非饱和花岗岩残积土粒间联结作用与脆弹塑性胶结损伤模型研究

非饱和花岗岩残积土主要为铁质胶结,遇水后强度急剧降低,结构性强,显示出脆弹塑性损伤破坏特点,其粒间联结作用正是其结构性和脆弹塑性损伤破坏的核心问题。论述了非饱和土的粒间联结作用,将其分为接触联结和非接触联结两类,这两种联结在粒间相互作用上都表现为吸力的作用,即由湿吸力、可变结构吸力组成的粒间吸力。非饱和花岗岩残积土铁质胶结为主的接触联结作用,加上其砂粒、黏粒等各级粒度成分混合,致使粒间联结作用遇水或扰动后变化大,导致力学性质上的脆性显著。通过理论推导,给出了可变结构吸力与土体堆积方式、干密度、孔隙比、含水率/饱和度的定量计算公式,并由试验验证了计算公式的合理性。进而从游离氧化铁胶结是非饱和花岗岩风化残积土显示脆弹塑性的根本原因出发,基于堆砌体模型思想,采用孔隙比与结构脆性参数构建损伤过程函数,建立了可反映非饱和花岗岩残积土脆弹塑性胶结损伤的理论模型,通过试验验证表明,所建模型能很好地反映非饱和花岗岩残积土特有的应力-应变关系,从理论上较好地解释了花岗岩残积土遇水或扰动后易破坏的机制。     

非饱和绢云母片岩残积土三轴压缩变形规律

为研究非饱和绢云母片岩残积土的三轴压缩特性,利用非饱和三轴蠕变仪,进行了控制基质吸力和净平均应力的压缩试验。试验结果表明：基质吸力相同时,随着净平均应力的增大,压缩变形逐渐变大;在一定范围内,随着基质吸力的增大,绢云母片岩残积土的屈服应力也增大,干密度较大时,屈服应力较大;净平均应力相同时,随着基质吸力的增大,变形逐渐减小。对比两种应力路径下的压缩试验,可以发现到达屈服吸力后,荷载的施加是产生变形的主要原因。     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

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。     

永靖非饱和黄土抗剪强度试验研究

以甘肃省永靖非饱和马兰黄土为研究对象,利用非饱和直剪仪对研究区不扰动黄土进行控制基质吸力和净竖向压力为常数的固结慢剪试验,得到了不同基质吸力和净竖向压力下的非饱和黄土抗剪强度,分析探讨了非饱和黄土抗剪强度与基质吸力的关系。结果表明:随着基质吸力的增加,土体的抗剪强度增大,其中黏聚力c随基质吸力呈线性增长,而内摩擦角随基质吸力变化很小,且在本次试验控制的吸力范围内研究区非饱和黄土φb可近似为一常数并小于内摩擦角,说明在该范围内研究区非饱和原状黄土的抗剪强度随着基质吸力以一恒定的斜率持续增长。     

非饱和黏土动力特性及等价黏弹性模型的试验研究

针对非饱和重塑黏土,利用改进的非饱和土静力-动力液压三轴-扭转多功能剪切仪,在固结排水（CD）条件下进行了应力控制式分级加载的循环三轴试验,通过对试验结果的对比分析,探讨了初始固结压力和基质吸力(孔隙气压力Ua与孔隙水压力Uw之差)对非饱和土动应力-动应变关系特性的影响。以此为基础,将Hardin-Drnerich等价黏弹性模型和Masing加卸载准则进行了改进,并得到了可以考虑基质吸力的非饱和黏土的等价黏弹性模型。进而对试验数据与模型预测结果进行比较,结果表明这种改进的非饱和土等价黏弹性模型能较好预测各种基质吸力下非饱和土的动应力-动应变关系。     

