非饱和增湿条件下典型黄土湿陷性研究

利用自制装置,对原状典型黄土试样(柱状)进行不同饱和程度的非饱和增湿,分析增湿过程中土样不同位置处水分的分布规律。对完成增湿过程的试样进行湿陷性测试,并定义非饱和增湿湿陷系数,用以探讨非饱和增湿条件下试样不同位置及总体的湿陷性特征。研究结果表明,低增湿目标含水率时,随着时间增加,原状黄土土柱上层含水率呈速度减缓的下降趋势,下层含水率呈速度减缓的上升趋势,黄土土柱含水率分布不均匀;高增湿目标含水率时,随着时间增加,黄土土柱上层含水率呈速度加快的下降趋势,下层含水率呈速度加快的增长趋势,黄土土柱含水率分布均匀,且趋于均匀的时间缩短。随增湿目标含水率的增加,黄土土柱每层的非饱和增湿湿陷系数增长速度加快,底层与上层系数数值靠拢,黄土土柱整体非饱和增湿湿陷系数增大且随着压力的增加呈速度加快的增长趋势。低增湿目标含水率时,增湿时间越短土柱整体非饱和增湿湿陷系数越大;高增湿目标含水率时,时间越长土柱非饱和增湿湿陷系数越大。成果可为黄土非饱和湿陷性的研究及评价提供一定的参考及依据。     

陕西泾阳地区黄土固结湿陷试验及预测模型研究

黄土湿陷问题的研究具有很大的工程意义及价值。野外取得陕西泾阳地区黄土原状样,在天然含水率的基础上分别配置了含水率为12%、15%、18%与20%的5组原状黄土试样,采用单线法对研究地区黄土进行了湿陷性试验,获得了在不同法向应力下黄土的压缩特性及湿陷性系数,研究了不同含水率以及不同压力对黄土湿陷性的影响。结果表明,在较低含水率的情况下,湿陷系数随着压力的增大而增大,在较高含水率的情况下,湿陷系数随着压力的增加先增大后减小。而湿陷系数与含水率的关系相对复杂,在相同压力下,湿陷系数均在某一含水率下达到峰值。根据湿陷系数与含水率及压力的曲线特征,建立了不同压力下黄土湿陷系数与含水率的回归关系式。最后,基于最小二乘支持向量机,以黄土的密度、含水率、压力等指标作为预测变量,建立了黄土湿陷性预测模型。结果表明,采用支持向量机所建立的模型来预测黄土湿陷性是可以满足工程要求的。     

结构性黄土一维湿陷特性的离散元数值模拟

针对结构性湿陷性黄土大孔隙和胶结特性,应用离散元生成了不同含水率结构性黄土试样,研究试样的一维湿陷特性。首先,根据已有的结构性黄土试验资料和胶结颗粒材料离散元数值试验成果,建立胶结强度和初始饱和度之间的关系。其次,采用蒋明镜等提出的分层欠压法[1]和胶结模型[2]制得不同含水率结构性黄土离散元试样,然后进行不同含水率双线法和同一含水率4个压力下单线法湿陷试验的离散元数值模拟。数值模拟结果表明,提出的离散元分析方法能模拟天然结构性湿陷性黄土的主要力学性质,随着含水率的减少,结构屈服应力和最大湿陷压力增加,湿陷系数随着压力先增加后减小,湿陷起始压力为饱和试样的结构屈服应力,单线法湿陷后压缩曲线与饱和试样的压缩曲线接近。此外,模拟结果还表明,不同含水率结构性黄土离散元试样的最大湿陷系数与天然结构性湿陷性黄土相差较远,但在最大湿陷系数与孔隙比的比值上相接近;结构屈服对应着胶结的逐步破坏,湿陷伴随着大量的胶结破坏。提出了基于胶结点数目的损伤变量,研究了其在加载和湿陷过程中的变化规律。研究成果为认识黄土复杂力学特性和建立其本构理论提供了基础。     

