土-水特征曲线在黄土边坡稳定分析中的应用研究

以南水北调中线穿黄工程南岸连接渠边坡为研究对象，采用压力板法获得了非饱和黄土边坡的土-水特征曲线，用Van Genuchten模型对试验数据进行了拟合，将拟合参数代入Vanepalli非饱和土的抗剪强度经验公式，预测不同吸力和含水率下的非饱和土的抗剪强度值，并与常吸力三轴剪切试验结果进行对比，验证了预测公式的准确性；试验结果和预测结果都表明非饱和黄土吸力和含水率的变化对黏聚力影响显著，对内摩擦角影响较小。通过建立含水率与非饱和黄土抗剪强度的关系，将不同含水率的抗剪强度运用到非饱和黄土边坡稳定性分析中，不但能对该区域黄土边坡的稳定性给予科学的评价，还可以减少不必要的浪费。     

非饱和土抗剪强度理论的关键问题与研究进展

非饱和土抗剪强度与其矿物组成、细观结构和含水率等因素密切相关,许多学者先后提出了多种非饱和土抗剪强度的形成机理、计算方法以及测试手段。为总结现有研究成果,深化对非饱和土抗剪强度理论的认知,综述了非饱和土抗剪强度理论发展中的若干关键问题。首先讨论了不同类型土体的细观结构差异,分析了非饱和土抗剪强度形成的细观机理,对比分析了砂性土与黏性土非饱和抗剪强度变化规律的差异性;其次总结了几种较为典型的非饱和土抗剪强度计算公式,对不同非饱和参数的取值方法进行了分析;最后介绍了多种用于非饱和土抗剪强度测试的新仪器与新方法,如非饱和土直剪、非饱和三轴以及非饱和土环剪装置等,部分国外已有研究成果在中国仍处于空白状态,值得中国同行借鉴。根据上述分析,对非饱和土抗剪强度理论的研究方向进行了展望：①应进一步从细观角度开展不同结构土体土颗粒之间的相互作用以及土、水相互作用对宏观非饱和抗剪强度影响的研究;②应根据土质类型、含水状态和应力状态等因素综合确定非饱和土抗剪强度计算参数,提出相应的抗剪强度计算方法,并逐步尝试将非饱和土强度理论应用至工程实际;③进一步改进现有非饱和抗剪强度测试仪器,使之可以控制多种试验变量,优化测试方法,进一步提高试验效率与精度。     

红黏土土水特征曲线试验及拟合实用技术研究

随着西部公路建设的快速发展和公路等级的提高,出现了更多的高填方路基及桥涵等构造物。为了验算高填方路基及桥涵等构造物的整体强度和稳定性,需要预测非饱和地基土的抗剪强度,而通过土水特征曲线预测非饱和土的抗剪强度方便实用,故此土水特征曲线试验及拟合技术研究具有重要的工程实用价值。本文系统地介绍了土水特征曲线的基本特点、常用的经验公式、渗析法的基本原理及操作步骤、曲线拟合的实用方法。试验和曲线拟合的成功经验可为同类试验作借鉴,试验所得土水特征曲线成果可为工程实践提供参考。     

非饱和砾石土土水特征曲线研究

以武汉某土石坝砾石土为研究对象,采用压力板仪对9组不同级配以及不同干密度砾石土的土水特征曲线进行试验研究。研究表明,压实度越大的土样,孔径较小且分布均匀,持水能力好,排水困难。当压实度一定时,细粒较多、粗粒较少的土样排水效率高于其他粗粒较多的级配,在500kPa压力下残余含水量远低于其他级配。这与级配较不均匀的砾石土有着更低的孔隙率密切相关。采用Brooks Corey模型、Van Genuchten模型以及Gradner模型分别对不同影响因素下的土水特征曲线进行拟合,发现Van Genchten模型与Gardner模型对砾石土拟合效果很好。将各个土样的干密度与Van Genuchten模型和Gradner模型各参数进行非线性回归,总结了非饱和砾石土干密度与Van Genuchten模型和Gardner模型参数之间的规律公式。试验数据可为日后非饱和土的研究提供参考。     