粉土基质吸力的新型量测装置与土-水特征研究

以非饱和土张力计原理为基础,制作了一种新型的基质吸力量测装置,并通过实测过程的不断总结与改进,得到了一种成本低廉、制作简单、操作便利、试验快速和结果可靠的非饱和土基质吸力量测装置,以此装置测定了不同体积含水率、不同压实度和干湿循环后粉土的基质吸力变化规律,得到了不同压实度粉土的土-水特征曲线,并通过Origin软件中的Boltzmann模型进行拟合对比分析,得到了与压实度相关的土-水特征曲线,比较了不同压实度粉土的含水率变化对基质吸力的不同影响特点。试验结果表明,干湿循环对粉土的基质吸力和强度有很大影响。     

基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度的贡献

非饱和土抗剪强度随饱和度降低、基质吸力增大而提高.然而,不同类型非饱和土中,基质吸力对抗剪强度的贡献却显著不同.本文通过室内试验,探讨了基质吸力对非饱和重塑黄土抗剪强度贡献的基本特征.研究结果表明,非饱和重塑黄土抗剪强度随着基质吸力的增大,表现为非线性的和明显的4个阶段性增、降和逐渐稳定特征,且分段特征值与土-水特征曲...     

基于可靠度方法的全基质吸力段土-水特征模型研究

土-水特征曲线是非饱和土入渗和流-固耦合分析的基础,目前该模型的研究成果由于试验方法和设备的局限,仅能够得到局部基质吸力段(低吸力或高吸力)的土-水特征曲线;而如何根据局部试验数据集推断与试验结果相吻合的全基质吸力段范围的土-水特征曲线是一个难题。对东南沿海广泛分布的原状残积土进行了不同基质吸力段的土-水特征试验。根据残积土低吸力段和高吸力段的试验数据,运用可靠度分析方法,从土壤孔隙微元破裂失稳的角度,建立了土壤全基质吸力段的土-水特征模型。根据UNSODA2.0数据库提取砂土、粉土、黏土等3种类型土样本(52个)的试验数据,讨论了模型参数意义和不同土类的模型适用性,进行了不同土-水特征模型的比较分析。对比验证研究表明,形状参数σ和中值比例参数μ使提出的模型具有很强的适应性,并且具有依据局部试验数据(低或高基质吸力段)快速获得全基质吸力段土壤土-水特征曲线的能力。与其它模型相比,模型计算过程适应性强,模型决定系数R2>0.98。研究结果对快速获取不同类型土壤的全基质吸力段土-水特征曲线具有参考价值。     

非饱和土抗剪强度及土压力统一解

基于统一强度理论和非饱和土双应力状态变量抗剪强度,合理考虑中间主应力效应,建立了非饱和土双应力状态变量抗剪强度统一解,并与文献试验结果进行比较,验证了公式的正确性;进而考虑基质吸力的不同分布,得到非饱和土主动土压力和被动土压力统一解,克服了朗肯土压力的不足,并得出中间主应力和基质吸力对土压力的影响特性。研究结果表明,主动土压力随着统一强度理论参数和基质吸力的增大而不断减小,被动土压力则相反;当基质吸力沿深度线性减小时,主动土压力和被动土压力都不像基质吸力沿深度为常数时变化得那么快。该结果为非饱和土抗剪强度和土压力分析提供了理论依据,对工程设计有一定的参考价值。     

花岗岩风化土崩岗破坏机理分析

崩岗破坏是红层土中特有的破坏形式,在花岗岩风化土中发育更为强烈,这与花岗岩风化土自身的力学性质有关。本文认为花岗岩风化土自身的结构性、粒间吸力特性决定了其遇水软化和崩解的性质,花岗岩风化土软化主要表现为减压软化和损伤软化,花岗岩风化土颗粒粒径和孔隙大小不均匀性,以至土体在吸水过程中吸力不平衡导致其崩解作用。花岗岩风化土遇水发生软化和崩解是崩岗发生的内因,为崩岗破坏水土流失提供了物质来源,长期的水与重力作用是崩岗发生的外因,为崩岗持续发展提供了动力,在上述内因和外因作用下,最终形成了崩岗地貌。     

