陈辉[1]2010年在《非饱和土水力特性测试理论与方法研究》文中提出非饱和土水力特性包括土水特征曲线和渗透函数。其中,土水特征曲线描述的是基质吸力与含水量(如：饱和度、体积含水量等)之间的关系；渗透函数描述的是渗透系数与基质吸力或含水量之间的关系。它们在分析有关非饱和土力学行为及污染物地下迁移等问题中起到关键的作用。因此,确定非饱和土水力特性在非饱和土研究及工程实践中具有十分重要的意义。本文围绕非饱和土水力特性的确定问题,开展了测试理论及其方法的研究,具体进行了以下四个方面的工作：1)在利用压力板仪测定非饱和土的土水特征曲线时,常用的取样称量法、溢出水称量法分别存在实测试样质量与实际试样质量不相等、实测排水量与实际排水量不相等问题,从而造成试验结果失真。为此,提出了以溢出水称量法为基础,通过施加修正气压力及校正手段来测量非饱和土水力特性的新方法-溢出水校正称量法。通过取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的对比分析,探讨了它们的适应性。2)针对同一试样的土水特征曲线和水相渗透系数需分开测量及在测量水相渗透系数时采用常水头技术存在的问题,本文介绍了一台能够同时测量非饱和土土水特征曲线和渗透函数的试验装置-非饱和土水力特性联合测试系统,并利用它对两种土样的水力特性进行了测量。通过其测量结果与Tempe仪和VGM模型预测结果的比较,验证了该仪器的适用性。3)基于多孔介质热动力学理论并考虑交界面上各相动态相容条件,建立了一个能描述静态土水特征曲线与动态土水特征曲线间关系的线性粘弹性模型。在此模型的基础上,结合多步流动试验特点,建立了非饱和土的饱和度演化方程,该方程能描述非饱和土流动过程中饱和度的动态变化规律。基于此方程,提出了一种利用非平衡多步流动试验的溢出量试验结果计算非饱和土水力特性的方法,并对该方法的适用性进行了验证。此外,还对该方法应用的相关问题进行了探讨。4)以非饱和土的饱和度演化方程为基础,提出了一种计算试样达到平衡状态所需时间的预估方法,并就时间间隔、容水率及特征时间这几个因素对试样达到平衡状态所需时间的影响进行了研究。
刘文化[2]2015年在《干湿循环对非饱和土力学特性影响及非饱和土本构关系探讨》文中指出地表浅层的非饱和土体经常承受由水位升降和降雨-蒸发过程引起的干湿循环的影响,土体的力学特性发生不可逆转的变化。这部分非饱和土与浅基础、边坡、土坝和公路铁路路基等实际工程问题紧密相关。研究干湿循环条件下非饱和土的力学特性无论对设计新的土工结构还是评价已有土工结构的安全稳定性都具有重要的现实意义。本文首先从试验出发,以大连地区典型粉质黏土为研究对象,通过对干湿循环前后不同初始干密度粉质黏土在饱和条件下的固结不排水剪切特性进行详细分析,发现干湿循环对不同初始干密度土体的影响存在差异,指出进行干湿循环试验研究时必须考虑试样的初始密实度；基于泥浆固结叁轴试样,研究了干湿循环对不同基质吸力下非饱和土抗剪强度、临界循环应力和动强度的影响；以干湿循环条件下非饱和土力学特性试验为基础,分析了干湿循环对非饱和土力学特性影响的机理,并通过电镜扫描试验佐证了所提机理的合理性。其次,以下负荷面剑桥模型为基础建立了超固结非饱和土的本构模型,并对模型的有效性进行了验证,对干湿循环前后非饱和土的力学特性进行模拟；结合孔隙介质理论,推导了非饱和土的固-液-气叁相耦合有限元控制方程,并进行有限元数值计算。本文主要研究成果如下：(1)通过应力-应变控制式叁轴剪切试验仪研究了干湿循环条件下不同初始干密度粉质黏土试样在饱和条件下的固结不排水剪切试验特性,结果表明：干湿循环对土体的影响与土体的初始密实状态有关。干湿循环使得初始干密度为1.61g/cm3的试样的应力-应变关系曲线由应变硬化转变为应变软化,孔隙水压力的发展由先增加后减小转变为孔压持续增长,干湿循环前后有效应力路径的发展趋势发生了明显变化。初始干密度1.71g/cm3和1.76g/cm3试样干湿循环前后的应力-应变关系曲线形式未发生明显改变,干湿循环致使孔隙水压力的峰值所有增加,剪切初始阶段的有效应力路径位于未循环试样的左侧。干湿循环过程中粉质黏土力学特性的变化与干燥应力的大小有关,干燥应力越大,力学特性变化越明显。由干湿循环前后土体的电镜扫描试验发现,干湿循环导致土骨架的结构性转变。干湿循环过程中试样内部结构调整和基质吸力的压密作用使得土体的力学特性发生了不可逆转的变化。在研究干湿循环条件下非饱和土的力学特性时,有必要考虑初始密实度和干燥应力对土体力学特性的影响。(2)基于非饱和土的孔隙结构差异影响其平衡饱和度并改变其力学特性这一事实,对泥浆固结制样方法进行改进。改进后的方法能够一次性制备数十个叁轴试样,确保多个试样同时进行干湿循环试验,保证了后续非饱和土叁轴试验的连续性,缩短了整个试验周期。通过对比多个试样的干密度、含水率分布、颗粒分布曲线和土水特征曲线,系统地评价了泥浆固结试样的均一性,表明改进的泥浆固结方法能够制备大量的均一性试样,有效地降低了试样差异性对试验结果的影响,为后续的试验奠定了基础。