川西非饱和混合土土水特征曲线研究

川西地区地质构造和气候条件复杂,交通荷载和降水入渗经常会引发处于非饱和状态的混合土公路路基变形过大或滑坡破坏,非饱和土的工程性质主要与其吸力值紧密相关。为掌握川西非饱和混合土矿物成分与初始干密度对其土水特征曲线的影响规律,针对川西山区3种崩坡积混合土,采用滤纸法和压力板仪法相结合的试验方案,缩短试验时间,测得各自在不同初始干密度下的土水特征曲线,并通过微观特征来分析宏观现象,探究混合土特征因素的影响机理。试验结果表明:矿物成分对土水特征曲线有显著影响,亲水矿物含量越高,基质吸力越大且曲线走势越平缓;反之,含有较多石英矿物和较少黏粒时,基质吸力通常较低;在相同基质吸力条件下,干密度越大,土体含水量也越大;同时,干密度对土水特征曲线的影响程度随着含水量的减小而增大。最后,采用Van Genuchten(VG)模型拟合川西混合土土水特征曲线,其拟合参数与颗粒级配、非饱和程度相关,拟合曲线与试验曲线吻合较好。     

利用MATLAB拟合土-水特征曲线经验模型的研究

土-水特征曲线是描述非饱和土特性的一个关键性曲线,在道基健康监测中十分重要。为了研究在实际机场道基健康状态监测中利用不同的经验模型对土-水特征曲线的拟合效果,文中对成都天府国际机场填挖交界区域重点监测断面道基通过采集地基基质吸力与体积含水率等数据,基于MATLAB内置函数lsqcurvefit对常用经验模型Van Genuchten模型、Gardner模型、Fredlund-Xing模型和Brooks-Corey模型进行该区域土-水特征曲线拟合,测算各模型的拟合曲线系数并对比其拟合效果。结果表明,Van Genuchten模型与Fredlund-Xing模型拟合精度较高,可用于实际机场道基健康状态监测。     

降雨入渗下非饱和土边坡稳定性影响研究

运用分形模型预测非饱和土的水理特性,主要研究了降雨条件下非饱和土边坡的稳定性变化及影响边坡稳定性的各个因素:土质特性参数(分维、进气值与饱和导水系数)、降雨强度、边坡几何特性参数及初始地下水位深度等.土体的饱和导水系数、降雨强度对降雨过程中的非饱和土边坡稳定性影响较大;非饱和土边坡在降雨过程中的最小安全系数与土体饱和导水系数之间的临界关系可用Sigmoid曲线模型拟合;降雨强度直接影响了非饱和土边坡的稳定性,降雨过程中边坡的最小安全系数与降雨强度的关系曲线可用MMF模型拟合;另一方面,非饱和土的分维、进气值、边坡几何特性参数及初始地下水位深度的影响相对较小.     

风积沙路基土土-水特征曲线温度效应研究

风积沙非饱和土是沙漠地区公路路基主要填筑材料，其力学性能受赋存气候环境温度影响显著。为研究温度变化对风积沙路基土土-水特性影响规律，在考虑温度对非饱和土表面张力和润湿系数综合影响的基础上，推导建立能够反映温度变化效应的土-水特征曲线模型方程，并基于ASTM D5298滤纸法测试不同干密度风积沙路基土土样在20℃、40℃和60℃条件下达到平衡时的土-水特征曲线，验证建立模型的合理性。结果表明：风积沙土-水特征理论模型曲线与实测值吻合良好，相关系数均在0.93以上，模型合理有效；在高温或低吸力区，温度对风积沙土-水特性影响显著，随着温度升高，土-水特征曲线整体向右下方偏移；在含水率较低的高吸力区，风积沙基质吸力对干密度变化更加敏感，干密度越大，基质吸力越大。所得结论为利用非饱和土理论研究风积沙路基土力学性能奠定了理论基础。     

基于MK模型推算非饱和膨胀土土-水特征曲线

根据非饱和膨胀土基本土性参数,应用MK模型推算非饱和土土-水特征曲线.模型把毛细管力和粘附力相耦合,二者均会诱发吸力的变化.并在西安--汉中高速公路(GZ40)槐树关段K5+120取膨胀土土样,测定基本土性参数.结果表明:毛管力的饱和度Sc在低吸力值时起到重要的作用,而当毛细水散失,粘附力的饱和度Sa起到决定性作用.与采用离心试验确定的土-水特征曲线相比较,基于MK模型根据基本土性参数推算非饱和膨胀土土-水特征曲线,其推算值与实测值较为接近,推算与实测土-水特征曲线形状相吻合.     

