黄土非饱和湿陷变形的计算模型

针对黄土含水量增加可发生变形的特点,提出一种考虑黄土非饱和湿陷变形的计算模型。该模型将基质吸力作为湿陷的原因,以非饱和渗透和非饱和变形理论为基础,并考虑了水分在土层内的分布对湿陷变形的影响。以甘肃黑方台灌区自重湿陷性黄土为研究对象,进行了不同含水率的侧限压缩试验和土水特征曲线的测试,建立非饱和渗透模型,利用上述计算模型得到了不同时间的场地湿陷变形总量和年变形量。其总湿陷量同实际结果基本一致,且2007~2011年湿陷量和累积湿陷量同文献中采用INSAR技术得到的结果相近。通过和规范建议的湿陷系数法计算结果对比表明,考虑黄土的非饱和湿陷变形会得到较为符合实际的结果。     

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。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

从非饱和土力学角度探讨黄土湿陷机制

本文回顾了黄土湿陷概念的由来及其基于其微结构湿陷机制研究现状。对从非饱和土力学角度开展黄土湿陷机理研究的有关问题进行了讨论和分析,提出了广义湿陷性概念。黄土湿陷机制研究应根据具体湿陷路径针对性开展非饱和土应力路径试验研究,从而进一步建立黄土广义湿陷本构模型,为工程问题的定量分析和数值计算提供科学依据。非饱和黄土常剪应力增湿试验表明,黄土湿陷破坏之前发生了一定的微小变形,随后应变速率突然增加,偏应力也不再维持为常数。同时,观察到孔压突然上升1~2kPa,表明黄土湿陷过程发生了不完全排水剪缩破坏。     

关于黄土湿陷性评价和剩余湿陷量的新认识

在总结诸多大型浸水现场试验成果的基础上,提出了一些关于湿陷性评价方法和剩余湿陷量合理控制等问题的新认识,目的是为了修正自重湿陷性黄土场地的自重湿陷量计算值与其实测值之间的差异,并减小地基处理深度。在获取自重湿陷量的计算值时,引进了一个深度修正系数?,使自重湿陷量和湿陷量的计算值接近实测值,这在一定程度上降低了较深部位黄土的剩余湿陷量。在获取湿陷量计算值时,提出了扩大湿陷系数阈值(0.015)的方案,并与深度修正系数?联合使用,达到了扩大湿陷量的计算值和降低较深土层的剩余湿陷量的目的。提出了大厚度自重湿陷性黄土场地的湿陷临界深度的概念,通过若干资料将其初步确定为20²5 m之间,结合深度修正系数和扩大湿陷系数阈值方法,使用湿陷临界深度概念,可以更为有效地降低较深土层的剩余湿陷量。新的研究思路可为自重湿陷性黄土场地的类似工程和黄土规范的修订提供一定的参考。     

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。     

新疆伊犁南岸干渠黄土渠段湿陷性分析

新疆伊犁南岸干渠工程明渠段沿线风积黄土广布,黄土的湿陷性对工程具重要影响。本文依据规范并考虑工程实际,对区内黄土的湿陷性等级、起始湿陷压力、湿陷性黄土厚度进行了综合分析,分析了挖方渠道黄土的湿陷性程度;并在考虑降雨土体非饱和过程的条件下,对填方渠道土地基的湿陷变形量进行了详细深入的研究。通过分析认为,工程区黄土渠段为非自重湿陷性场地,湿陷等级为Ⅰ～Ⅱ级;压实后的黄土不具湿陷性;无论是挖方渠道还是填方渠道,经过换填处理和设置排水措施后,即可消除湿陷性,无需要再做专门处理措施。     

