一维稳态入渗时非饱和土基质吸力分布

雨水的入渗和蒸发对土体的其质吸力分布有着重要的影响作用。利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立并求解出非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式。根据所解得的解析解,详细分析了在单一土层情况下参数α、入渗强度q和qlks对基质吸力分布的影响。     

非饱和土的本构模型研究

引用平均土骨架应力的概念,研究推导出非饱和土的刚度参数随吸力变化而变化的关系式,进而推导得到用平均土骨架应力表述的非饱和土LC屈服面函数以及硬化规律。从土力学原理推导,得到土样由于在净应力和吸力作用下产生体积变形引起土样饱和度变化的关系式。由平均土骨架应力推广,得到三轴应力状态的椭圆屈服函数,这一非饱和土本构模型的优点在于考虑了应力作用后土样饱和度的变化,通过对已有试验数据的初步验证,表明提出的非饱和土本构模型的合理性和适用性。     

一维稳态渗流时非饱和土中的基质吸力分布

首先对非饱和土中的土水势和干土吸水过程中土水势的变化进行了定性分析。然后利用水相连续性条件、广义Darcy定律及Gardner关于非饱和土导水系数和基质吸力的经验公式,建立了非饱和土一维稳态渗流情况下基质吸力沿深度变化的关系表达式,并利用差分方法对稳态入渗和稳态蒸发两种情况进行了求解。根据提出的方法,不仅可以方便地得到基质吸力沿深度的分布,而且可以求出水头和导水系数沿深度的变化。     

控制吸力循环荷载下非饱和黏性土的弹塑性双面模型

建立非饱和土在动态荷载作用下的本构模型有助于解决相关的工程问题。在塑性增量流动理论框架内,将BBM(Barcelona basic model)模型与笔者提出的塑性硬化准则相结合,考虑控制吸力的循环荷载作用,建立了一个描述非饱和黏性土的弹塑性双面模型。该模型包含一个边界面和一个几何相似的加载面,二者结合记忆中心的概念,共同描述应力路径周期性改变加载方向时非饱和土的非线性、循环塑性和变形累积特性。采用动三轴剪切试验确定了一种非饱和黏质粉土的动态力学特性,分析了吸力、净围压和动应力幅值对循环塑性的影响。模型预测与非饱和土在静、动态加载下的试验结果的对比显示,二者吻合较好,表明所建立的弹塑性双面模型能够模拟非饱和土在控制吸力循环荷载作用下的力学行为。     

一个高饱和度非饱和土的本构模型

高饱和度的非饱和土中由于气体处于封闭状态,其内部气压的变化必将对土体的行为产生影响。首先,对高饱和度非饱和土特性进行探讨和研究,随后,在已有非饱和土模型框架基础上,采用广义有效应力原理,建立一个适用于高饱和度条件下的非饱和土的弹塑性本构模型。模型中引入气相耗散的影响,在硬化方程中考虑封闭气体压力改变的影响。最后,利用已有的试验结果来对模型进行验证,并将模型预测结果与前人模型进行对比,表明模型预测可以很好地预测土体的行为,尤其是在高饱和度条件下其结果比其他模型更加接近实际情况。     

基于太沙基土拱效应考虑基质吸力影响的松动土压力计算模型

传统的土拱效应理论是基于上覆土体为无黏性土或饱和黏性土建立的,但非饱和状态是实际土体的常见情形,其力学特性受自然环境变化的影响。针对这一问题,基于太沙基（Terzaghi）平面土拱效应分析模型和土体单元主应力轴旋转理论,建立了考虑基质吸力的土拱效应松动土压力分析模型。依次给出了基质吸力在上覆土体内呈均匀分布、梯形分布、正三角分布和倒三角分布时的松动土压力和侧压力系数表达式。为验证该分析模型的正确性,采用FLAC建立了Trapdoor数值模型,理论计算与FLAC模拟结果非常吻合。最后,着重分析了上覆土体的饱和度、厚度、Trapdoor宽度、地下水上升和降雨等因素对松动土压力的影响。研究发现,松动土压力随土体饱和度先减小后增大,当达到进气值所对应的饱和度时松动土压力最小。     