晚更新世黄土脱湿-吸湿全过程土水特征曲线研究

非饱和土土水特征曲线(SWCC)在非饱和土性质的研究中是很重要的。通过现场原位渗水试验、室内试验,结合数值反演得到了晚更新世黄土(Q3黄土)脱湿和吸湿土水特征曲线。用压力板仪测量Q3黄土脱湿过程中不同含水率下的吸力,之后用Van Genuchten经验公式对试验数据进行拟合,得出了Q3黄土脱湿SWCC曲线的数学表达式。在现场渗水试验的基础上,用随机搜索和经验逼近相结合的方法,通过数值计算反演Q3黄土吸湿过程中的土水特征曲线参数。此外,还实测了Q3黄土竖直向的饱和渗透系数。结果表明:Q3黄土脱湿路径的进气值为4.16 k Pa,饱和体积含水量为0.52;吸湿路径的进气值为3.92 k Pa,饱和体积含水量为0.48。残余体积含水量为0.01,残余饱和度为2.0%,残余的气体含量为4.06%。竖直与水平向渗透系数的比率为1.62,水平向饱和渗透系数为7.08*10-6m/s,竖直向饱和渗透系数为1.147*10-5m/s。室内实测竖直方向饱和渗透系数为2.71*10-5m/s,反演值与实测值是属于同一数量级的。     

控制吸力下低应力条件的合肥膨胀土抗剪强度试验

膨胀土边坡在变饱和条件下可能发生浅层滑塌失稳。为了研究非饱和膨胀土在低应力条件下的强度特性,采用非饱和三轴仪设置多组不同基质吸力和应力条件,进行合肥膨胀土的三轴剪切试验,对试验数据进行分析。试验结果表明：当膨胀土所受净围压应力不断降低时,其应力-应变曲线会由应变硬化向应变软化过渡;非饱和膨胀土强度随基质吸力增大而增大;浅层膨胀土的抗剪强度会呈现明显降低,具有非线性特点;非饱和膨胀土的黏聚力对抗剪强度影响显著,低应力条件下黏聚力会显著降低,内摩擦角明显增大;净围压应力对低应力段土体强度影响明显,而基质吸力对低应力段土体强度影响较弱。     

含水量对粉土强度影响的试验研究

粉土具有较高的"水敏性",在非饱和状态下,粉土具有非饱和土的特性。随着含水量的不同,粉土的强度呈现不同的变化。文中通过常规直剪试验,初步探讨了含水量与强度的关系,并对试验数据进行了曲线拟合,得出了相应的拟合函数,同时,试验发现,粉土的粘聚力受含水量影响较为明显。随着含水量的增加,粉土的强度衰减非常快。     

南宁膨胀土剪切蠕变特性及流变模型研究

利用改装的剪应力控制式直剪仪对南宁非饱和膨胀土进行了一系列直剪蠕变试验和加–卸载剪切回弹试验,得到了剪切蠕变曲线和剪切回弹曲线。试验结果表明,膨胀土在同一竖向应力条件下,剪应力和含水率越大其塑性和流变特性越明显;在同一含水率、同一剪应力条件下,竖向应力越小其塑性和流变特性越明显。根据对试验曲线的分析得到了膨胀土的剪切变形是由瞬时弹性变形、瞬时塑性变形,弹性滞后变形,粘塑性变形等组成。提出了膨胀土剪切蠕变的九元件模型,并通过拟合确定了相应的剪切蠕变方程和流变参数.研究结果为膨胀土流变问题的进一步研究提供可靠理论依据。     

库岸区碎石土路基抗剪强度的试验研究

碎石土质路基的失稳破坏是库区公路的主要病害,碎石土抗剪强度参数取值的合理性将直接决定库岸区路基边坡的稳定性。以云南冷清公路路基的碎石土为试验对象,提出库岸区碎石土路基抗剪强度分析与建模方法,分析碎石土路基的抗剪强度参数在不同碎石量和含水量下的特征规律,探讨3种状态下强度参数模型及特征,并在此基础上,提出适用于碎石土路基抗剪强度参数的模型范式。理论计算和实例应用的结果表明,所提出的模型公式简单、实用,基本能反应试验土样的抗剪强度特性,其在坚硬和硬塑状态下具有较高的准确性,而可塑状态下的模型参数仍需更丰富的试验数据标定。     