(3)采用GDS非饱和土叁轴仪和改进的可控制吸力式C.K.C循环叁轴仪对干湿循环条件下的非饱和粉质黏土进行了常吸力下的叁轴排水剪切试验和动叁轴试验,探讨了干湿循环对非饱和土抗剪强度、临界动应力和动强度等的影响。结果表明：干湿循环后非饱和土的初始剪切刚度、临界动应力和动强度明显增大,但这种增长随基质吸力的增大而减小。(4)从理论与试验相结合的角度分析了干湿循环对非饱和土力学特性影响的机理,即饱和条件下干湿循环对土体力学特性的影响主要取决于干湿循环过程中试样的密实度变化和微裂隙的开展程度两方面,最终的表现取决于这两方面所占的权重；而在分析干湿循环对非饱和土力学特性的影响时则应同时考虑密实度变化、微裂隙开展以及饱和度变化叁方面的作用。干湿循环前后的电镜扫描试验结果佐证了所提机理的合理性。(5)基于下负荷面剑桥模型,采用平均骨架应力,引入有效饱和度作为自变量,假设非饱和土的压缩曲线的斜率为有效饱和度的函数,建立了超固结非饱和土的本构模型。该模型能够较好地描述正常固结、超固结的饱和及非饱和土的力学特性,同时能够描述非饱和土的循环加载特性。通过对不同初始超固结度下的非饱和排水、不排水叁轴试验进行模拟,验证了模型的有效性。采用该模型对干湿循环前后非饱和土的叁轴试验进行模拟,取得了良好的效果。(6)以多相孔隙介质理论和连续介质理论为基础,结合超固结非饱和土本构模型,从一些基本的假设出发,严格推导了非饱和土的叁相耦合控制方程。通过引入附加假设,对控制方程进行简化,最后得到了u3-pa-pw格式的叁相耦合控制方程,并推导了该控制方程的有限元格式。通过Fortran语言进行编程将该模型引入到叁相耦合数值分析平台中,建立了考虑超固结效应的叁相耦合有限元程序,并分析了干湿循环引起的土水特征曲线变化对土坝渗流的影响,为研究干湿循环条件下非饱和土坝的渗流奠定了基础。
李斌[3]2008年在《填方路基土水汽迁移规律试验研究及数值模拟》文中指出随着我国高速公路建设逐步向中西部山区延伸,出现了大量的高填深挖路基,如何减少填方路基的工后沉降成为了当前需要解决的重要问题。除已经明确的诸如路基填筑方法、施工压实不足及实际行车荷载的原因外,路基体内的水汽迁移变化也是路基工后沉降的一个主要原因。当前,虽然对非饱和土水汽迁移问题有了一定的研究,但对于非饱和土导水参数的求解方法上尚不统一,其整个迁移过程和迁移规律的研究和认识尚有待进一步完善和补充。本文结合湖南省潭衡高速公路填方路基工程实践,对某典型填料的非饱和土水汽迁移规律进行了系统的研究。首先,在张力计原理的基础上,通过对张力计的一系列的改装,研究了该填料土基质吸力的量测方法;其次,以该填料土的PSD数据为基础,结合分形理论,求出了该土样的PSD分形维数。在Menger海绵模型的基础上,将毛细管模型应用于土水特征曲线中,导出了该土样基质吸力的函数关系式。通过该结果与实测结果的对比分析,验证了理论分析和实验方法的准确性。另外,设计了一维压实土柱水分再分布试验,通过土中水汽再分布过程推导出非饱和土导水参数的函数关系式;通过设计不同流量边界条件下的压实土柱试验,对其水汽迁移变化规律及其与压实度、各边界条件之间的关系进行了试验研究,并采用有限元分析软件对该实验进行数值模拟,二者结果吻合较好,说明该软件对非饱和水汽迁移问题模拟是可信的;最后,采用该软件建立该典型路基二维实体模型,对某典型路基土在自然气象条件下的水汽迁移规律进行了数值模拟,并对护坡草皮对路基水汽迁移规律的影响进行了进一步的探讨。
张兵[4]2003年在《非饱和土水力参数的分形模型》文中研究指明由Mandelbort发展起来的分形几何已经应用于刻画许多自然现象，分形几何的出现使人们对于非线性所引起的混乱，复杂现象重新产生了兴趣。分形体主要表现出叁个特点：大的长度范围内相似结构；具有标度不变性的复杂结构；不能用经典几何描述的不规则结构。 土壤作为风蚀过程产生的碎削物质及多孔介质应用分形描述是恰当的。颗粒大小的分布反映风蚀和成土过程的相对平衡，颗粒大小的分布可以看成是颗粒数目大于某一粒径或质量小于某一粒径的累计函数，这些累计函数可以用幂律表示，其指数描述为分形维数。 土壤中的水流以及化学物质的迁移由诸如水分保持和导水率等水力性质决定，然而不论是实验室和野外测定水势和含水量及导水率，不仅费时，而且费力，分形几何在土壤学中的应用表明土壤水力性质与其它土壤物理性质相联系。颗粒大小的分布可以用质量分维描述；孔隙结构可用表面分形维表征；分形的孔隙容积可以用容积分形表征。描述土壤结构用理论分形Menger sponge，a Sierpinski carpet和koch curve等。基于分形理论和颗粒大小分布的数据，建立分形维数和颗粒大小的分布的函数关系，并应用分形维数估计土壤水分保持函数，非饱和土的扩散率及导水率的分形模型。主要的研究内容及结果如下： 1．