考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤修正模型

为反映非饱和地基土变形全过程,以某基础工程非饱和土为研究对象,开展固结排水三轴压缩试验。研究发现,非饱和土的偏应力-应变曲线形态近似双曲线,基质吸力对土体力学行为影响十分明显,基质吸力越大,土体偏应力越高。根据非饱和土变形特性及工程特点,选取邓肯-张双曲线模型作为基础模型,引入统计损伤理论,假设非饱和土微元强度服从Weibull概率密度分布,建立邓肯-张统计损伤模型。通过搭建初始切线模量与基质吸力的联系,建立一种新的考虑基质吸力的非饱和土邓肯-张统计损伤模型。给出参数解析方法,得到Weibull分布参数经验表达式,从而修正模型。分析不同基质吸力条件下非饱和土损伤累积规律,采用所建模型和传统邓肯-张模型对比验证非饱和土偏应力-应变试验曲线,证明所建模型的可行性和合理性。研究成果为非饱和土的力学特性研究及辨识模拟提供一定参考。     

基于电阻率的非饱和土基质吸力预测

针对非饱和土吸力测量与计算的困难,提出了一种利用土的电阻率结构参数预测基质吸力的方法。通过滤纸法测试重塑膨胀土的基质吸力,分析了非饱和土的基质吸力与体积含水率的关系,即土-水特征曲线的变化规律。在测试非饱和土横向与竖向电阻率的基础上,探讨了非饱和土的电阻率与其体积含水率的关系,并进一步研究了土的电阻率结构性参数 、 和 随体积含水率的变化规律。发现基质吸力与电阻率结构参数 之间存在良好的抛物线关系,利用这种关系可以准确预测非饱和土的基质吸力。利用土的电阻率结构参数预测吸力,避免了吸力量测与计算的困难,简单实用。     

一个统一描述饱和-非饱和土温度效应的热-弹塑性本构模型

地热资源开发与利用及核废料地质处理等诸多岩土工程问题,都需要考虑温度对饱和土和非饱和土应力、应变特性的影响。为了综合反映温度和吸力对土的先期固结压力的影响,提出了不同温度下土的先期固结压力的表达式。将此表达式与黏土–砂土统一状态参数模型屈服面相结合,考虑了温度和吸力对正常固结线及临界状态线的影响,提出了一个统一描述饱和–非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型。该模型分为饱和段(吸力小于某一温度下的进气值或排气值)与非饱和段(吸力大于某一温度下的进气值或排气值)。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能够较好地定量描述不同温度下饱和土和非饱和土的应力、应变特性。     

考虑残余含气量的非饱和土的水力耦合本构模型

大量的非饱和土干湿循环试验表明,当土体处于吸湿过程直至吸力降低为0 kPa时,土体并不能达到完全饱和状态,还存在一定的残余气体。在高饱和度时,由于残余气体以封闭气泡的形式分布在土体中,土体呈现较大的压缩性,使其与饱和土的性质不同。在这种状态下,现有的非饱和土本构模型预测到的土饱和度为100%,与试验结果存在一定的偏差。为了使本构模型在高饱和度状态时具有较高的精度,对非饱和土的毛细滞回和塑性变形耦合本构模型进行了修正,使其能够考虑残余含气量的影响。通过预测与实测结果比较,证明了新模型能够有效地模拟残余含气量对非饱和土力学特性的影响。     

