黄土湿陷机理研究现状及有关问题探讨

黄土湿陷性问题由来已久。20世纪60-80年代, 采用扫描电镜(SEM)和物化分析技术, 黄土湿陷机理的结构理论获得了发展和完善, 当时, 由于不能提供定量的力学参数而很少应用于工程建设。随着土工试验技术的进步以及土力学理论的发展, 克服传统的黄土湿陷机理研究方法的不足成为可能。本文首先论述了黄土湿陷性研究的力学属性; 其次, 提出了黄土的广义湿陷概念; 最后, 从非饱和土力学角度对黄土湿陷机理研究的有关问题进行了讨论和分析。      

黄土湿陷机理研究现状及发展趋势

在回顾早期黄土湿陷机理研究成果的基础上,概述了黄土湿陷机理的发展历程,从微观结构、数理分析方法、土力学角度和建立本构模型4个方面总结了黄土湿陷机理的研究现状。通过工程实例研究提出了当前黄土湿陷机理发展中存在的问题;并对其发展趋势进行了分析。认为应以黄土微观结构研究为基础,结合先进测试仪器和分析软件,从非饱和土力学的角度出发,采用离散元分析手段,考虑溶盐因素,系统建立各种应力路径下黄土湿陷本构关系,从而完善黄土湿陷机理的研究。这对正确理解和研究黄土湿陷机理具有重大的理论意义和指导意义。     

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。     

桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法初探

为确定桩间黄土卸荷湿陷过程中卸荷量的合理取值,开展桩−土界面大型剪切试验,研究桩间黄土卸荷湿陷状态下桩−土界面剪切强度、剪切位移及桩−土界面法向力之间的相关关系。结果表明：在桩间土中性点深度范围内,不同竖向应力和含水率状态下的桩−土界面剪切强度可代表桩侧负摩阻力。利用卸荷量与桩侧负摩阻力互为作用力与反作用力的力学原理,并在分析卸荷量随湿陷深度和湿陷进程变化规律的基础上,提出黄土卸荷湿陷过程中卸荷量计算方法,通过对比卸荷量计算值与不同黄土地区桩侧负摩阻力现场实测值,以验证其合理性。该方法不仅为科学评价黄土卸荷湿陷特性提供卸荷作用量化手段,还为相关黄土工程的优化设计提供理论参考依据。     

湿陷性黄土增湿和减湿效应的探讨

湿陷性黄土的湿陷性不是一成不变的。土中含水率的变化产生的增湿和减湿效应,对黄土湿陷性影响很大。进行黄土湿陷性评价时,应注意以动态的观点和方法综合分析、预测增湿和减湿效应的不利影响,以便采取有效的处理措施,消除工程事故隐患。     

郑西高速铁路豫西段黄土现场浸水自重湿陷特征研究

通过现场浸水试验,研究了郑西高速铁路豫西段典型黄土场地浸水后的自重湿陷特征,分析了湿陷土层深度随浸水时间的演化规律,判定了浸水水平向影响范围。研究表明：浸水边界对沉降的影响十分明显,浸水后的湿陷速率呈现出慢-快-慢直至稳定的特点,在浸水10 d后已完成总沉降量的60%,浸水30 d时完成总沉降量的约90%;该场地实测因地区土质而异的修正系数 为1.30,大于规范推荐的0.9,说明该地区黄土的湿陷程度比以往认识地更为强烈;该场地自重湿陷土层下限深度室内试验值是19 m,而现场实测值是16 m,前者是后者的1.2倍。通过综合判定,该场地浸水后的湿陷变形范围为距试坑边缘20 m,与试坑的直径相当,建议在郑西高速铁路沿线此类黄土场地,线路两侧20 m范围内不得积水。该研究成果已在郑西高速铁路建设中得到应用,也可为该地区类似工程提供参考。     

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。     

湿陷性黄土的术语和基本概念

从黄土的湿陷性、黄土的湿陷特性曲线、湿陷特性曲线、湿陷类型和湿陷等级、增湿变形机理和力与水的作用次诒等５个方面列出了有关湿隐性黄白的３０条术语,并阐明了它们的基本概念。     

基于广义塑性力学的黄土湿陷变形本构关系

分析了黄土湿陷变形的塑性特性,基于广义塑性力学原理建立了湿陷变形的增量本构关系。将增湿含水量作为内应力,应用常规三轴浸水试验拟合得出了湿陷体积屈服面和剪切屈服面,并且给出了黄土湿陷变形的起始屈服面。该模型能够反映湿陷性黄土在不同湿陷作用,即水和力的不同组合作用下的湿陷变形特性,考虑了湿陷体积变形和湿陷剪切变形以及球应力和偏应力对它们的交叉影响。     

黄土湿陷微观机理研究现状及发展趋势

黄土特有的湿陷性使其具有遇水软化和工程扰动的强致灾特性,从根本上认清黄土的湿陷机理,是解决黄土地区地质灾害及工程地质问题的迫切需求。文章搜集整理黄土湿陷机理方面的研究成果,从黄土的胶结物组成、性质及胶结方式,微结构特征和颗粒间作用力等三个方面归纳总结黄土湿陷微观机理的研究现状。通过实例分析初步探讨了延安新区马兰黄土的湿...     