考虑结构性的冻融作用对黄土湿陷系数的影响

结构性是黄土的基本属性,黄土的湿陷特性与其结构性之间有着必然的联系。针对冻融作用对不同结构性黄土湿陷性的影响,以水泥作为模拟土颗粒间的联结材料制备了人工结构性土,开展了不同水泥含量的人工结构性土与相应的原状土、重塑土的湿陷试验,分析了结构性、冻融作用、初始含水率、湿重度及荷载大小对湿陷系数的影响规律。试验结果表明：冻融前后,人工结构性黄土的湿陷系数均比原状土、重塑土的湿陷系数小,且随着水泥含量的增加,湿陷系数有所减小;冻融之后,各土样的湿陷系数几乎均有所增加,但增加的程度和土样初始结构、含水率、干密度（压实系数）及竖向荷载关系密切,尤其当含水率接近最优含水率和土样为重塑土或水泥含量较低的人工结构性土时,冻融后湿陷系数增大幅度显著。在标准荷载200 kPa下,冻融前后原状土、重塑土的湿陷系数与其湿重度之间基本呈较好的线性负相关关系,而人工结构性黄土湿陷系数与湿重度之间并不呈线性关系;竖向荷载为50 kPa时,重塑黄土和5%水泥含量黄土的湿陷系数与冻融次数之间存在着较好的对数关系。以水泥作为土颗粒间联结材料,制备的人工结构性土是否能很好地代替原状土反映结构性黄土的湿陷特性,还需更进一步深入研究。     

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。     

黄土的独立物性指标及其与湿陷性参数的相关性分析

黄土的湿陷性是其重要的工程特性,常用一维压缩应力条件下的湿陷系数、自重湿陷系数和湿陷起始压力等指标定量评价。影响黄土湿陷性的因素较多,包括土的粒度、密度、湿度等基本物理性质指标,且各因素之间并非完全独立,存在一定相关性。采用因子分析法,通过对西安地铁4号线黄土高台地和宝鸡-兰州高速铁路隧道黄土塬湿陷性黄土场地地层物性质指标的统计分析和相关性分析,首先确定了相对独立的含水比（含水率与液限之比）和孔隙比3个物性指标反映的两个因子。然后,依据湿陷性黄土场地的试验资料,通过多元线性回归分析,分别得到了两个场地黄土的自重湿陷系数、湿陷起始压力以及压缩模量与含水比和孔隙比之间的相关关系。最后,比较分析了两个场地黄土自重湿陷系数、湿陷起始压力和压缩模量计算值与实测值,验证了利用因子分析法寻找影响黄土湿陷性的独立因子,建立黄土湿陷性参数与独立影响因子之间相关关系的合理性和准确性。针对两个地区两类地貌单元湿陷性黄土场地,建立的黄土湿陷性参数的相关关系具有快速、准确的评价黄土湿陷性和黄土地基湿陷变形的实际意义。     

原状黄土的结构性及其与变形特性关系研究

在不同含水率下对兰州、西安原状黄土进行压缩试验,根据同一压力下原状、重塑及饱和黄土的孔隙比定义了一个定量结构性参数,探讨了结构性参数随压力及含水率变化的规律性。研究表明：（1）用结构性参数随含水率及压力变化特性来研究结构性对原状黄土的压缩性、湿陷性的影响可以得到良好的规律性。（2）同一含水率下结构性参数在压力未达到结构强度以前,随压力的增大而增大;达到结构强度之后,压力增大使结构性参数明显减小或缓慢增大。（3）同一压力下结构性参数在含水率未达到结构破坏起始含水率?f之前降低很小;达到?f之后,含水率增大,使结构性参数快速减小。?f随压力的增大而减小,高压力处含水率变化对结构性参数有显著影响。（4）两地黄土在不同压力或含水率下湿陷系数与结构性参数mp关系可以归一为一条直线,即湿陷系数受结构性影响的规律是相同的。     

基于微结构参数主成分的黄土湿陷性评价

黄土的湿陷性与其微观结构特征密切相关,它的微结构又受其应力状态和所处的含水状态影响。通过改变含水率与固结压力,对西安原状黄土进行了湿陷性试验,由此分析了不同含水率与固结压力条件下湿陷性的差异与联系,同时通过电镜扫描（SEM）获取了湿陷前、后黄土试样的微结构照片,进而获取了相应条件下的SEM照片的简单微结构参数。分析了湿陷前、后微结构参数的变化,探讨了简单微结构参数间相关关系,基于主成分分析法构建了合成微结构参数。研究表明：随着固结压力的增大,颗粒体所占比重越来越大,第1主成分近似线性增大,黄土湿陷系数与其累积主成分呈线性关系。根据这一重要认识,建立了主成分得分的湿陷系数计算方法,进而建立了黄土湿陷性评价方法。该研究对定量研究黄土湿陷性的微结构效应做了有益的探索。     

