特大暴雨诱发平缓浅层滑坡堆积土饱和与非饱和水力学参数试验研究:以王正塝滑坡为例

第四系残坡积堆积(Q_4~(dl+cl))土和滑坡堆积(Q_4~(del))土,其岩性变化较大且土体密实程度不同对其渗透性有较大影响,室内直接测试其渗透系数较困难。首先,在王正塝滑体上开展双环渗透试验,测得了不同位置的渗透系数;其次,利用滑带土土样,开展了增减湿循环条件下的土水特征曲线测试,将实验室测得的土水特征曲线离散点,采用3种经典的土-水特征曲线模型进行拟合;最后,根据van Genuchten拟合的土水特征曲线和饱和渗透系数,采用van Genuchten经验公式估算了其非饱和渗透系数。研究表明:该滑坡体土层的饱和渗透系数为1.15×10~(-7)~366×10~(-7)m/s,相差100倍的数量级,这主要是滑体不是均匀土体,入渗快的地方可能存在水的优势入渗通道的原因;对离散的试验数据采用3种模型拟合效果较好,这3种模型对该滑坡体非饱和土具有较好的实用性;相关研究成果可为王正塝滑坡非饱和非稳定渗透计算提供参数依据,并对同类型土体非饱和水力学参数的确定具有一定的借鉴意义。     

固结作用下粉土的持水性能与细观机制研究

针对传统仪器无法考虑岩土工程中温度和荷载等因素综合作用的缺陷,研制了一套多功能土-水特征曲线试验仪。以粉土为研究对象,开展了不同固结应力作用下粉土的土-水特征曲线试验,并测量其增减湿过程中土体的体积胀缩量,以便修正体积变化对其体积含水率的计算误差。结果表明,粉土在减湿过程中,土体的体积发生明显的收缩。其收缩量与固结应力水平有关,固结应力越小,则减湿引起的体缩量越大。但土体在增湿过程中的体积则基本保持不变。固结应力对粉土 土-水特征曲线的进气值、增减湿速率影响较大,固结压力越大,其进气值越大、减湿速率也越大。最后,为揭示固结应力对土的持水性能的影响机制,开展了不同固结应力作用下土体的细观试验。结果表明,固结应力主要改变了土体团粒间的大孔隙,而对黏土颗粒之间的孔隙影响较小。土体的持水性能与土体的孔隙大小和分布模式密切相关,大孔隙主要影响土体的进气值,而其孔隙分布模式则控制其增减湿湿速率。     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

冻融循环作用下黄土渗透性与其结构特征关系研究

在季节冻土区,周期性的冻融作用改变土体的内部结构,导致土体的渗透性发生变化。黄土渗透性变化的原因可以归结为两类:1黄土孔隙孔径大小的变化。2黄土颗粒粒径大小的变化.因为分形理论能够很好地估算土体的结构特征,所以本文基于分形理论探究冻融循环后黄土渗透性变化的原因。对经历过冻融循环的原状黄土和重塑黄土进行颗粒质量-粒径分布和孔隙体积-孔径分布分形计算,结果显示:原状黄土和重塑黄土的颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度R2分别为0.7509和0.8222,高于孔隙体积-孔径分形维数与渗透系数的拟合度0.467和0.4576。颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度比孔隙体积-孔径分形维数高,说明土颗粒粒径对渗透性的影响大于孔隙孔径,即土体渗透性与土颗粒粒径大小有高度相关性,而与孔隙孔径的关系弱于颗粒粒径。     

一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法

高放核废料地下处置、城市供热管道及埋地高压电缆等工程建设的进行,使得考虑温度影响的非饱和土渗透性能越来越受到人们的重视。在考虑温度效应的非饱和土土-水特征曲线研究基础上,结合利用土-水特征曲线预测非饱和土相对渗透系数的方法,建立了一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法。所建立的表达式是针对土-水特征曲线的整个吸力范围,从而使得其在应用上更具一般意义。利用MX-80班脱土和黄土土样的试验结果,对不同温度下相对渗透系数随吸力的变化进行了预测,得到了令人满意的结果     