根据中国制土壤质地的粒级，采用吸管法，对江津，忠县，丰都的9种土壤进行分析测定，根据分析资料应用重量粒径分形模型计算出各土壤结构的分形维数，研究表明：土壤结构的分形维数不仅反映了土壤颗粒大小的影响，而且体现了质地的均一程度。分形维数越高，表明土壤质地越粘重，通透性越差；分形维数越低，则表明土壤结构越松散。分形维数是描述土壤质地与结构形态特征较好的参数。 2．根据The Menger Sponge的概念建立了孔隙容积增量与孔隙半径之间的关系表达式推出颗粒半径小于等于半径R时的累积颗粒质量的关系：ln[W(≤R)]=ln C+((3D~2-13D+14)/(D~2-5D+4)+1)ln R分形维数可通过lnW-lnR斜率求得，并在此基础上推出分形的孔隙大小分布的土壤水分特征曲线的分形模型。 (V_O)/(V_T)(1-[h_(min)/h]~(E-D))|θ(h)=θ_(max) O＜D＜E。同时根据实测的土壤水分特征曲线，验证了土壤水吸力与土壤含水率具有典型的乘幂关系。拟合的不同土壤的分形维数各不相同，具体的排列顺序由小到大依次为壤质土壤、砂质土壤、轻壤土、轻粉质壤土、中粉质壤质土、壤质粘土、粘土。 3．对于以上的第一种方法因为分形结构本身是处处不可微的。实际上粒子的概率密度函数＊／）是不能得到的，因为谱维数的测量与＊／）本身有很大关系。理论上p厂0应是稳定分布，但由于目前仍然对解非线性方程无能为力，只能得到近似解。逾渗模型可以作为多孔介质的一种近似模型．多孔介质中物质扩散过程受孔隙连通性的影响很大，即使是相同孔隙率的多孔介质，由于连通性不同，物质的扩散过程也会不同。d。与分形空隙的不均匀有关，d则和孔通道的连通性有关。d越大，扩散粒子的前进就会受到更大阻碍，d。和 d柏不均匀性和连通性）对粒子的扩散有相互竞争的效应，这方面的具体影响还有待于进一步探讨。 从D～o的乘幂关系可以看出拟合较好，对较低含水率时，可以采用乘幂形式拟合，这与 Pedro等门）研究的结果相一致。当饱和含水率越小，拟合的幂越小，从而分形维数越小，因此，土壤粘粒较少。反映出土壤砂壤性，这与实际土壤结构特性相似。同时与分形布朗运动的结论相一致。 4．分别由科赫曲线和用Menger海绵以及流体的运动方程导出了土壤水的导水率，前一种主要突出了几何意义，而后者不仅突出了几何意义，更反应了流体的物理意义。
李吴刚[5]2018年在《水力—力学耦合的非饱和土本构关系及其数值算法研究》文中进行了进一步梳理非饱和土广泛分布于地球表层,大量的基础设施,如铁路、公路和机场跑道等,修建于非饱和土层之上,基础设施的使用性能与非饱和土的力学性质密切相关。非饱和土是由土颗粒、孔隙水和孔隙气组成的叁相混合物,性质复杂多变,对非饱和土的研究仍处于探索阶段,理论尚未完善。研究非饱和土的本构关系无疑对设计新的土工结构、指导工程施工和评价原有设施的安全性都具有重大的意义。本文对非饱和土、非饱和膨胀土和超固结非饱和土的力学性质进行了详细的研究,建立了相应的本构关系,并将本构关系和有限单元法结合,用于工程问题的计算分析,本文主要的研究成果如下:(1)对非饱和膨胀土的膨胀机理进行了分析,指出以非饱和膨胀土的宏观性质为基础建立宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系是可行的。提出了非饱和膨胀土的宏观结构中性加载屈服面假设,推导了宏观结构中性加载屈服面方程和非饱和膨胀土发生塑性膨胀变形时的体变方程,建立了宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系,该模型与原模型相比只引入一个新的参数。采用宏观结构中性加载屈服面概念建立的非饱和膨胀土本构关系不需要分析膨胀土的微观尺度变形,也不需要通过耦合方程计算宏观尺度的塑性膨胀变形,和双尺度的非饱和膨胀土的本构关系相比,具有参数少,参数容易确定,模型框架简单等特点。最后采用文献中的试验数据对宏观尺度的非饱和膨胀土的本构关系进行了验证,证明了该模型的正确性。(2)非饱和土的复杂性质是水力-力学耦合作用的结果,对非饱和土的体变特性进行了详细的分析,提出了非饱和土硬化效应的概念,建立了饱和度与硬化效应之间了关系。采用饱和度和骨架应力作为基本的本构变量,推导了非饱和土的体变方程,结合临界状态土力学,建立了水力-力学耦合的非饱和土的本构模型。该模型对非饱和土的体变特性从饱和度对非饱和土硬化效应影响的角度进行了解释,非饱和土的硬化效应由饱和度控制,饱和度发生变化时,非饱和土的硬化效应随之改变,从而影响非饱和土的体变特性,若饱和度保持恒定,则非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行。结合孔隙介质理论,最后通过排水条件和不排水条件下的非饱和土的压缩试验数据和叁轴剪切试验数据验证了该模型的正确性。(3)引入下负荷面的概念,将水力-力学耦合的非饱和土本构模型推广至超固结非饱和土的本构模型,并给出了该模型的隐式积分算法,与初始模型相比,该模型只增加了一个参数。