土坡失稳的有效降雨量研究

降雨易引起花岗岩残积土边坡失稳。在分析降雨对边坡土体含水率影响的基础上,通过饱和度和含水率的关系推求出土体从非饱和过渡到饱和的有效降雨量。结果表明：对土质边坡,并非所有的降雨都会引起边坡的失稳,降雨入渗使边坡土体从非饱和向饱和状态发展,当边坡土体饱和度达到一定程度的时候易产生边坡失稳;土坡存在饱和区和非饱和区的临界深度,降雨对边坡的影响即为使得该深度以上的土体从非饱和过渡到饱和的过程,须采取不同的抗剪强度来计算处于临界深度上下两部分土体的稳定状态。研究结果对确定土坡失稳的降雨量阀值、进一步认识滑坡失稳机制,对滑坡的预测预报具有理论及实际意义。     

厦门花岗岩残积土物理力学指标关联性定量表征初探

厦门地区花岗岩残积土的颗分试验表明其粒度呈“两头多,中间少”的特征,级配较独特。孔隙比等物性指标与压缩模量等设计中常用指标定量关联性不强,离散性大且没有明显规律。结合厦门地铁工程地质勘察资料,通过粒间状态参量、级配控制模式确定所研究土体的关键物理状态参量,分析该参量与岩土工程设计中常用指标之间的相关关系。结果表明,引入Thevanayagam提出的粒间孔隙比作为参变量,压缩模量随粒间孔隙比的增大而减小,建立了估计残积砾质黏性土、残积砂质黏性土压缩模量的经验公式。级配控制模式下的特征粒径比可以作为估计花岗岩残积土抗剪强度指标的关键参变量,黏聚力随特征粒径比的增大而增大,内摩擦角随特征粒径比的增大而减小,且线性相关性较好。文中建立的预测花岗岩残积土压缩模量、抗剪强度指标经验公式,可供厦门地区工程设计时参考。     

雷州半岛玄武岩残积土的物质成分与结构特征

雷州半岛玄武岩残积土属于区域性特殊土,具有高液限、大孔隙比的较差的物理特性和高强度的较优的力学特性的异常组合,同时具有强收缩性、遇水湿化、易崩解的特殊性质。为探寻玄武岩残积土特殊的工程地质特性的机理,对其矿物成分、化学成分、结构形态、孔隙分布进行研究。结果表明,雷州半岛玄武岩残积土发育过程经历明显的富铝化、铁富集和盐淋失过程,黏土矿物以高岭石、三水铝石和伊利石为主,富含游离氧化铁、铝成分; 微观结构类型为凝块结构和絮凝结构,游离氧化铁作为胶结物质以包膜形式包裹颗粒形成团聚体,增强了土的结构强度; 孔隙以溶蚀孔隙以及团粒和絮凝体内微孔为主,微孔具有较大的比表面积和吸附能,吸水会产生较大的表面张力,引发软化、崩解现象。由于雷州半岛玄武岩残积土具有对水敏感,抗水性差特点,施工中应重点关注降雨引发的工程灾害。     

