快速测量非饱和土渗透系数的湿润锋前进法适用性研究

非饱和土渗透系数函数是非饱和土体渗流分析中必不可少的参数。然而非饱和土渗透系数函数测量非常困难,其中稳态法测量范围过于狭小,而瞬时截面法耗时动辄数月,难以应用。为此,提出了湿润锋前进法,有望在一周内测得渗透系数函数。采用数值模拟手段检验湿润锋前进法的测量精度和适用范围。数值模拟结果显示：对于砂土、粉土、黏土,湿润锋前进法得到的渗透系数函数均与输入的理论渗透曲线一致,但测量范围限于高吸力范围（大于进气值）。此外,还采用瞬时截面法计算了渗透系数函数,结果表明：瞬时截面法计算的渗透系数在理论渗透曲线附近波动,其精度取决于监测截面的间距,间距越大,精度越低。在给出的20、60、100 mm这3种间距中,20 mm间距时计算得到的渗透系数精度最高,但与湿润锋前进法的精度仍有一定差距。因此,湿润锋前进法是一种可靠的能够快速得到渗透系数函数的测量手段。     

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。     

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。     

吸力历史对非饱和土力学性质的影响

现在被广泛公认的由Fredlund提出的非饱和土力学的双参数理论,即净应力和吸力为非饱和土的应力状态变量,不能直接考虑吸力历史及其饱和度对非饱和土的应力-应变关系和强度的影响。非饱和土三轴试验结果表明,即使净应力和吸力相同的条件下,经过干-湿循环试样与未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系和强度是不相同的。在其他条件相同时,经历过干-湿循环的试样比未经过干-湿循环试样的应力比-应变关系要高、强度大和体变小。经过干-湿循环试样的饱和度低而强度高,主要是由于经过先期较高的吸力,相当于受过较大的前期有效压力,使试样成为超固结土。更多不同吸力历史的对比试验有待于进一步研究,以便为非饱和土的水力-力学特性耦合弹塑性本构模型定量地表示上述非饱和土的性质提供基础性试验数据。     

高液限土路基的沉降变形规律

高液限土具有高天然含水率、高塑性、高孔隙比和低压实度的特点。明确高液限土路基的沉降变形规律成为其科学合理利用的关键。为此,在明确高液限土路用特性的基础上,铺筑了1条26.5 m高的高液限土高填方路基试验段,并进行了长期的沉降观测。结果表明,高液限土路基填筑期间的压缩变形量很大,填筑完成后自然沉降稳定期的固结变形量较小,路面铺筑后的工后沉降量很小,约为高度的2‰;高液限土路基的沉降量与其竖向填筑厚度基本成正比。采用简化的非饱和土固结理论对高液限土路基的沉降变形进行了模拟计算,计算结果与高液限土路基的实测沉降量基本一致,说明非饱和土固结理论可用于高液限土路基的沉降计算。高液限土路基沉降变形规律的成果说明其工后沉降不会过大,为其在公路工程中的推广应用提供了技术依据。     

一种用于突发性场地污染模拟的解析模型

为了及时有效地应对各种突发性环境污染事故,有必要开发一种简单实用、适于各类型污染物的场地污染数学模型。通过污染事故发生后污染物在包气带、饱和带迁移转化的概化,建立了污染物运移的自由入渗模型以及降雨入渗模型并给出各自相应的解析解。无降雨时,考虑污染物在重力作用下随包气带向下渗透的作用,建立一维垂直入渗模型。有降雨时,考虑污染场地(包气带)中污染物迁移和转化的对流作用、扩散作用及挥发、生物降解、吸附、根系吸收等作用,建立包气带剖面二维溶质运移模型和饱和带平面二维溶质运移数学模型。建模过程中,假定降雨量的平均分布及土壤质地、水力参数以及有机物成分、种类均相同,同时假定污染物与多孔介质间的作用为线性吸附,植物根系对污染物的吸附遵循一级动力学。基于模型的解析解,实现案例的模拟计算。模拟结果表明:该模型具有适用范围广、模拟高效快捷等优点,能够较准确预测污染发生后污染物在土壤中的动向、到达饱和带的时间以及饱和带中污染物的迁移情况。     

非饱和黄土非线性K-G模型试验研究

K-G模型较之E-μ模型有较好的优越性,每个参数都能与土的剪切模量或体变模量直接联系,便于岩土工程的非线性理论和计算分析。以西部甘肃永登非饱和黄土为研究对象,进行大量不同湿度下的非饱和黄土常规三轴试验,获得不同初始饱和度下的K-G模型参数,进一步研究这些参数随初始饱和度的变化规律,建立模型参数和初始饱和度的相关表达式。在实际工程中,用测得的非饱和黄土的湿度指标,就可以得到黄土的K-G模型参数进行非饱和黄土的增湿数值模拟计算分析,避免吸力的量测和计算,具有一定的工程实际应用价值。     

非饱和土的应力状态变量研究

以热力学和连续介质力学的应力理论为基础,从非饱和土的土骨架平衡方程出发,导出了一系列应力状态变量,目前文献中所使用的应力状态变量都在其中。研究发现：非饱和土的应力状态变量有多种组合形式（5组以上）,不是惟一的;大多数应力状态变量与土的孔隙率、饱和度等物性指标孪生相伴;所有应力状态变量都具有应力的量纲,单纯孔隙率或饱和度及其组合都不构成应力状态变量;简化的Bishop有效应力公式和Fredlund倡导的两个应力状态变量都是简化了的应力状态变量,前者忽略了孔隙率的影响,而后者忽略了与孔隙率及饱和度的关联性。在选择应力状态变量时应考虑理论合理、应用方便、逻辑关系正确的原则,还应做一定的验证工作。     

非饱和上海软土水力和力学特性耦合弹塑性模拟

目前大多数非饱和土的弹塑性本构模型用非饱和击实土的试验结果进行验证,但现场其他类型的土,如沉积土经常有在非饱和状态下外部环境变化的情况。现有的非饱和土弹塑性模型是否适用于沉积土一类的现场土是需要研究的课题。进行非饱和上海第③层土的吸力控制排水排气三轴剪切试验,使用文中提出的能统一考虑非饱和土水力性状和力学性状的弹塑性本构模型,预测上述三轴试验结果,并与试验数据进行比较。比较结果显示,建立的本构模型能够很好地预测非饱和上海软土的水力和力学性质,说明该模型不仅可以适用击实土的预测,还能够很好地适用于其他类型非饱和土的水力和力学性质的模拟。     

非饱和渗流问题的自适应欠松弛变量变换方法

在使用有限元方法求解非饱和土渗流问题时,土-水特征曲线和渗透率函数的强烈非线性经常会造成计算中出现迭代不收敛、计算误差大等问题。基于变量变换的思想,结合时间步长自适应技术提出了一种求解非饱和渗流问题的新方法--欠松弛RFT变换方法（ATUR1）。ATUR1方法通过变量变换,大大降低了Richards方程中未知数在空间和时间上的非线性程度,从而改善这种非线性所带来的计算收敛困难和精度差等问题。欠松弛技术的引入减少了迭代过程中的振荡现象,进一步提高了非线性迭代计算的效率。时间步长自适应技术则有效地控制整个计算过程的误差。数值算例结果说明,ATUR1可以有效地提高计算效率和精度,是一种准确有效的计算方法。