盐溶液对石英粉-膨润土混合土渗透系数的影响与表征

采用变水头渗透试验对蒸馏水与不同浓度的NaCl、CaCl₂溶液下石英粉-膨润土混合土的渗透系数进行了测定,为探讨盐溶液及膨润土含量对混合物渗透系数的影响作用机理,使用核磁共振试验(MRI)、环境扫描电镜(ESEM)对混合物在不同盐度溶液下的孔隙分布特征进行分析。结果表明：在盐溶液作用下,石英粉-膨润土混合土的渗透系数明显增加,其孔隙分布也具有明显的差异。推断盐溶液对渗透系数的影响是由于混合土的孔隙变化引起的。最后利用黏粒孔隙比(e_b)的概念,建立了一种考虑盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土渗透系数的表征公式,与已有预测公式相比,新建表征公式能够较好地预测盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土的渗透系数。     

降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究

非饱和土在不同含水率条件下的基质吸力及其抗剪强度对降雨型浅层土质滑坡的防治具有重要意义。以武陵山区湘西北慈利县陈溪峪滑坡为例,选取了滑坡不同位置的多组粉质黏土原状样,首先利用现场双环渗透试验测定其饱和渗透系数,通过室内土-水特征试验获取其水-力相互作用参数,并利用VG模型和Mualem模型分别得到试样的土-水特征(SWCC)曲线和渗透系数函数(HCF)曲线;进而开展非饱和土直剪试验,研究不同含水率条件下滑体粉质黏土的抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同水力路径下,粉质黏土土-水特征曲线和渗透系数函数曲线具有明显滞后效应,干密度越小则滞后效应越明显,基质吸力对体积含水率的敏感性就越小;粉质黏土由饱和状态到非饱和状态,基质吸力增大提高了黏聚力,导致土体抗剪强度不断增大。研究结论可为降雨型浅层土质滑坡的防治提供科学依据。     

爆炸荷载作用下深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-衬砌系统动力响应

假定土骨架服从标准线性固体黏弹性本构关系,研究了深埋圆形隧洞的饱和黏弹性土-弹性衬砌耦合系统在轴对称爆炸作用下的瞬态动力响应。首先,基于饱和土的Biot模型和衬砌的弹性理论,通过引入势函数和Laplace变换,利用弹性衬砌和饱和黏弹性土界面处的连续性条件以及边界条件,得到饱和黏弹性土体和弹性衬砌位移、应力和孔隙水压力等在Laplace变换域中的解析解。其次,利用Laplace数值Crump逆变换得到耦合系统在时间域的动力响应,数值分析了不同土体模型下土体-衬砌耦合系统的径向位移和环向应力以及土体孔隙水压力等。结果表明：对不同土体模型的土体-衬砌耦合系统,其在爆炸载荷作用下的动力响应性态基本一致,但动力响应的振动周期和幅值等具有明显的差异。同时,对于饱和黏弹性土-弹性衬砌系统,土体黏性参数对土体径向位移和孔隙水压力有明显的影响,但对土体环向应力影响较小。     

考虑渗透系数变化的非饱和土固结性状分析

基于Fredlund非饱和土一维固结理论,研究了有限厚度的表面透水透气、底面不透水不透气的线弹性和黏弹性非饱和土地基在加荷随时间指数性变化时的一维固结特性。分别得到了两类地基在固结过程中同时考虑液相、气相渗透系数非线性变化和仅考虑液相渗透系数变化两种情况下的半解析解答。利用典型算例进行计算,分析了不同情况下两类地基中超孔隙水、气压力消散以及地基固结度随时间的变化规律,并与不考虑渗透系数变化时的半解析解计算结果进行了对比。结果发现：固结过程中渗透系数呈非线性变化;只考虑液相渗透系数变化时,超孔隙气压力的消散变化不大,超孔隙水压力的消散加快;气相渗透系数变化对超孔隙气的消散产生明显影响,对超孔隙水压力消散影响不大。同时考虑液相和气相渗透系数变化时,土体中超孔隙水、气压力的消散均有明显变化,土体固结速度也相应加快;分析结果对非饱和土固结的进一步研究具有重要意义。     

