土体持水特性及孔隙水分布特性的试验研究

采用轴平移技术对砂土、粉质黏土、黏土3种土质的土-水特征曲线进行了测试分析,并结合核磁共振技术测得了试样在不同基质吸力加载步条件下的T₂时间（横向弛豫时间）分布曲线,从细微观角度分析了脱湿过程中孔隙水在土体中赋存分布的情况。实验结果表明:3种土质的体积含水率随着控制吸力的增大而减少,该脱湿曲线可分为边界效应区、过渡区与残余区3个区域。其中,黏土的持水特性明显大于粉质黏土和砂土。核磁共振的试验结果与压力板仪获得的脱湿过程是对应的,从微细观角度展示了土体的排水过程。在排水过程中,总体上具有较大势能的大孔隙水先排出,随后小孔隙开始排水,但这一规律并不绝对,由于土体孔隙结构的复杂性,会出现大小孔隙同时排水以及土样中水分重分布的现象。     

非饱和膨胀土SWCC研究

研究土体吸力与含水量关系,对于非饱和土的变形和强度问题,有重要的应用价值。利用非饱和土三轴仪对膨胀土进行试验研究,比较系统地分析了矿物成分、孔隙结构、土体应力状态、应力历史等因素对土-水特征曲线的影响。尤其土的矿物成分和孔隙结构是主要的影响因素。综合考虑各种因素的影响,通过室内和野外吸力量测,对土-水特征曲线进行拟合、比较,建立了幂函数模型。由土-水特征曲线可知,室内干湿循环土-水特征曲线具有明显的差异性,野外土-水特征曲线的差异性不明显,并与室内浸湿曲线相似。将野外曲线和浸湿曲线结合起来,推算非饱和状态下土的渗透性、抗剪强度等指标,可以较好地解决岩土力学问题。     

土−水特征曲线测量过程中孔隙分布的演化规律探讨

测量了在宽广吸力范围内原状样和压实样的脱湿持水曲线,对比分析了单双峰结构持水性能的差异;并利用压汞试验测试两种土样在脱湿过程的孔隙分布,分析了两者的差异并探讨了脱湿过程孔隙的演化规律;在考虑收缩变形的基础上,基于孔隙分布曲线确定了土?水特征曲线的基本参数。试验结果表明：原状样在宽广吸力范围内基本上呈单峰孔隙结构;饱和压实样具有单峰孔隙结构,随着吸力的增加,双峰结构越来越明显,当吸力达到很大时,演化成完全双峰孔隙结构。原状样的持水曲线为经典的S形,而压实样的持水曲线在过渡段出现了水平台阶状;低吸力段,压实样的持水曲线低于原状样,而高吸力段,两者的持水曲线基本重合。基于孔隙分布曲线确定了控制持水曲线进气值和残余值的孔径,并计算出对应的吸力值,其值更符合实际物理意义。     

应力状态对膨胀土SWCC的影响研究

探讨了应力对膨胀土的土-水特征曲线的影响。试验研究表明：膨胀土的首次干湿循环过程的“滞后”现象明显。应力状态对膨胀土的土-水特征曲线影响显著,与常规试验方法相比,一维固结状态和各向等压应力状态下的土-水特征曲线更具线性关系,干湿循环甚至出现了逆向回滞现象。     

土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性研究

为探究秦巴山区土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性,分别对不同孔隙比、含石量的土-石混合体开展非饱和入渗试验和压汞试验。试验结果表明：高压实度、低含石量下土-石混合体土-水特性曲线明显高于低压实度、高含石量土-水特性曲线;影响土-石混合体土-水特性的孔隙孔径在小于200μm范围内;含石量较低时,提高压实度造成孔隙向低孔径范围集中,使得土-水特性曲线在该孔径范围变陡;含石量较高时,提高压实度主要压缩大孔径孔隙（d>80μm）,对小孔径孔隙的影响较小,使其土-水特性曲线较为一致。密实度较高时,增加含石量造成土-石混合体的孔隙分布更为均匀,土-水特性曲线由陡峭变为平缓;当密实度较低时,不同含石量下其小孔隙部分结构差异较小,土-水特性曲线较为一致。     