黄土的多级湿陷性研究

在野外现场渗水试验和室内实验的基础上,探讨了黄土湿陷性与湿度的关系,提出了黄土广义湿陷系数和潜在湿陷系数等新概念,定量分析了这些参数与湿度的关系。据此,作者认为黄土可以不是一次完成浸水湿陷,具多级湿陷特性。     

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。     

黄土结构强度与湿陷性的关系初探

阐述了黄土结构强度的概念和测定方法及其变化规律,并依据其与含水率的幂函数关系以及黄土湿陷系数与含水率的幂函数关系,找到了结构强度与湿陷系数的线性拟合关系,对黄土结构强度与湿陷性的关系进行了分析。结果表明,黄土的初始含水率越大,结构强度越小,湿陷系数也越小;在含水率相同或相近的情况下,黄土的湿陷系数会随着结构强度的增大而减小。     

Research on the collapsibility of loess after water immersion

Natural Hazards - This study provides insights from individuals working to reestablish permanent housing in Sea Bright, NJ, following Hurricane Sandy. To collect these perspectives, we gathered...     

Experimental study of steady seepage in unsaturated loess soil

The complexity of unsaturated soil means that its permeability coefficient and seepage law are important topics in soil mechanics and geotechnical engineering. In this study, a new type of equipment for measuring the seepage of unsaturated soil was used to study the steady seepage of unsaturated loess soil collected from northern Shaanxi province in China. The entire process of the steady seepage of unsaturated soil under different seepage hydraulic gradients was obtained, and the permeability coefficient in the steady seepage state was measured. When the soil water content was low, the soil moisture remained only in small pores or at the junction of soil particles, the effective seepage area of the sample was reduced, and the seepage path was extended. Therefore, the lower the water content, the smaller the permeability coefficient of unsaturated soil and the longer the time required for the seepage to reach a steady state. The matric suction of the unsaturated loess soil was measured under different water contents. With decreasing water content, water remained only in the smaller pores, which provided shrink films with a smaller radius of curvature. This allowed the shrink films to withstand a larger pore air pressure and transmit a smaller pore water pressure, so that the matric suction of the loess soil increased with decreasing soil water content. The Gardner model provided an accurate fit of how the matric suction varied with the volumetric water content of the unsaturated soil. The seepage velocity and seepage hydraulic gradient were correlated well with a linear relationship, indicating that the seepage law of unsaturated loess soil accords with Darcy’s law. The experimental results show that the new unsaturated soil permeameter has good performance and controllability, thereby providing support for studying the steady seepage of unsaturated soil.

     

影响黄土湿陷系数因素的分析

在工程地质勘察及土工试验资料的基础上，分析影响黄土湿陷性的主要因素，应用数理统计方法．系统研究了不同深度黄土湿陷系数随天然含水量和干密度的变化规律：黄土的湿陷系数δs随深度的增加而减小；天然含水量ω和干密度γd与黄土的湿陷系数δs均呈直线负相关关系。通过回归分析建立了黄土湿陷系数与其主要影响因素间的线性回归方程：δs=-0．00038ω-0．1022γd＋0-1839。     

巴基斯坦某黄土场地湿陷特性试验

巴基斯坦某地区的黄土为第四纪全新统冲洪积层,对该地区的研究和现有地质资料都比较少,需要做专门的研究。为了确定该区域的黄土地层分布情况及湿陷特性,根据工程场地建筑分布,分别选取典型位置的钻孔,取土样进行土工室内试验研究。利用构度指标定量描述黄土的结构特征,确定黄土的自重湿陷系数和湿陷系数,计算场地自重湿陷量和总湿陷量,并与规范方法进行比较。试验结果表明,该区域场地黄土的干密度和湿陷系数（上覆压力200 kPa）随深度几乎不变,天然含水率随深度整体呈增加的趋势。黄土的构度随综合物理特征量的增加而呈指数形式减小,压缩屈服应力p_sc随含水量的增加而减小,并且与构度呈线性关系。判定该区域黄土的场地为自重湿陷性场地,修正系数建议取小于1,地基湿陷等级为Ⅲ级严重。     

非饱和土边坡稳定分析方法探讨

在对非饱和土边坡进行稳定分析时,应该全面地考虑基质吸力对边坡稳定的贡献。首先,分别探讨了基于Fredlund非饱和土强度表达式和Bishop非饱和土有效应力强度公式将强度折减有限元法推广到非饱和土边坡稳定分析中的具体方法;然后,开发了可以考虑基质吸力两种处理方法的强度折减有限元计算程序;最后,给出了一个非饱和土边坡稳定分析的对比算例,说明了二者的不同特点。     

非饱和土壤Richards方程入渗求解探讨

根据理查兹(Richards)方程求解非饱和土壤垂直一维入渗率历时规律,因缺乏土壤水分特性函数K(θ)、D(θ)的一般有效公式,而采用与实际相差甚远的定值或线性函数假设,使成果隐含过多经验成分或需要反复迭代计算.笔者在文献[1]中提出的非饱和土壤水分特性函数的一般有效基础公式,用分离变量法直接求解Richards方程,用土壤水动力学方法分别导出了含有渗前土湿因子的新入渗公式.它摆脱了同类入渗公式对水分函数过于简单的概化假设和经验成分.为放弃迄今水文学产流计算中惯用的下渗容量曲线"截首留尾"的经验做法,以直接使用含有渗前土湿因子的下渗公式提供了理论依据,从而将有利于产流计算方法的改进和计算精度的提高.