荷载条件下原状与重塑泥岩渗透性试验研究

为模拟地基土普遍受上覆荷载等实际情况,研制了可加载渗透仪。文章以兰新铁路第二双线一处典型膨胀泥岩为研究对象,进行了原状土和重塑土不同荷载等级下渗透试验,荷载大小为0,0.1,0.2,0.3,0.4 MPa。试验结果表明:随着渗透时间变长,原状土和重塑土的渗透系数略微增大。原状土渗透系数随荷载增大而变小,为现场地基土随埋深增加渗透性变小提供依据;重塑土渗透系数随荷载增大而变小,对于高填方路基底层土而言上覆荷载对其渗透性产生影响。通过进一步对比原状土与重塑土渗透性差异,可知重塑土渗透系数比原状土渗透系数大1个数量级,且原状土渗透系数呈“外凸形”减小,重塑土渗透系数呈“内凹形”减小,荷载对两种土体渗透系数影响机理不同。     

陕北非饱和重塑红土渗透特性试验研究

以实测土水特征曲线为基础,采用 Van Genuchten 模型,详细研究了干密度和体积含水量对非饱和保德组红土渗透特性的影响。研究表明:不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与体积含水量呈现出近似直线关系,非饱和保德组红土渗透系数随体积含水量的增大而单调加速增大,且密实状态非饱和保德组红土渗透系数对体积含水量的变化比较敏感。不同干密度下,在半对数坐标系中,非饱和保德组红土渗透系数与基质吸力之间呈现出指数函数关系,且非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大而减小,当土体干密度较大时,非饱和保德组红土渗透系数随基质吸力的增大变化较大,同样表明密实状态非饱和保德组红土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

结构性软土渗透特性研究

本文对原状软土和重塑软土进行渗透特性试验,考察了饱和软土的渗透特性。原状样加载初期,渗透系数变化较小,当固结应力大于结构屈服应力时,渗透系数急剧下降,而结构屈服应力前后阶段的孔隙比与渗透系数对数坐标的直线关系没有发生变化,说明胶结对渗透性的影响较小。重塑土的渗透系数在加载过程中变化相对较小。试验结果表明,相同孔隙比时原状土渗透系数要明显大于重塑土。这是由于两者的组构不一样,即原状样的大颗粒和凝聚体间的大孔隙以及历史上形成的土颗粒的排列使其渗流通道要比重塑土通畅。用相同重塑方式制样得到的不同含水量土样,其渗透系数值相近;而用不同重塑方式制样得到的相近含水量土样,其渗透系数相差相对较大。确定饱和软粘土渗透性时要考虑孔隙比和组构的影响。     

考虑涂抹区渗透系数变化的非饱和土砂井地基固结特性分析

在以往对非饱和土砂井地基固结理论研究中,均将涂抹区与非涂抹区土体渗透系数视为相等,这与实际工程并不相符。本文将考虑涂抹区土体渗透系数的变化,分析其对超孔隙气、水压力消散规律的影响。基于Fredlund一维固结理论以及Darcy定律和Fick定律,对有限厚度线弹性非饱和土砂井地基,在大面积均布瞬时荷载作用下,考虑涂抹区土体渗透系数的变化,利用Laplace变换并引入Bessel函数推导出Laplace变换下的解,再通过Crump方法编程实现Laplace逆变换得到超孔隙气压力、超孔隙水压力的半解析解。利用典型算例进行计算,分别得到在不同半径、不同涂抹区半径和不同涂抹程度的情况下,超孔隙气压力、超孔隙水压力随时间的变化规律。得出考虑涂抹作用时,超孔隙气、水压力的消散速度降低;涂抹区半径越大、涂抹程度越高速度越慢,反之消散越快。本研究丰富了非饱和土砂井固结理论,对非饱和土砂井固结特性的研究具有一定的工程参考价值。     

变荷载下双层地基一维非线性固结近似解析解

目前考虑土体非线性压缩及渗透特性的双层地基非线性固结解均假定土体固结系数保持不变,能反映固结系数变化的双层地基非线性固结解还很鲜见。引入经典的e- 和e- 非线性关系描述土体的非线性压缩、渗透特性,在假定双层地基上、下土层压缩指数与渗透指数比值 相等且不等于1的基础上,得到变荷载下考虑土体固结系数变化的双层地基一维非线性固结近似解。该解答在 1条件下可退化为已有的 1时双层地基一维非线性固结解。基于此解探讨了双层地基上、下土层参数的相对比值对非线性固结性状的影响。结果表明：单面排水条件下 越小,下层土与上层土的相对压缩性越低、相对渗透性越高,则双层地基非线性固结速率越快;减小 值,增加双层地基中压缩性小、渗透性高的土层的厚度,会加快地基的固结速率。     