考虑卸荷作用的黄土湿陷性评价方法研究

卸荷作用会导致湿陷性黄土部分湿陷量未发生,但目前黄土湿陷性评价方法中未考虑卸荷因素的影响。推导并建立了卸荷条件下黄土湿陷系数的表达式,并通过卸荷湿陷试验确定了表达式中的参数取值。首先定义湿陷完成比、卸荷应力比分别用来表征卸荷作用发生前黄土湿陷变形的完成程度及卸荷作用发生时卸荷量的大小。运用湿陷完成比及卸荷应力比推导出卸荷湿陷系数的计算公式。该公式揭示出卸荷湿陷系数是对湿陷系数一定程度的折减,而该折减与湿陷完成比及卸荷应力比有关。随后进行黄土在不同湿陷完成比和卸荷应力比下的卸荷湿陷试验,得到上述条件下黄土卸荷湿陷量的取值。对试验结果进行分析得到卸荷湿陷系数的具体表达式。该公式可用于计算在不同初始压力下,任意湿陷完成比及卸荷应力比下的卸荷湿陷系数。通过对比卸荷湿陷系数的试验值与计算值验证了所推公式的合理性及准确性。得到了考虑卸荷作用的黄土湿陷性影响系数的确定方法,进一步总结了卸荷作用对黄土湿陷性的影响规律。     

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。      

考虑卸荷作用的黄土湿陷性评价方法研究

卸荷作用会导致湿陷性黄土部分湿陷量未发生,但目前黄土湿陷性评价方法中未考虑卸荷因素的影响。论文推导并建立了卸荷条件下黄土湿陷系数的表达式,并通过卸荷湿陷试验确定了表达式中的参数取值。首先定义湿陷完成比、卸荷应力比分别用来表征卸荷作用发生前黄土湿陷量的完成程度及卸荷作用发生时卸荷量的大小。运用湿陷完成比及卸荷应力比推导出卸荷湿陷系数的计算公式。该公式揭示出卸荷湿陷系数是对湿陷系数一定程度的折减,而该折减与湿陷完成比及卸荷应力比有关。随后进行黄土在不同湿陷完成比和卸荷应力比下的卸荷湿陷试验,得到上述条件下黄土卸荷湿陷量的取值。对试验结果进行分析得到卸荷湿陷系数的具体表达式。该公式可用于计算在不同初始压力下,任意湿陷完成比及卸荷应力比下的卸荷湿陷系数。通过对比卸荷湿陷系数的试验值与计算值验证了所推公式的合理性及准确性。得到了考虑卸荷作用的黄土湿陷性影响系数的确定方法,进一步总结了卸荷作用对黄土湿陷性的影响规律。     

不同应力路径下非饱和黄土的结构变化特性

以陕西杨陵非饱和黄土为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土及相应的重塑黄土进行不同应力比下的等应力比加载试验,求取非饱和黄土在不同应力状态下的综合结构势参数,研究了黄土在等应力比压缩试验状态下的结构变化特性。结果表明,当初始含水率不变时,应力比(?=?3/?1)对黄土的结构性有较大的影响,表现为应力比愈小,黄土的结构性愈弱;当应力状态不变时,含水率对结构性参数影响明显。含水率愈低,同一应力状态下对应的结构性参数愈大,尤其在低含水率区域,含水率变化强烈影响原状黄土的结构性。     

非饱和黄土结构性定量试验研究

非饱和黄土是典型的结构性土,对4种含水率的原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土进行了3种围压下的三轴剪切试验。基于二元介质理论,通过原状非饱和黄土和重塑非饱和黄土的应力-应变曲线对比,定义了结构性参数结构应力分担比。考察了不同围压和含水率对结构应力分担比随应变变化的影响,并给出了其定量表达式。试验结果表明,围压和含水率是影响结构性的两个主要因素;随着应变增长,结构应力分担比分先线性增长后指数形式减低,其最大值可以表示成围压和含水率的函数。最后给出了考虑结构性的原状非饱和黄土本构模型的建模思路。     

湿载耦合条件下结构性黄土的压缩变形模式研究

对不同含水率的杨凌、青海结构性黄土进行压缩试验,依据变形等效原则,用同一固结孔隙比下非饱和黄土与相同干密度饱和黄土的应力之差定义了结构流体等效应力,提出了压缩应力条件下结构性黄土的有效应力原理。探讨了结构流体等效应力与饱和度（含水率）及应力之间的关系,发现含水率较低时黄土的结构流体等效应力与应力之间呈线性关系,并基于此结构流体等效应力,提出了湿载耦合时结构流体等效应力的表达式。依据压缩应力条件下结构性黄土的有效应力原理,引入能够反映结构性变化的结构流体等效应力,在饱和黄土压缩曲线的基础上建立了结构性黄土压缩曲线模式,根据此模式可以确定湿载耦合时的总应力压缩曲线和有效应力压缩曲线,计算结果与试验结果吻合较好,为计算其增湿湿陷变形提供了一条新的途径。     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