冻融循环对黄土二次湿陷特性的影响研究

在黄土地区公路路基建设中, 通常会采用预湿陷等办法来对湿陷性黄土进行处理以达到工程要求.但是在季节冻土区, 处理过的黄土路基却在运营几年后, 仍发生大量的不均匀沉降、 塌陷等病害.为分析冻融循环作用对黄土二次湿陷的影响, 采用室内试验方法, 使大体积黄土样品先完成一次湿陷, 再进行冻融循环和黄土二次湿陷.试验结果表明: 重塑黄土与原状黄土的二次湿陷系数随着冻融循环次数的增加趋向于同一个特定值; 重塑黄土和原状黄土的二次湿陷系数皆大于0.015, 说明二者皆满足湿陷条件, 在冻融条件下具有二次湿陷性.     

原状黄土显微结构特征与湿陷性状分析

基于原状黄土的显微结构扫描电镜及室内湿陷性试验,分析了黄土的微结构特性和不同压力不同含水量下黄土的湿陷性状及其之间的内在联系,结果表明:随着埋藏深度的增加,由支架大孔微胶结结构逐渐变为镶嵌微孔半胶结结构,支架大孔孔隙发育逐渐变为粒间孔隙发育,再为微孔孔隙发育;黄土在增湿情况下其湿陷系数-压力关系曲线由三部分组成,初始压缩变形阶段,是结构强度发挥阶段,变形较小,黄土微结构没有遭到破坏;曲线第一转折点s=0.015后,原有结构破坏,微结构发生变化,颗粒重新排列,湿陷速率增大,是湿陷变形主要阶段;达到峰值后,颗粒间形成了新的结构,湿陷变形幅度减小;随着骨架颗粒连接逐渐变为非架空的镶嵌排列,湿陷起始压力及峰值湿陷压力值随着埋藏深度的增加而增加,而峰值湿陷系数和湿陷变形量的压力范围随着埋藏深度的增加而变小;骨架颗粒特征和孔隙特征是黄土湿陷性的内在影响因素,而胶结物的多寡及胶结状态是黄土湿陷性强弱的主要影响因素之一。     

辽西黄土湿陷变形特性及湿陷后微观结构变化

初始含水率对黄土湿陷性具有重要的影响。利用人工制备不同含水率的试样对辽西黄土的湿陷变形特性进行了试验研究,并采用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微观结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形几何方法分析了黄土试样微观孔隙的变化特征。结果表明：1)初始含水率对辽西黄土的湿陷变形具有显著的影响,随着试样初始含水率的增大,同一压力下的湿陷变形量越来越小;2)不同初始含水率试样的压力-变形关系曲线可以统一用双曲线形式表达;3)湿陷后黄土试样的结构变得较为致密,孔隙总数显著增加,而孔隙面积减小。湿陷过程主要是小孔隙数量增加、孔隙形状分维数减小、孔隙复杂程度显著增加的过程。     

关中平原湿陷性黄土渗透特性试验研究

黄土的湿陷性和渗透性相互影响,黄土的湿陷是由水的渗透浸润引起的,而渗透特性又直接决定着湿陷的发生和发展。本研究采用现场双环渗透试验以及原状样室内变水头渗透试验,对关中平原湿陷性黄土渗透特性进行了研究。研究发现黄土的结构、构造以及土体成分是影响黄土渗透性的重要因素,黄土的干密度和孔隙比对其渗透系数影响较大,黄土湿陷后,渗透系数明显变小。现场渗透试验测得的非饱和渗透系数大于室内试验测得的饱和渗透系数,现场渗透试验更贴近于工程实际。     

增(减)湿时黄土的湿陷系数曲线特征

分别采用单线法和双线法对原状 黄土进行了增、减湿情况下的单轴压缩试验。根据试验结果,总结出了黄土的湿陷变形随饱和度及压力变化的规律,分析了湿陷性黄土在增（减）湿过程中的湿陷变形性状及不同应力路径对黄土湿陷变形特性的影响,指出湿陷系数曲线因为试验方法的不同而表现出不同的规律性：初始含水量较低时,单线法的湿陷性大于双线法;当初始含水量达到某个值时,两者的湿陷系数曲线出现交叉现象;当初始含水量超过该值后,单线法的湿陷性小于双线法;这种交叉现象是由黄土本身的特殊结构性所决定的。最后对湿陷系数与初始含水量的关系进行了探讨。     

高速铁路地基黄土湿陷前后微结构变化研究

以新建郑 (州)--西 (安) 高速铁路为例,选取典型路段 (华阴段),采集原状黄土样品进行室内试验,通过扫描电镜、计算机图像处理等方法,研究 Q3 黄土在不同压力作用下湿陷前后微结构参数的变化,得出其湿陷性与微结构的关系,结果表明:黄土湿陷性主要是由大、中孔隙含量引起的.其含量与黄土湿陷系数具有定量关系.     