考虑竖向附加应力作用的一维垂直土柱仪研制与应用

渗透系数是研究实际工程渗水问题的关键参数之一。以往对于非饱和土渗透系数的试验研究中,增湿工况较为单一,极少考虑竖向附加应力的影响。基于此,开发了一套一维垂直土柱试验装置以弥补这一缺陷。该装置主要由试验台架、土柱筒、竖向加载装置、供水装置、水分传感器、张力传感器以及数据采集系统等组成,可模拟竖向附加应力作用下降雨、积水入渗、毛细上升工况,可测定增湿过程中水的入渗量与浸润峰时程线、土柱竖向变形以及不同截面的体积含水率与基质吸力的时程曲线,基于瞬态剖面法可获得不同截面处增湿时土的非饱和渗透系数与吸力关系。最后,以兰州Q3非饱和粉质黄土为例,初步开展了不同竖向附加应力作用下土柱积水入渗试验,分析入渗量、湿润锋、体积含水率、吸力及竖向变形时程线变化规律,获取渗透系数与吸力关系的渗透函数变化规律,通过对比类似试验结果,表明试验结果符合渗水规律,验证了研制土柱仪的有效性,但其可靠性还需进一步研究。本试验装置为不同工况下非饱和土体变形、水分迁移规律及渗透特性研究奠定基础,并获得相应试验参数。     

降雨对路堤斜坡稳定性影响的时间效应

以某高速公路填筑试验路堤为例,基于非饱和土渗透及强度理论,采用渗流场与应力场、稳定性计算耦合的方法,对两种不同透水特性的路堤在降雨过程中孔隙水压力和稳定性系数随时间变化的特点及规律进行较为深入的探讨。结果表明,（1）透水性能较好的路堤斜坡下部降雨入渗要强于斜坡上部,透水性能较差的路堤斜坡,雨水往往以近似于均匀的形式入渗;（2）透水能力强的路堤斜坡在短暂的超强降雨或者强度较低但持续时间超长的降雨过程中,其最小稳定性系数易于出现滞后现象,一般滞后0.5～3 d,透水能力差的路堤斜坡最小稳定性系数有显著滞后特点,一般滞后7～15 d;（3）总降雨量一定、雨强大于等于50 mm/d条件下透水能力强斜坡能达到的最小稳定性系数随降雨时间增长而降低,而透水能力差的斜坡最小稳定性系数受雨强和降雨时间共同影响。     

初始孔隙比对高吸力下非饱和土土水特性的影响

在我国西北干旱半干旱地区,处于高吸力范围内的非饱和土广泛存在于各种岩土工程中。非饱和土土水特性的研究是非饱和土渗流、强度与变形研究的基础。为研究高吸力下不同初始孔隙比非饱和土的土水特性,以一种粉土试样作为研究对象,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法控制土试样的吸力,利用阿基米德原理量测不规则土试样的体积,通过修正的Van-Gen...     

颗粒运移对蒋家沟土体渗透性影响的试验研究

对蒋家沟流域泥石流源区两种分散性不同的土(G1土具有强分散性,G2土无分散性)进行室内土柱自滤试验,研究了土柱在常水头(水头为5 cm)渗流过程中颗粒运移对土柱不同部位渗透性的影响。入渗液采用了煮沸过的清水与浓度为1 g/L的悬浮液(悬浮颗粒的粒径范围为1.6～104.74μm)。在清水渗流过程中,两种土样的入口处土层渗透性随着时间而增大,出口处土层的渗透性先增大后减少。在悬浮液渗流过程中,两种土的各土层的渗透性都有下降趋势,但在入口处土层最为显著,G1土样下降了一个数量级以上,G2下降了近两个数量级,且G2土所用时间较G1土短,即G2土的渗透性减少速率更加明显;两土柱中渗透流量都有显著减少。研究表明:土体的分散性在颗粒运移过程逐渐占主导地位,即强分散性土自身颗粒的运移明显,能抵消一部分外来颗粒的积聚堵塞作用。从试验结束后土柱的外观图像观察也发现,入渗的悬浮颗粒在土柱的各个位置都有分布,但主要沉积在入口处,这与土柱各层渗透性的变化相吻合。此外,两种土流失的颗粒都只是集中于渗流的开始阶段,流失颗粒粒径范围集中在数微米至数十微米之间。     

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.