非饱和黄土结构性参数与其强度指标关系初探

在非饱和黄土结构性前期研究成果的基础上,初步探索了结构性参数与强度指标之间的联系规律以及如何利用结构性参数求取土体不同结构状态下的强度指标等问题。分析表明,结构性参数与强度指标之间存在良好的内在联系;所定义的非饱和黄土结构性参数比与土结构性的影响因素之间关系密切;通过反映土结构性各因素综合影响的定量指标--综合结构状态量,结合原状黄土天然含水率下的强度指标,可以在较大范围求出给定结构状态下非饱和黄土的强度指标。     

考虑温度和密度影响的非饱和黄土土-水特征曲线研究

取扰动黄土进行试验研究,测试得到了不同密度和温度黄土土样的土-水特征曲线。试验资料揭示出：密度变化引起基质吸力的变化非常显著。相对而言,温度变化引起基质吸力的变化不显著。对于一定含水率的土样,温度变化引起的吸力变化值在高含水率时较小,可以忽略不计,而在低含水率时较大;温差越大,吸力变化越大。进一步基于试验资料的分析,得到了考虑密度和温度影响的土-水特征曲线的表达式,并通过计算和测试结果的对比分析,验证了表达式的合理性。     

温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨

对非饱和黄土土样的实验结果揭示出,对于初始含水量均布的土样,在两端施加温差后,冷端的含水量增大,热端含水量减小。在温度差作用下,温度差越大,土体密度越小,水分迁移特征越明显,土样两端含水量差越大。当初始含水量较大和较小时,温度差引起的含水量差均较小;当初始含水量适中时,温度差引起的含水量差值较大。基于实验结果,考虑含水量和密度的影响,得到温度梯度引起含水量梯度的表述关系式,计算和实测结果验证了该表述式的可靠性。据此得到了考虑温度影响的非饱和黄土水势的表述式,该式考虑了土体密度、温度梯度、含水量和含水量梯度对水势的综合影响,对实验土样的计算结果反映了水分的稳态分布。     

基于微结构失稳假说及广义吸力理论的黄土体变模型

针对原状非饱和及饱和黄土的体积变形问题,提出了一个复合体计算模型。该模型将黄土看作由各自均匀分布于土中的原状部分和扰动部分组成的,这两部分土体的体积比率,可由黄土结构的微观几何模型、孔隙率密度曲线及考虑广义吸力的微结构失稳条件计算得出。假设原状部分仅发生弹性变形,扰动部分符合重塑土的变形规律。复合体的应变增量包括原状部分的弹性、重塑土的塑性及结构崩塌3部分;其中：结构崩塌变形特指微结构失稳时原状土体的孔隙率突然变为重塑土的孔隙率;重塑土的体积应变形采用广义吸力理论计算。采用不同的初始饱和度的黄土结构强度计算出非饱和土微观结构刚度与饱和度的函数,从而获得非饱和土黄土微观结构失稳的判别条件。分别计算了低含水天然非饱和及饱和黄土的压缩曲线,并与试验结果对比说明了模型的合理性。     

非饱和土向上渗流试验仪的研制与应用

地下水(潜水)位上升,在黄土(非饱和土)中会产生一种特殊的渗流现象向上渗流。为了探索黄土中的向上渗流规律,研制了非饱和土向上渗流试验仪。试验仪器由补水装置、渗流装置、连接管及试验台等部件组成,可用来模拟不同水势压力(定水头压力)条件下潜水位上升的水土作用过程。该试验仪不仅可直接观察水在土中向上渗流的过程、渗流锋面形态及变化,而且可以获取渗流锋面位移-时间关系(渗流速度)、渗流压力-渗流速度关系等渗流特征参数,揭示向上渗流规律,服务于黄土灾害(滑坡、崩塌、地面沉降等)研究。基于此试验仪器,采取两组原状非饱和离石黄土,对其均分别进行定压力水头为1cm、5cm、10cm的向上渗流模拟试验,试验结果表明:试验仪器能够较好模拟定水头压力条件下潜水位上升的水土作用过程、直观再现水在土中的向上渗流以及获取所需的向上渗流特征参数,具有一定的应用前景及价值。