吸力对非饱和土抗剪强度的贡献

回顾了非饱和土抗剪强度理论，并进行了评价；系统地分析和总结了吸力对抗剪强度的贡献。     

考虑基质吸力作用的土坡稳定性分析

非饱和土基质吸力的有效应力作用,使得土体的抗剪强度得以提高。基于Fredlund的非饱和土抗剪强度理论,在土坡极限平衡分析方法中,同时考虑分条的土条底面与条间的基质吸力分布对土体抗剪强度的贡献,进而构筑考虑基质吸力作用的土坡极限平衡分析方法。构筑基于极限平衡分析方法的目标函数,应用SLP优化方法寻求最危险滑动面。用具体计算实例说明这种分析思路可以评价土坡的稳定性评价的影响。     

考虑吸力效应的非饱和黏土回弹模量预估模型

回弹模量是反映路基弹性支撑能力的重要指标,并受运营期间基质吸力变化的显著影响。通过3种压实黏土试样的土-水特征曲线试验和重复动三轴试验,研究了回弹模量与基质吸力的相关性,并基于非饱和土有效应力原理,提出了考虑吸力效应的回弹模量预估模型。结果表明：基质吸力与回弹模量之间具有较强的非线性相关性,可采用指数形式进行两者的拟合;含水率由最佳含水率-4%提升至最佳含水率+4%时,受基质吸力减小的影响,回弹模量降幅达到29.1%～39.0%;在 土-水特征曲线过渡区,采用以饱和度表征的有效应力参数,可较好地反映基质吸力对于回弹模量的贡献,预估效果优于采用残余含水率或进气值相关的有效应力参数;在相同饱和度的情况下,黏粒含量越多、塑性指数越高,基质吸力对有效应力的贡献比例越小。     

基质吸力对非饱和土抗剪强度的影响

在自然界和工程实践中遇到的土大多数是非饱和土,研究吸力对非饱和土抗剪强度的作用,对于工程实践具有重要的意义。通过压力板仪和直剪仪组合试验,探讨了击实土抗剪强度和基质吸力的关系。试验结果表明：凝聚力在饱和度为40%-60%时最大,而内摩擦角则随饱和度增加而有所减少。进一步对比土-水特征曲线与抗剪强度的关系,并整合前人研究成果,指出了非饱和土中吸力对其抗剪强度影响的规律。对于无黏性土,在边界效应区不产生假凝聚力,且内摩擦角不变;在过渡区与非饱和残余区,假凝聚力和基质吸力的关系存在峰值且变化较大,内摩擦角则随吸力增加而增加。对于黏性土,残余体积含水率所对应的最小吸力可能是影响抗剪强度的界限值,小于此吸力值,φb可近似为常数。但在非饱和残余区,凝聚力将随土状态路径的不同而变化。对于重塑土,凝聚力降低;而对于原状土,则凝聚力可能不变或增加。     

非饱和土基质吸力对边坡稳定的影响

降雨及浸水往往引起天然土坡及人工土坡的滑坡,其中,土中基质吸力的消失是一个重要原因。通过试验和计算分析,揭示了基质吸力对边坡稳定所起的重要作用。非饱和土边坡稳定计算中的关键参数 的确定,尚有待于进一步研究。     

接触角对非饱和土中基质吸力的影响

接触角是研究三相界面的一个基本物理量。非饱和土是典型的三相体,然而在非饱和土力学中对接触角的研究还比较少,目前还停留在假设阶段,通常假设接触角为某一固定值,甚至忽略接触角的影响。实际上接触角是随外界环境的改变而变化的。通过化学方法对砂土表面改性,从而提高砂土的接触角,使砂土由亲水性变为斥水性。在亲水性砂土中加入斥水性砂土以提高砂土的表观接触角,以此为基础制备不同接触角的试样进行吸力测量试验。试验结果表明,接触角对非饱和土中的基质吸力有重要影响,含水率相同时,随着接触角的增大基质吸力是不断减小的,当含水率增大到一定值时,基质吸力不受土体（亲水状态下）接触角的影响。当接触角增大到一定值时,非饱和土体中的基质吸力消失,即非饱和土体中不再存在负的孔隙水压力。