该模型能够较好地考虑超固结对非饱和土力学性质的影响,能够预测超固结非饱和土的许多力学特性,如:超固结非饱和土的应变硬化和应变软化现象,剪胀和剪缩特性,同时也能够预测饱和度对超固结非饱和土力学性质的影响。通过模型预测结果与文献中试验数据的对比,证明了该模型的正确性。(4)对饱和度恒定条件下的非饱和土的力学性质进行了探索,通过同时控制非饱和土试样的孔隙比和基质吸力,达到了控制非饱和土试样饱和度的目的,并对非饱和土进行了饱和度恒定的一维压缩试验。试验结果表明在饱和度恒定的条件下非饱和土的压缩曲线与饱和土的压缩曲线平行,该试验结果验证了从饱和度对硬化效应影响的角度对非饱和土体变特性的解释。(5)基于孔隙介质理论,推导了非饱和土固-液-气耦合的控制方程,并结合本文提出的水力-力学耦合的非饱和土的本构关系,给出了非饱和土固-液-气耦合的有限元算法,通过数值模拟结果与土柱渗流试验结果的对比验证了该算法的有效性,最后对非饱和土相关的工程问题进行了有限元分析,数值计算结果表明地下水位上升对条形基础的承载力和土质边坡的稳定性均会产生不利影响。
徐颖[6]2014年在《强降雨作用下类土质滑坡演化过程及破坏机理研究》文中研究表明滑坡作为一种最常见的地质灾害之一,其造成自然环境及社会环境的损失是毋庸置疑的。占滑坡总量90%以上的降雨型滑坡具有广分布、规模小、频率高,突发性强等特点。福建省山区丘陵地带广泛分布着由火成岩经风化作用形成的厚达十到数十米的类土质风化壳斜坡,在台风气候作用下,造成成群分布的类土质滑坡,且大量滑坡处于“大雨大滑、小雨小滑、无雨不滑”的临界滑动状态。严重威胁着地质环境脆弱地区的安全。受内部微观结构及非饱和工程特性的控制,类土质斜坡受降雨入渗作用效应及滑动特征不同于均匀土质滑坡。对研究区内广泛分布的叁种类土质微观水力特性进行室内试验及观测,结合实际气候条件设计降雨工况,确定滑坡地下水渗流特性及宏观破坏特征,对揭示该类滑坡的启动及复活机理的研究起到关键作用。根据已有研究区内各类降雨型滑坡灾害统查资料,选取区内叁种典型类土质滑带土,并以含两种类土质滑坡—永泰旗山滑坡为例,通过室内非饱和试验对叁种类土质宏观及微观工程特性进行研究。基于坡体含水量与抗剪强度关系的分析,考虑干湿循环引起的不同土体内部渗流场变化对滑坡宏观形态的影响,最终得出类土质滑坡演化过程及内在破坏机理。本文主要的研究内容和研究成果如下所述。(1)对研究区内区域地质构造环境,包括地形地貌、岩性、构造环境及气象水文进行阐述,重点分析了研究区内类土质滑坡与降雨的关联效应,从总降雨量、短时降雨量、降雨强度叁个方面分析降雨与类土质滑坡发生的时间及空间分布关系。结果显示,小到中雨的天数在滑坡启动条件中作用最大,次要影响因素为连续降雨天数及降雨量≥25.0mm天数。选取了总降雨量x1>25mm降雨天数x6以及最长连续降雨天数x9叁个因子与研究区滑坡概率y进行拟合,以此估算研究内滑坡发生概率与降雨因子的关系。(2)通过薄片试验重点分析了凝灰岩、钾长花岗斑岩、花岗闪长岩及二长花岗斑岩的岩矿及化学成分,其中云母化微细凝灰岩具凝灰结构,其他叁种喷出岩岩样均具中-细粒结构,均含有斜长石与石英,主要矿物成分Si02含量均超过68%。类土质试样的X衍射试验结果表明,叁种类土质试样的主要矿物成分为石英、长石及高岭石、绿泥石等粘土矿物,由于母岩种类的不同,微量矿物也有所差异。(3)由滑带及裂缝的分布规律可知,研究区内滑动带主要集中在土岩接触面或不同结构土层分界面；冲沟、拉张裂缝及干湿胀缩裂缝则对雨水的入渗起到了加强及重分布的作用。以类土质滑坡形态、滑带土滑体土物质成分组成,滑带及裂缝分布特征为主要考虑因素,对研究区内的滑坡发育强度进行了分区。研究区内的降雨型滑坡主要集中在山区丘陵地带。(4)随着研究区降雨的入渗,类土质斜坡内部土体处于非饱和与饱和干湿循环状态。本文针对研究区不同基岩对应的不同矿物成分及不同初始状态的类土质土体进行了压力型土水特征曲线试验。试验结果表明叁种类土质土水特征曲线脱湿过程拟合参数排列顺序为：α闪>a钾>a凝,且造成进气值的差异机理为各试样粘土矿物成分的组成,即含亲水性粘土矿物越多,则进气值越大,与孔径分布相关的系数n则相反；而吸湿过程中进气值则主要有细颗粒含量所控制,即粉粘粒含量越高则进气值越大,而n则与矿物成分关联性较大。(5)在不同初始状态方面,土水特征曲线拟合参数变化规律与土的干密度和初始含水量紧密相关,且二者有着相互作用的关系。随着干密度的增加,进气值越大,试样初始含水量的不同代表了各试样的吸水和存水能力,系数越高,说明在内部微观孔隙的持水能力越强,表现出较高的进气值与较为均匀的孔径分布规律。叁类试样表现出类似的变化规律,但由于粘土颗粒含量及成分的不同,α凝值的增减幅度最大。(6)为研究试样的非饱和渗透系数变化规律,分别对叁类试样进行的非饱和渗透试验,结果表明ks凝>k钾>ks闪。