不同地貌黄土的物理力学特性和湿陷性评价

湿陷性是制约黄土场地工程建设的最主要因素。针对黄土场地现场浸水试验测试时间长、成本高等问题,在兰州新区黄土场地和靖远黄河高阶地黄土场地进行静力触探试验,研究静力触探锥尖阻力、锥侧阻力沿土层深度的变化关系,并在现场取原状黄土试样进行室内湿陷试验,研究发现室内试验所测得的自重湿陷系数沿深度具有良好的线性关系,由此建立了静力触探所测锥尖、锥侧阻力与自重湿陷系数之间的联系,提出了一种通过静力触探试验结果快速评价黄土场地自重湿陷性的方法。基于上述方法,对兰州新区和靖远黄河阶地黄土场地其他点位的测试结果进行自重湿陷性评价,验证了该方法的可行性与准确性。     

基于主成分分析法的Q2黄土湿陷特性研究

Q2黄土由于埋藏深,结构相对致密,其湿陷性问题常常被忽视。湿陷系数作为评价黄土湿陷程度的定量指标,其影响因素众多,包括土的含水率、干密度、孔隙比等。由于各因素之间存在一定相关性,所建立的湿陷系数与物理指标之间相关关系往往准确度较低。为降低黄土湿陷指标多重相关性对数据回归分析结果的影响,提高预测精度,以彬州渭化乙二醇项目场地Q2黄土为研究对象,在统计分析场地地层物性指标及湿陷系数与物性单一指标之间相关性的基础上,筛选了7个与湿陷系数相关性较好的指标。采用主成分分析法,通过多元线性回归分析,建立了以累积方差贡献率为基础的Q2黄土湿陷系数计算模型。模型计算值与实测值对比结果表明,该方法有效较低了湿陷系数影响因子之间的多重相关性和相互影响问题,证实了所建立的Q2黄土湿陷系数与独立影响因子之间相关关系的合理性和准确性。     

延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法

传统测试土−水特征曲线（soil-water characteristic curve,简称SWCC）方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明：预测模型中的分形维数D可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。     

宁夏南部黄土的特殊工程性质及防治综述

黄土高原北部的宁南黄土以其强的Ⅱ-Ⅲ级自重湿陷性在我国黄土中占独特地位。究其原因:黄土内部的孔隙结构,粒度组成和胶结类型间的紧密联系,是引起黄土湿陷性强弱或湿陷敏感性高低的内因。影响场地土湿陷敏感性的外因如土层厚度、埋藏深度、水平垂直向渗透系数等又与土的孔隙度和结构类型有关,结构差异将导制湿陷敏感性的差异。黄土湿陷性及湿陷敏感性随深度的增加而递减,通过对该区黄土产生湿陷性机理进行的分析,提出相应的工程防治措施。     

黄土物理性质与湿陷性的关系及其工程意义

以陇东地区黄土为研究对象,探讨了湿陷系数与各种物理指标的内在联系,采用多因素回归分析建立了湿陷系数与含水量、孔隙比、塑性指数(粘粒含量)的分析模型,结果显示湿陷系数与物理指标间具有良好的相关性,采用物理指标计算的湿陷总量与实验测试总量较为接近,计算结果更好的反映湿陷性随取样深度变化的规律,对评价湿陷性黄土地基具有工程实用价值。     

模糊测度在黄土湿陷性评判中的应用

针对黄土湿陷程度划分的复杂性和模糊性,将模糊数学中的测度理论引入到黄土湿陷性等极评判中,建立了湿陷性评判模型。选用天然重度、干重度、含水率、孔隙比和塑性指数5项指标作为评判因子,以湿陷系数为评判指标,通过训练学习样本,可以得到评判指标的点估计值和测度函数,进而可以对待判样本进行分类。通过具体的工程实践应用表明,模糊测度评判模型能较好地对黄土湿陷性进行分级,为黄土湿陷性评判提供了一条新的思路。