掺废弃钢渣的水泥土强度特性试验研究

为了充分利用废弃钢渣二次资源,解决环境污染问题,节约水泥用量,提高地区经济效益,开展了关于水泥土掺废弃钢渣加固软土的强度直剪试验,研究了掺入钢渣的水泥土抗剪强度与正应力-应变曲线关系,得出了符合掺入钢渣的水泥土抗剪强度特性的库仑预测公式,提出了掺入钢渣的水泥土强度特性的衡量指标,分析了水泥、钢渣含量及龄期对抗剪强度的影响,为掺入钢渣的水泥土应用计算提供强度参数。通过比较得出:掺入废弃钢渣的水泥土抗剪强度随垂直压力的增加而提高,破坏的脆性程度随龄期的增长而增加;掺钢渣水泥土加固软土地基的最优配比为"100%土∶20%水泥∶10%钢渣∶30%水"。     

非饱和土力学理论在公路边坡工程中的应用

非饱和土是公路边坡工程中经常遇到的土类,传统的计算方法是基于饱和土理论的分析,然而实际的土为非饱和土与饱和土不同,非饱和土中是由固相、液相和气相三项组成,气相的存在使土的性质大为复杂化,因此,应用非饱和土理论分析边坡的稳定性更为切合实际,本文介绍了非饱和土抗剪强度理论在公路边坡工程中的应用,并通过有限元软件对工程非饱和土边坡进行受力分析,最终给出了利用非饱和土抗剪强度的实用化公式和分析流程,为非饱和土条件下的公路边坡工程问题的分析提供了理论基础。     

南宁非饱和膨胀土蠕变特性试验研究

通过压缩蠕变试验与改装的剪应力控制式剪切蠕变试验对南宁非饱和膨胀土进行了系列室内试验研究,探讨了非饱和膨胀土的非线性流变特性。试验结果表明：土体具有明显的非线性流变特性。同时,通过对蠕变曲线的拟合可以发现,南宁非饱和膨胀土的流变可以用Bu体模型来描述,并能得出其相应的本构方程和蠕变方程。     

含水量对非饱和重塑膨胀土抗剪强度和压实度的影响

含水量是影响膨胀土抗剪强度和压实度的重要因素。通过多组室内快剪试验,采用多元线性回归方法,分别对非饱和重塑膨胀土抗剪强度指标和压实度与其含水量的关系进行了研究。试验研究结果表明,非饱和重塑膨胀土的压实度随着含水量增加而逐渐降低,且当法向应力较低时,抗剪强度随着压实度的增加而缓慢增大,但当法向应力较大时,抗剪强度随着压实度增加而增大较快。非饱和重塑膨胀土抗剪强度指标受含水量的影响较为明显,当法向应力较低时,抗剪强度随着含水量的增加而增大,但当法向应力较大时,抗剪强度随着的含水量增加而增大的不太明显,出现含水量增加而抗剪强度基本不变的情况。     

某滑坡非饱和土土水特征曲线试验研究

利用土水特征曲线压力板仪,对福建省南平蔡源地区某滑坡体非饱和土试样进行了完整的脱湿-吸湿试验研究,获得了相关的脱湿与吸湿过程的土水特征曲线及其拟合函数,为今后进一步研究福建省的非饱和土特性提供参考。     

应力路径对根-土复合体抗剪强度的影响

利用GDS应力路径三轴仪,对无根素土和根-土复合体均进行等向固结和K0固结后,再分别对其进行了普通三轴压缩和减压三轴压缩排水剪切试验。在不同固结方式和不同三轴试验条件下,对比研究了无根素土和根-土复合体的抗剪强度特性受不同应力路径条件的影响。通过研究得到了诸多有益的结论,证明了不同应力路径对根-土复合体的抗剪强度具有不同的影响。通过对试验结果的拟合,得到了可用于描述根-土复合体临界状态曲线的幂函数关系式并确定了相关参数。研究结果为在生态边坡稳定性分析中,获得合理的抗剪强度参数提供了理论基础。