升过程中发生结晶分异,毛细前锋以NaCl结晶富集为主,亚前锋以Na2SO4结晶富集为主。其研究结果可以为壁画盐害的防治提供基础科学依据。     

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。     

非饱和黄土非线性K-G模型试验研究

K-G模型较之E-μ模型有较好的优越性,每个参数都能与土的剪切模量或体变模量直接联系,便于岩土工程的非线性理论和计算分析。以西部甘肃永登非饱和黄土为研究对象,进行大量不同湿度下的非饱和黄土常规三轴试验,获得不同初始饱和度下的K-G模型参数,进一步研究这些参数随初始饱和度的变化规律,建立模型参数和初始饱和度的相关表达式。在实际工程中,用测得的非饱和黄土的湿度指标,就可以得到黄土的K-G模型参数进行非饱和黄土的增湿数值模拟计算分析,避免吸力的量测和计算,具有一定的工程实际应用价值。     

考虑饱和度的压实填土抗剪强度研究

压实填土一般为典型的非饱和土,广泛存在于各类工程中,其物理力学性质受填土含水状态的影响。因基质吸力测量困难,非饱和土强度理论难以在压实填土工程中应用。研究含水状态变化对压实土抗剪强度影响的大小,寻找一种简化实用的非饱和压实土抗剪强度确定方法。从非饱和土理论出发,对含水状态影响压实土抗剪强度的机制进行了分析,重新整理并分析了5种压实土的非饱和三轴试验结果,对一些压实土工程资料中的直剪试验强度指标进行了收集和整理。分析表明,基质吸力对压实填土抗剪强度的贡献占有相当大的比例;含水率变化对压实填土抗剪强度的影响是非常显著和不容忽视的。工程资料中压实土饱和度对数值与黏聚力指标有良好的线性相关关系,提出了一个考虑饱和度影响的压实填土抗剪强度简易计算方法。     

Experimental study on height simulation of capillary fringe

In this paper, the plexiglass experimental column was used to analyze the capillary fringe thickness of three kinds of lithologies-silty sand, silt and silty clay-providing a basis for defining the interface in the study of hydrodynamics at the water table between vandose water and groundwater. The capillary fringe generally refers to the subsurface layer in which the groundwater seeps up to the air-entry suction value due to capillary action, and is nearly saturated with water. The thickness of the capillary fringe varies with different lithologies. In this experiment, self-made stable water supply devices were used to study the height of capillary rise, capillary water volume and capillary fringe thickness of the three lithologies through capillary experiment and numerical simulation. Experimental results show as follows:(1) Rising height of capillary water is related to time, particle radius, volume, etc., and the relationship between height and time is in line with the Hill model.(2) The smaller the particle radius, the more water the pores contain, and the ratio of the unsaturated portion of capillary water to the total water content gradually rises. Experimental results obtained by numerical simulation, segmentation and actual measurement are consistent.(3) The thickness of the capillary zone is related to the lithology. The larger the particle size, the smaller the thickness of the capillary fringe, and vice versa. In silty sand, the thickness measures about 13 cm. The figure rises to 16 cm in silt, and 37 cm in silty clay. This work studies the law of soil water transport at saturated-unsaturated interface. Experimental results are of great significance to the study of soil water and salt transport and soil salinization control in unsaturated zone.     

毛细导水布料排水性能及孔隙结构试验研究

本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类：COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4μm, SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率...     

花岗岩残积土填料路用工程特性室内试验研究

为了研究花岗岩残积土的路用工程特性,通过击实试验、承载比CBR试验、固结试验以及室内基床系数试验分析了该类材料压实性能及基本力学特性,对压实度为92%的最优含水率和饱和压实土样进行了循环加载试验,研究了动力荷载作用下土体的变形特性。结果表明,花岗岩残积土在K为91%～97%时压实功效率较高,提高压实度对于增强土体局部抗变形能力较为有效;采用室内三轴法得到的基床系数K30值为188.25 MPa/m;最优含水率下花岗岩残积土动力变形稳定性较好,但含水率增加会大幅度增加土体塑性变形,降低土的动弹性模量,不利于变形稳定。所以作为路堤填料,应考虑作为受气候与动荷载影响较小的下路堤备用填料,作为铁路路堤本体及公路上、下路路床填料,应在进行土性改良且满足要求的论证基础上取舍。研究成果可为花岗岩残积土填料的工程应用及土体改良提供技术参考。     

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

Monitoring the Performance of Unsaturated Soil Slopes

Field monitoring is necessary for the geotechnical engineer to verify design assumptions. More importantly, the field data may also be assembled into a comprehensive case record that is available for use when checking validity of any analytical and numerical models. The ongoing process of back-analysis in unsaturated soil engineering can help to refine and improve our understanding, providing guidance for future designs, where the effects of soil suction and hydraulic hysteresis are still being explored. A range of recent field studies of the mechanisms of rainfall infiltration into slopes is presented. In addition, some physical simulations of unsaturated soil slopes subjected to rainfall, rising ground water table and changes of moisture in centrifuge model tests are reported.     

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

An analytical solution to 1D coupled water infiltration and deformation in layered soils is derived using a Laplace transformation. Coupling between seepage and deformation, and initial conditions defined by arbitrary continuous pore‐water pressure distributions are considered. The analytical solutions describe the transient pore‐water pressure distributions during 1D, vertical infiltration toward the water table through two‐layer unsaturated soils. The nonlinear coupled formulations are first linearized and transformed into a form that is solvable using a Laplace transformation. The solutions provide a reliable means of comparing the accuracy of various numerical methods. Parameters considered in the coupled analysis include the saturated permeability (k_s), desaturation coefficient (α), and saturated volumetric water content (θ_s) of each soil layer, and antecedent and subsequent rainfall infiltration rates. The analytical solution demonstrates that the coupling of seepage and deformation plays an important role in water infiltration in layered unsaturated soils. A smaller value of α or a smaller absolute value of the elastic modulus of the soil with respect to a change in soil suction (H) for layered unsaturated soils means more marked coupling effect. A smaller absolute value of H of the upper layer soil also tends to cause more marked coupling effect. A large difference between the saturated coefficients of permeability for the top and bottom soil layers leads to reduced rainfall infiltration into the deep soil layer. The initial conditions also play a significant role in the pore‐water pressure redistribution and coupling effect. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.