这一结果与粘土矿物成分含量一致,却与细颗粒含量结果相反。随着含水量的降低,矿物成分尤其是粘土矿物成分在吸水的过程中对渗透系数的贡献要高于颗粒级配的影响,该结论进一步说明了颗粒的微观结构对非饱和渗透系数的贡献最大。由于在研究区的滑坡往往存在两种或两种土体,且渗透系数是影响土体含水状态变化速率的决定因素,脱水、吸水以及矿物成分、颗粒级配对SWCC及渗透系数特征曲线影响的差异,将直接导致降雨条件下,雨水入渗及渗流特征。由于滞后效应的存在,使得粗颗粒含量较高的土体在脱湿过程中,含水量排出速率不同,促成滑带在细颗粒土层中发生及扩展。(7)对研究区内叁种类土质非饱和试样在不同基质吸力状态及干湿循环路径抗剪强度进行了非饱和直剪试验。试验结果显示：与黄土或粘土存在类似的变化规律,即随着基质吸力的增加,内摩擦角变化很小,主要表现在抗剪强度的变化。不同的是,各种类土质试样抗剪强度在一定的基质吸力增加的范围内存在上移或下移的现象,移动幅度也有较大的差别。即：基质吸力的增加对抗剪强度的影响效果开始削弱,土样抗剪强度也在达到峰值后开始出现下降趋势。结合SWCC曲线可知叁种试样接近抗剪强度峰值所对应的基质吸力类似,C值变化规律符合Gauss函数,φ’值变化规律则符合Hilll函数。Y1、N1峰值约在75KPa,对应的含水量分别是21.49%、26.7%；Y2峰值对应的基质吸力出现在100KPa,对应含水量为9.61%,对应含水量主要与试样中粘土矿物总含量及亲水性矿物含量成正比。(8)竖向荷载方面,叁种试样的抗剪强度随基质吸力的变化也有差别,表现在Y1与N1试样在200KPa状态时,基质吸力对抗剪强度贡献最大,而Y2试样则在100KPa时,贡献最大。对于降雨型滑坡而言,不同埋深试样的抗剪强度对含水率或基质吸力的感应度是不同的,即在埋深约12m处Y1土体抗剪强度衰减速率最大,而Y2试样在埋深约5m处衰减速率最大。不同初始条件方面：随着初始含水量的增加,粘聚力呈先增加后减小的趋势,内摩擦角则呈减小趋势,幅度较小,可忽略不计;与其他类型土体一致,试样经过干湿循环路径后,抗剪强度急剧减小,但随着次数的增加,衰减幅度变小。(9)将叁种类土质抗剪强度的试验结果,与建立基于吸应力理论及F&X模型的抗剪强度修正方程预测结果进行对比分析,可知修正后扩展的莫尔库伦抗剪强度方程的预测结果具有可观的准确度,但仍需进行大量的试验进行不断修正。对于研究区内降雨型类土质滑坡而言,坡面及坡体在雨季经常经受强降雨及长日照的影响,处于干湿循环状态或非饱和状态,因此采用基于吸应力理论的扩展的摩尔库伦抗剪强度修正准则来预测类土质非饱和抗剪强度性质,有利于合理的评价类土质斜坡的稳定性及灾害预测。(10)FESEM图片显示：凝灰岩残积土微观颗粒由柱状和块状的单粒以及片状矿物聚合成的集粒组成,且大部分集粒被含量较高的单粒(石英颗粒)所覆盖,集粒内的粘土矿物多呈边-面、面-面接触。钾长花岗斑岩残积土颗粒多成扁平薄片状,排列紧密,具成层性,有优势的排列方向,定向性明显,颗粒间的接触方式多为面-面接触或边-面接触,多为绿泥石与石英的共生矿物。花岗闪长岩残积土多见片状及柱状的矿物颗粒,有少量块状石英晶屑充填于孔隙当中,为絮凝状结构,薄片状集粒定向性明显,而长石矿物则排布较散乱。(11)在含水量相同状态下,随着竖向荷载的增加,平面孔隙率及平均孔隙面积呈减小趋势,试样颗粒排列更加密实,定向性越为明显。孔隙的圆形度呈增大趋势。当竖向荷载达到300KPa,土体结构有破坏迹象,排列趋于无序。竖向荷载相同时,初始含水率越高,试样结构改变越明显。初始含水量为24.9%试样的孔隙定向性要高于32.22%与9.8%,该结论与直剪结果一致。干湿循环条件下,经历一次湿润-干燥过程,试样土体结构状态改变不明显,粒间孔隙有少量的增加,颗粒排列定向性明显；经历叁次干湿循环以后,试样颗粒之间的孔隙大量增加,颗粒定向性变差,排列杂乱无序,片状颗粒破碎严重,颗粒尺寸变小,土体由迭片状结构转变为絮凝状结构。(12)叁种类土质土体具有明显的分形特性,分形维数均在1.88-1.97之间。经过非饱和直剪试验凝灰岩残积土剪切面分形维数为1.9～2.0。且随着干湿循环次数的增加,分形维数也呈增加趋势。说明类土质在干湿循环之后土样中土颗粒变得松散,密实度降低,从而使土体的抗剪强度降低,这一特性与类土质的崩解性相符。孔隙分形维数与含水量及荷载的关系显示：随着初始含水量的增加,剪切面的孔隙分布维数也呈增加趋势,由干燥进入非饱和阶段增加幅度较大,在接近饱和状态时,维数接近稳定状态。在试验过程中,随着竖向荷载的增加,维数呈线性减小趋势。另一方面竖向荷载的增加,试样的密实度逐渐增加,当荷载增加到一定程度时,孔隙的调整变得越来越困难,土体结构逐渐趋于一种新的平衡状态,故分形维数也逐渐趋于稳定。(13)孔隙分布分形维数Dp与类土质非饱和抗剪强度之间存在显着的二次函数相关性特性,即随着孔隙分布维数的增加试样的粘聚力与内摩擦角分别呈二次函数增加和降低。