改良花岗岩残积土进失水能力及接触角试验研究

花岗岩残积土的进失水能力与其软化崩解的特殊力学特性息息相关,现有的改良土研究都着重于土体宏观力学与微观结构的变化,忽视了固化剂对土颗粒表面性质的影响。为了探索固化剂改良后的花岗岩残积土进失水能力及三相接触角的变化规律,开展了水滴入渗试验、接触角测量试验、进水试验和失水试验,并结合扫描电镜和红外光谱方法,定性及定量分析了花岗岩残积土在不同固化剂作用下微观结构和化学成分的变化规律对花岗岩残积土进失水能力的影响机制。结果表明:（1）不同含量的改良剂能不同程度地影响花岗岩残积土表层斥水性能;随着固化剂掺量的提高,土体的表面斥水性增强,三相接触角变大,进失水能力减弱;固化剂改良土体的效果依次为石灰、水泥、高岭土,且改良土体的进失水能力变化与土体表面斥水性和三相接触角的变化有明显的相关性。（2）改良花岗岩残积土进失水能力的变化由土体内部结构的改变以及表面性质的改变共同导致。（3）水泥和石灰主要依靠离子的交换团聚作用、土壤固化剂对土颗粒的包裹作用、硬凝反应以及碳酸化作用减弱土颗粒外部的双电层及其表面自由能,使土体斥水性和初始接触角变大;而高岭土主要依靠自身对水分子的吸附作用,对土体的斥水性和接触角影响不大。结果可为固化剂改变土体表面性质导致的接触角变化规律提供一定科学依据,也为不同渗透需求的实际工程选取改良剂提供一定参考。     

An analytical solution for rainfall infiltration into an unsaturated infinite slope and its application to slope stability analysis

Surficial slope failures in residual soils are common in tropical and subtropical regions as a result of rainfall infiltration. This study develops an analytical solution for simulating rainfall infiltration into an infinite unsaturated soil slope. The analytical solution is based on the general partial differential equation for water flow through unsaturated soils. It can accept soil–water characteristic curve and unsaturated permeability function of the exponential form into account. Numerical simulations are conducted to verify the assumptions of the analytical solution and demonstrate that the proposed analytical solution is acceptable for the coarse soils with low air entry values. The pore‐water pressure (pwp) distributions obtained from the analytical solution can be incorporated into a limit equilibrium method to do infinite slope stability analysis for a rain‐induced shallow slip. The analysis method takes into account the influence of the water content change on unit weight and hence on factor of safety. A series of analytical parametric analyses have been performed using the developed model. The analyses indicate that when the residual soil slope, consisting of a completely decomposed granite layer underlain by a less permeable layer, is subjected to a continuous heavy rainfall, the loss of negative pwp and the reduction in factor of safety were found to be most significant for the shallow soil layer and during the first 12 h. The antecedent and subsequent rainfall intensity, depth of a less permeable layer and slope angle all have a significant influence on the pwp response and hence the slope stability. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

A new and simple stress-dependent water retention model for unsaturated soil

The water retention curve (WRC) is an important hydraulic property of unsaturated soil needed for seepage analysis. Experimental evidence shows that the WRC is affected by various factors such as net stress and soil type. Many attempts have been made to describe the effects of net stress by including the void ratio in a water retention model. But the void ratio (i.e., soil density) is not the only parameter altered by the application of net stress. The pore structure, including the pore size distribution, pore shape and pore orientation, is also changed. Thus the influence of net stress on the WRC should not be treated as equivalent to density effects. In this study, it is verified that the inclusion of the void ratio cannot adequately capture the effects of net stress on the water retention behaviour. A new and simple water retention model is thus developed by considering the stress effects on the void ratio as well as the pore structure. The model is then applied to simulate the WRCs of three different soils tested over a wide range of stress conditions, including isotropic and anisotropic stress conditions. The results show that better predictions of experimental data can be made by incorporating the effects of net stress on both the void ratio and the pore structure.     

汕头市花岗岩残积土的工程特性及路堑边坡稳定分析

花岗岩残积土在汕头市分布广泛,具有不均匀性及各向异性、扰动性、软化特性和崩解性。在天然状态下它们具有较低的压缩性、较高的承载力和较大的抗剪强度,但遇水后力学性质显著降低。花岗岩残积土的扰动性通常导致室内试验指标失真,使压缩模量低于变形模量,因此,花岗岩残积土的变形模量和地基承载力应通过原位测试(主要是标准贯入试验)来确定,并为此建立了本区花岗岩残积土地基容许承载力与标准贯入击数的对应关系。同时对汕头市花岗岩残积土路堑边坡失稳的原因进行分析并提出切实可行的防护办法。     

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.