一种非饱和土表层蒸发过程的预测方法

探索了一种由土壤基本物性指标、气象数据预测非饱和土表层蒸发过程的方法。通过土壤基本物理性质（颗粒分布、土粒相对密度、干密度）预测出土-水特征曲线（SWCC）,进而得到土壤气相对湿度与含水率的关系,采用Penman-Wilson模型预测出了非饱和土表面的蒸发曲线。通过该方法,只需实地采取土样,获取其基本物理性质,由任意时刻土壤的含水率及气象数据就能预测出该时刻土表的蒸发速率。采用自制的自动蒸发测量系统进行浅层土蒸发试验,得到了蒸发曲线,与预测结果进行比较发现预测蒸发过程与实测结果一样皆由临界含水率和风干含水率将其分为3个阶段：稳定阶段、减速阶段和残余阶段,且蒸发量吻合,证明了所提出方法的准确性和实用性,对工程界估计土表蒸发量,确定水流量边界有重要意义。     

土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

失水过程孔隙结构、孔隙比、含水率变化规律

当土体总应力状态保持不变时,基质吸力的提高是导致孔隙水排出、土样收缩、孔隙结构改变的主要原因。对于特定吸力下的土样,其微观孔隙结构决定了土壤孔隙比;而土壤孔隙结构,土壤基质吸力共同决定了土壤的含水率。假定在失水过程中,当孔隙水尚未排出时,其土壤孔隙孔径不会收缩,孔隙体积保持不变。可通过吸力建立起变化的土壤孔隙体积曲线和土-水特征曲线、土壤收缩曲线之间的对应关系：（1）累计孔隙体积曲线的包络线即为实际发生的土水特征曲线;（2）基于累计孔隙体积曲线,能够有效确定土样收缩曲线的上下限范围     

干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响

采用压力板仪详细研究了不同击实条件对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响,并采用van Genuchten模型对实测试样的土水特征曲线进行了拟合。分别取在初始击实含水率相同的条件下,击实干密度不同的试样以及在击实曲线上同一干密度处对应的不同初始击实含水率的试样,对其进行土水特征曲线测试。结果表明:击实干密度越大,空气进气值越高。击实含水率越大,试样可塑性越好,其空气进气值越大。     

盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究

利用测温法和核磁共振法测量了不同浓度典型盐溶液(Na Cl、Na₂CO₃)饱和重塑粉土的冻结温度及冻结特征曲线,并与不同浓度的Na Cl、Na₂CO₃纯溶液作对比分析,研究初始含盐量对冻结温度及未冻水含量的影响。结果表明:土样冻结温度随初始含盐量的增加而逐渐降低;相同浓度Na Cl溶液饱和土样的冻结温度低于相应纯溶液的冻结温度,但相同浓度(<0.6mol/L)Na₂CO₃溶液饱和土样的冻结温度却比纯溶液的冻结温度高;同一负温下,土样中未冻水含量随Na Cl初始含盐量的增加而增多,但随Na₂CO₃初始含盐量的变化不明显。通过机制分析,表明盐类型和含盐量对土水势具有不同的影响。基于改进的广义Clapeyron方程,将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型,得到了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达,并与实测数据进行对比,验证了该模型能够较为合理的预测不同温度下含盐土体的未冻水含量。     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

土-水特征曲线与核磁共振曲线的关系

土-水特征曲线在非饱和土的研究中扮演着重要的角色,其预测方法的研究具有重要的科学意义。以武汉黏性土为研究对象,在土-水特征曲线试验和核磁共振（NMR）试验的基础上,利用Fredlund-Xing模型对试验数据进行拟合分析。结合KST模型和Young-Laplace理论,建立了基质吸力与土体中孔隙水的弛豫时间（T2）之间的理论关系式,试验结果表明该理论关系式并不能简单有效的描述基质吸力与T2值之间的实际关系。基于土-水特征曲线和NMR试验结果,建议了基质吸力与T2值之间的经验关系式,在此基础之上,给出了基于NMR曲线的不同初始干密度非饱和黏性土土-水特征曲线的预测方法。     

冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征研究

为研究冻融作用下砂岩孔隙结构损伤特征,选取5个岩样进行100次冻融循环试验,并采用核磁共振技术对砂岩孔隙结构进行测试,得到了冻融作用下砂岩的核磁共振弛豫时间T2谱分布、孔隙度等细观结构特征。根据孔隙的孔径分布特征,按孔径尺寸划分为小孔隙、中孔隙、大孔隙3类,并采用扩散双电层理论对不同尺寸孔隙水分布规律进行了分析。结果表明:随着冻融循环次数增加,核磁共振T2分布右移,砂岩的孔隙度增大;同时,水-岩作用导致部分矿物质溶解在孔隙水中,使得孔隙水中离子浓度升高,导致岩石内部产生大量的次生孔隙。随着孔径尺寸的增加,孔隙中的束缚水含量逐渐减少,且小孔隙的束缚水含量远远大于大孔隙;在低温冻结时,自由水先于束缚水结冰,小孔隙束缚水离子浓度的增长幅度小于大孔隙,进而产生了离子浓度差,使得小孔隙中的水分子向大孔隙迁移,造成小孔隙的损伤速率远小于大孔隙。因此,小孔隙在水-岩作用与冻胀压力的作用下不断发育,大孔隙则在冻胀压力下快速扩张、发育,直至岩样发生宏观破坏。     

基于核磁共振技术的淤泥固化水分转化机制研究

为了揭示淤泥固化体的微细观水分分布与工程特性的内在联系,针对水泥固化湖泊淤泥,基于柔性壁渗透、无侧限抗压及核磁共振（NMR）试验,探明淤泥固化过程中的水分转化和孔隙结构演化机制,并与固化体的渗透系数k、无侧限抗压强度 和变形模量 建立关联。试验结果表明：7 d龄期内水化反应速率快,淤泥固化体内的大量孔隙水转化成水化物中的化合水,最可几孔径减小,形成孔隙结构骨架主体,导致k值降低、 和 增大;7 d后,只有当孔隙水扩散穿透水化物膜层,水化反应才继续缓慢进行,但 和 仍大幅增长;化合水量 与lgk存在线性关系,而 - 和 - 均呈指数关系。基于微观水分参数与工程特性的量化关系模型,可充分揭示水泥固化淤泥的宏微观演化机制。     

缩短核磁共振测定冻土未冻水含量实验时间的方法

为利用核磁共振(NMR)技术更快地测试得到冻土中未冻水的含量, 首先对传统的单试样测试方法进行了分析, 探究了其实验时间过长的原因. 然后, 基于传热学中的集总参数法, 研究了小体积试样在空气中以自然对流传热为冷却方式的温度变化特征. 根据试样温度与时间的对应关系, 提出了多试样连续测试法. 最后, 以一种黏土为例, 分别利用多试样连续测试法和单试样测试法测量了土样冻结过程中NMR信号强度随温度变化的关系. 实验结果表明: 二者的测量结果非常接近, 但连续测试法耗费的时间非常少. 综合比较两种利用NMR技术所耗费的时间和实验结果的精确程度, 多试样连续测试法是可行的.     

非饱和残坡积土强度随含水量变化的改进BP神经网络预测研究

水是导致残坡积土边坡滑坡的最主要原因,因此研究水对残坡积土力学性质的影响具有重要的理论和工程实际意义。本文在普通三轴仪上进行非饱和残坡积土的强度试验,并基于试验结果建立了非饱和残坡积土强度随含水量变化的改进BP神经网络预测模型。模型计算结果与试验结果对比分析表明,该神经网络预测模型具有较高的拟和精度和良好的泛化能力,能较好地预测试验含水量范围内任意含水量下对应的非饱和残坡积土应力-应变关系,从而能够弥补室内试验由于设计方案等自身缺陷引起的不足。研究结果可为工程应用提供参考。