结合试验数据建立孔隙分形维数与类土质宏观工程特性参数关联性公式,以此可从微观角度对类土质非饱和抗剪强度进行估算。(14)坡体内地下水渗流场分析结果表明：不同降雨条件下,土体负孔隙水压力的绝对值(即基质吸力)都有减小的趋势,减小的程度、速率与降雨的强度、持续时间以及土体的饱和度有关。对于强度小、持续时间长的久雨型降雨作用下,基质吸力随着降雨的持续时间的增加而逐渐减小,且速率逐渐放缓,直至土体饱和,基质吸力减为0；对于强度大、时间短的阵雨型降雨,基质吸力在短时间内迅速减小,坡体表层土体趋于饱和,甚至形成坡面积水。(15)不同的降雨条件下滑坡位移场对比结果显示：滑坡位移量与降雨量有较大的关系,表现为总降雨量越大,滑坡位移越大。滑坡的大部分位移是在降雨过程前期形成的,降雨后期坡体趋于稳定；降雨过程停止后,坡体中部位移最大,后缘次之,前缘最小。滑坡稳定性分析表明：自然状态下,旗山滑坡稳定系数是1.081,处于基本稳定状态,坡体安全储备不高。降雨历时相同时,坡体的稳定性随降雨强度的增加而减小,短历时小降雨对坡体稳定性影响较小;在降雨强度相同时,坡体的稳定性随着降雨历时的增加而降低,在降雨初期坡体稳定性系数降低较快,随着降雨的持续,土体趋于饱和,稳定性系数降低速率减小；在总降雨量一定的情况下,低强度长历时的久雨型降雨对坡体的稳定性影响比高强度短历时的阵雨型降雨对坡体稳定性的影响更大,对坡体的稳定性更不利。该计算结果与第二章统计结果一致。(16)采用大气—非饱和土相互作用模型,建立了考虑植被覆盖的土体表层蒸发量和蒸腾量,能滑坡长期稳定性变化计算模型。计算结果显示：气候变化对滑坡稳定性的影响主要是通过土体的在干湿循环条件下基质吸力的改变来实现的；类土质一次吸湿过程土体基质吸力减小,土体抗剪强度降低并接近饱和状态,导致滑坡的稳定性降低；蒸发蒸腾作用使得类土质进入再次脱湿过程,土体基质吸力逐渐恢复,但由于土水特征曲线滞回效应的存在,同等含水量条件下对应的基质吸力减小,此次土体抗剪强度能得到逐渐恢复,但长期的干湿循环作用,使得土体抗剪强度逐渐衰减,并最终导致坡体失稳。
余红玲[7]2014年在《非饱和土土水特征曲线的预测研究》文中研究指明在实际工程中，人们遇到的越来越多的工程事故都是由于土体处于非饱和状态造成的，这引起了人们对非饱和土力学理论及其应用的关注。土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve，简称SWCC)，是指非饱和土中吸力与含水量之间的关系。由于其可以反映土体处于非饱和状态时的水力、力学性质，在非饱和土力学的诸多领域，例如渗流理论、强度理论等均得以应用，因而对非饱和土土水特征曲线本身的研究是具有实际工程意义的。目前测定土水特征曲线的方法主要有直接测定和间接测定两大类。室内的直接测定方法最大的制约问题就是耗时、不经济，以现有的设备技术条件，测定一条完整的脱湿和吸湿的土水特征曲线需要几周甚至几个月的时间，而且对试验精度要求也较高；相比直接测定法，间接测定法更加的快捷和经济，因而人们更加亲睐通过模型来间接获得非饱和土的土水特征曲线。据此，本文从预测土水特征曲线的模型出发，结合分形理论，主要做了以下几点工作：(1)分析了土水特征曲线的实际工程意义，对典型的土水特征曲线的测定方法进行了总结，同时对各种方法的优缺点进行了简单的评述，以供参考。(2)简单的介绍了分形理论的形成和发展以及目前已有的主要的预测非饱和土土水特征曲线的分形模型，对各分形模型的前提条件、拟合效果以及适用范围做了简单评价。(3)依据本文的研究目的，从武汉叁个工地选取土样，室内测定试验用土的基本土性参数。采用先进的高精度仪器(GEO-Experts应力相关的土水特征曲线压力板仪系统)室内实测重塑土的土水特征曲线，以提高试验结果和数据分析的可信度。(4)采用Mastersizer2000型激光粒度仪在试验用土的整个粒径范围内测定其颗粒粒径-体积分布关系，在假定实验用土密度不变的条件下，将土的颗粒粒径-体积分布关系转换成土体质量-粒径分布关系曲线，选用实用性最强的分形模型求得分维数，以预测试验用土的土水特征曲线。(5)对土水特征曲线的室内实测结果以及模型预测结果进行对比，分析模型的适用性，为模型的实际工程应用给出建议。
冯君[8]2015年在《合肥地区黏性地基土非饱和工程特性试验研究》文中指出为研究合肥地区黏性地基土的非饱和工程特性,选取该地区某铁路地基土为研究对象,依次分析了地基土的工程地质特性；物质组成特性,包括：颗粒组成特性,矿物成分、化学成分及相互之间的耦合特性,级配及矿物成分对基质吸力的影响特性等。区别于常规饱和土的试验方法,采用非饱和土压力板仪、能控制基质吸力的非饱和土四联直剪仪及非饱和土叁轴仪对黏性地基土进行了不考虑应力、考虑净竖向应力及净平均应力的SWCC试验,分析了地基土在不同应力状态下的土水特性；并结合非饱和土孔隙体积分形模型和Van Genuchten模型,分析了地基土土水特征曲线的分形特性,综合研究了试验段黏性地基土的非饱和土水特性。利用非饱和土固结仪和叁轴仪对地基土的一维和叁维压缩变形及蠕变变形特性进行了相应的试验研究；最后利用非饱和土叁轴仪对地基土进行了考虑基质吸力、净围压和干密度的叁轴排水剪切试验,研究了其非饱和强度特性。通过上述研究,主要得到以下几方面的结论：(1)试验段地基土中主要黏土矿物为蒙脱石和伊利石；化学成分主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3;地基土的残余含水率与黏粒含量呈现出明显的线性正相关,而与粉粒含量呈现出线性负相关；残余基质吸力与黏粒含量呈非线性负相关,而与粉粒含量呈非线性正相关；同时,残余含水率和残余基质吸力与地基土中蒙脱石的含量呈明显的线性关系,而与伊利石的含量并无明显相关性。(2)相同大小的应力作用下,考虑净平均应力的SWCC呈现出边界效应、过渡及非饱和残余叁个区段,考虑净竖向应力的SWCC只出现过渡及非饱和残余段,而不受应力的SWCC,过渡段比较明显,并呈现出水平的直线段,边界效应和非饱和残余段均不明显；针对试验段黏性地基土,得到一种同时考虑净竖向应力、净平均应力和基质吸力的广义土水特征曲线模型；基于非饱和土孔隙体积的分形模型和土水特征曲线的Van Genuchten模型,得到一种基于Van Genuchten模型参数求解非饱和土分维数的理论解。(3)提出吸力切线压缩系数的概念,通过试验发现试验段黏性地基土的吸力切线压缩系数随净竖向应力的增大呈现出指数形式的衰减规律；屈服净平均应力随吸力的增大而增大,而屈服吸力随净平均应力的增大呈现出线性减小,并根据Barcelona模型得到试验段黏性地基土的非饱和LC和SI屈服线。(4)不同基质吸力的一维蠕变变形随时间的变化规律大致可以分为两个阶段：①第一阶段,变形随时间的增长呈现快速增长；②第二阶段,变形随时间的增长逐渐趋于稳定；对于试验段的黏性地基土,其一维非饱和蠕变特性的时间函数呈幂次关系,且含水率的增加会同时引起回弹变形和压缩变形。(5)提出将基质吸力与净围压的比值作为一种新的应力水平F,发现不同应力水平下地基土的叁维蠕应变与时间之间呈现出良好的双曲线关系,而在半对数坐标中呈现良好的线性关系；不同应力水平F下的ε-lgt曲线均可大致看作由两个直线段构成,分别代表了加速蠕变和稳定蠕变两个阶段,两阶段的时间节点随F的增大呈现线性的减小。采用幂函数描述叁维应力-蠕应变的关系,用双曲线函数描述叁维蠕应变-时间之间的关系,得到一种考虑应力水平F的非饱和土叁维蠕变模型,通过试验验证,该模型可以用于描述试验段非饱和黏性地基土在不同基质吸力条件下的蠕应变-时间关系。(6)不同基质吸力的应力应变曲线可分为两个阶段：①偏应力随轴向应变增大的阶段；②偏应力随轴向应变增加基本稳定的阶段；不同基质吸力条件下的qf和pf呈现出良好的线性关系；并分析了不同基质吸力条件下吸应力及剪切时的屈服应力与基质吸力之间的相关关系以及剪切强度指标c’、φ’和φb随干密度的变化规律。
杨何[9]2017年在《叁峡库区滑坡堆积体非饱和土—水特征测试及渗流分析》文中进行了进一步梳理滑坡堆积体在自然界广泛分布,在叁峡库区尤为常见。堆积体物质岩性主要由残坡积、冲洪积、崩滑坡积等形成的砂砾石、碎石、块石的土石混合物组成。据统计,叁峡库区涉水滑坡滑体多为不同类型的土石混合物所组成。土石混合物兼有碎石与土两者的相关力学特性,因此其同样具有非饱和土的特性,可以称作特殊的非饱和土。堆积体在降雨与库水位升降的过程中,坡体内物质会经历由干到湿,再由湿到干这样一个从非饱和到饱和,再由饱和到非饱和的过程。堆积体的渗流、稳定性与坡体的非饱和特性密切相关。因此,非饱和土石混合物的非饱和土-水特征研究及渗流分析对地质灾害防治与土木工程建设具有重要价值。主要工作及研究成果如下:1、首先对叁峡库区堆积层滑坡滑体物质进行了详细统计分析,该区域内滑体为土石混合物的滑坡总计占比98%,而碎石含量在20%以上的滑坡占比87%,滑体主要由碎石土、块石土或粉质粘土夹(含)碎石、夹(含)块石组成。2、在对典型滑坡土-水特征试验基础上对室内试样进行分类,通过室内压力板仪试验取得了多条土-水特征曲线,重点分析了碎石粒径大小、碎石含量、颗粒级配、干密度以及土的塑性指数对土石混合物的土-水特征曲线的影响,得出碎石颗粒较小、碎石含量较大的土石混合物对土-水特征曲线的影响与干密度较小、土的塑性指数较小的土石混合物对土-水特征曲线有同一影响趋势。3、基于Fredlund&Xing(FX3)模型,该模型中叁个特征参数值随物质本身结构变化具有一定规律性;采用SPSS软件回归分析得出简便的计算叁特征参数的方程;提出利用室内基本物理实验得到滑坡堆积体土-水特征曲线的方法,该方法具有一定实用性。4、通过典型滑坡现场基质吸力试验,得出现场土的土-水特征曲线,与采用公式计算所得曲线以及取样室内试验曲线进行对比分析,得出采用公式计算的土水特征曲线能够较好反应实际情况,同时也阐明了不同之处的原因。5、最后将公式预测所得土-水特征曲线应用于典型滑坡,通过数值模拟分析了其渗流场的变化特征。两个典型滑坡的地下水位线都存在不同程度的滞后现象。影响坡体地下水位线凹凸变化程度的主要因数为滑体物质的饱和渗透系数、非饱和渗透系数函数、坡面坡度以及渗流路径长度。
刘小平[10]2008年在《非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究》文中进行了进一步梳理随着蓬勃发展的国民经济对交通需求的日益提高,公路、铁路建设不断扩大,细粒土(粉质土和粘质土)、膨胀土及湿陷性土等非饱和土作为路基材料也逐渐增多,非饱和土的工程性质及非饱和土水分迁移特性也越来越引起工程界及科研者的重视。修建的路基一般属于非饱和土范畴,而含水量是影响非饱和土工程性质的主要因素。建后路基暴露于自然环境中,路面荷载作用、降雨渗流作用、地下水毛细作用及四季温度变化等因素直接给路基水分迁移提供动力,使路基中的水分产生迁移,路基土含水量发生变化,导致路基工程性质下降。因此,为了了解路基水分迁移的规律及程度以提高路基工程设计,对外界因素下路基土的水分迁移研究非常必要。本文基于以上工程实践要求,主要通过理论分析、室内试验及数值模拟等手段系统地研究了水分对非饱和土路基工程性质作用机理、路基水分在毛细作用、降雨作用路基渗流和路基裂隙渗流作用及水热耦合作用迁移等问题。首先,本文研究了非饱和土吸力的本质问题。从吸力的承载体—土颗粒水膜的本质特征进行了研究,引用并扩展了水膜理论,从广义的水膜理论及土性方面分析了非饱和土总吸力问题,推导了广义非饱和土水膜理论下的总吸力公式;同时,通过对长沙非饱和红粘土的非饱和土叁轴试验,获得了长沙非饱和重塑红粘土的土水特征曲线及在不同的吸力下抗剪强度特性。其次,研究了毛细作用下路基水分迁移特性。探讨了路基中毛细作用机理和毛细上升高度与时间、土颗粒大小的关系;基于简单的路基毛细作用模型及土-水特征曲线,初步导出单位体积路基土毛细作用下含水量的变化关系。利用多孔介质理论,分析路基土毛细作用多孔介质模型;分别从结合路基毛细作用模型、土-水特征曲线及多孔介质理论,从两方面导出单位体积路基土毛细作用下含水量的变化公式。再次,研究了降雨渗流作用下的水分迁移特性。基于路基内部水运动原理,分析了降雨渗流(包括路表渗流及路基裂隙渗流)对路基的浸润作用,探讨了IEM和FDEM降雨模型强降雨及弱降雨强度下雨水入渗路基机理,推导出降雨强度与雨水入渗路基深度的公式,研究了降雨作用下非饱和土路基的饱和-非饱和流,且基于一般渗流方程的基础上,初步导出了降雨作用下非饱和土路基的饱和-非饱和渗流公式;同时,对路基土质裂隙进行了初步探讨,分析了非饱和土路基裂隙介质特征,并建立考虑吸力水头的土质裂隙渗流公式。最后,研究了水-热偶合作用下路基的水分迁移特性。研究了路基温度场及温度场与水分场耦合作用下路基水分迁移规律,同时,根据前人路基土性热参数的测试成果,利用matlab语言数值模拟砂质路基和粘性土路基在不同初始干密度及不同初始含水量条件下的路基温度场随时间变化特性;按照质量守恒及热力学定理推导了水-热耦合方程,分别分析了水-热耦合场的基质势与温度场的耦合作用及渗流场与温度场的耦合作用,继而推导了基质势-温度场及基质势-温度场-渗流场耦合方程;数值模拟砂质路基和粘性土路基分别在基质势、基质势-温度场及基质势-温度场-渗流场叁场耦合作用下路基中的水分场随时间的变化过程,初步探讨了叁场偶合作用下不同土质路基在不同的初始干密度及初始含水量变化下土中含水量变化的机理。
参考文献：
[1]. 非饱和土水力特性测试理论与方法研究[D]. 陈辉. 中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）. 2010
[2]. 干湿循环对非饱和土力学特性影响及非饱和土本构关系探讨[D]. 刘文化. 大连理工大学. 2015
[3]. 填方路基土水汽迁移规律试验研究及数值模拟[D]. 李斌. 长沙理工大学. 2008
[4]. 非饱和土水力参数的分形模型[D]. 张兵. 西南农业大学. 2003
[5]. 水力—力学耦合的非饱和土本构关系及其数值算法研究[D]. 李吴刚. 大连理工大学. 2018
[6]. 强降雨作用下类土质滑坡演化过程及破坏机理研究[D]. 徐颖. 中国地质大学. 2014
[7]. 非饱和土土水特征曲线的预测研究[D]. 余红玲. 武汉理工大学. 2014
[8]. 合肥地区黏性地基土非饱和工程特性试验研究[D]. 冯君. 西南交通大学. 2015
[9]. 叁峡库区滑坡堆积体非饱和土—水特征测试及渗流分析[D]. 杨何. 成都理工大学. 2017
[10]. 非饱和土路基水作用机理及其迁移特性研究[D]. 刘小平. 湖南大学. 2008
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