基于非饱和土力学的地质灾害灾变机制探讨

随着全球灾害性气候加剧,工程建设活动中与非饱和土力学有关的地质灾害问题也日益突出,主要表现为如下4个方面:胀缩性、稳定性、流动性和对围护结构影响。基于非饱和土力学理论和已有研究,分析总结和探讨了地质灾害的灾变机制,认为降雨致使膨胀土含水量增大,基质吸力减小,土粒间作用力下降,膨胀应力超过基质吸力的束缚作用,胀缩变形引发地质灾害;降雨入渗引起斜坡土体基质吸力降低,导致岩土体强度以及稳定性下降引发崩滑灾害;泥石流灾变过程即降雨时物料从非饱和状态转变为超饱和状态的过程,基质吸力在此过程中起到了"催化剂"作用;基质吸力变化会引起非饱和土体应变和位移,由此与围护结构产生相互作用,且其力学性态的变化及大小与基质吸力衰减速度密切相关。     

宁淮高速公路膨胀土边坡生态土壤稳定剂土质改性试验研究

介绍了STW型生态土壤稳定剂对宁淮高速公路边坡膨胀土的胀缩性、水稳性、强度、抗冲刷性等的改性试验研究,并结合现场试验,分析了STW型生态土壤稳定剂用于膨胀土边坡坡面防护的效果。试验结果表明:STW型生态土壤稳定剂改性膨胀土的胀缩性,随着稳定剂掺量的增大而减小;改性土的水稳性,随着稳定剂稀释浓度的增大而增强;同时,改性土的强度得到显著提高,抗冲刷性能得到明显增强,具有显著的防治水土流失、促进表层固化、提高坡面稳定的效果。     

南京地区下蜀土导热系数影响因素室内试验研究

岩土体热物理性质是当前岩土工程领域的一个重要研究课题,其关键在于岩土体导热系数的测试。使用日本EKO公司HC-110型热导仪,应用稳态法对南京地区典型下蜀土的击实重塑样进行导热系数测试,分析含水率、密度及试验温度对土体导热系数的影响,从土颗粒间、土颗粒与水分子间的接触方式对不同物理指标下土的导热系数的影响机制进行机理分析,结果表明:含水量一定,试样密度越大,土颗粒之间接触面积越大,土体热交换能力越强,导热系数越大;试样密度一定,温度升高时水分子活动能力加剧,导热系数随温度升高而增大,含水量大于16.6%时,导热系数随温度变化趋于平缓,温度大于50℃时导热系数有变小的趋势;试验温度一定,含水量小于20%时导热系数增大明显,含水量超过20%时试验值变化范围较小且有曲线重合现象。     

无侧限压缩条件下重塑土微观结构研究∗

近年来,基坑、隧洞等开挖工程中的卸载作用导致软土结构破坏,进而引起过大侧向变形的工程事故越来越多。土体所表现出来的各种变形及强度特性是其内部微观结构要素调整和演化的综合反映。为了研究结构遭到扰动破坏的软土在无侧限压缩变形后的微观结构特征,将原状软土重塑成不同含水率土样,在不同轴向应力作用下压缩变形稳定后,对土体微结构进行定性和定量分析,探讨无侧限条件下土体的微观结构与宏观变形的相关机理。研究结果表明,软土重塑样的微观结构主要以分散结构和絮凝结构为主,单元体之间多有架空,土体颗粒的接触方式以边-面和面-面接触为主。在无侧限压缩条件下,随着轴向应力和试样含水率的增大,试样的表观孔隙比减小,孔隙形状变得扁平狭长,孔隙的有序性和定向性增强。不同位置的定向性不同,在水平方向上,靠近试样边缘处的土颗粒定向性和有序性更强;在竖直方向上,靠近试样中间位置的土颗粒定向性更强。     

粗粒料颗粒形状对材料宏观力学性能的影响∗

粗粒料的颗粒形状是影响材料宏观力学性能的重要因素,大型三轴试验的局限性限制了粗粒料微观结构对力学性能影响的研究。基于二维颗粒流理论,利用PFC2D建立4种不同形状的颗粒簇,进行了双轴实验的颗粒流数值模拟,建立形状与宏观力学性能和变形特征的相互关系。结果表明:颗粒形状系数与材料内摩擦角近似呈线性关系,随着形状系数的增加内摩擦角递减;材料强度峰值和残余强度随着颗粒形状系数的增加而减小;材料初始切线模量随着形状系数的增加而减小;数值模型在加载过程中先出现剪缩效应,后产生剪胀效应,且同一形状颗粒的试样,围压越大,剪胀变形越明显;不同形状颗粒的试样达到最终应变软化状态之前,形状系数越小,剪缩效应越不明显,反之,剪胀效应越明显。     

石灰改良土的土水特征曲线及其冻结特征曲线∗

土水特征曲线反映了非饱和土的持水特性，与土体的水力特性及力学特性密切相关。土的冻结特征曲线表示土体中液态水的势能与含水率之间的关系，也可以用来描述土体的持水特性。以黄土为研究对象，利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线，根据冻结温度降低法计算得出试验土样0 ℃时对应的土水特征曲线。另外，采用滤纸法在0 ℃附近得到实测的土水特征曲线，将这两结果进行对比分析，并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。通过滤纸法测得的土水特征曲线与非饱和土样的冻结特征曲线具有较好的一致性，两者之间存在差异很小。土样在饱和状态下利用冻结温度降低法得到的孔隙水总势能ψ与质量含水率ω关系曲线位于非饱和土样结果的下方，这可能是因为饱和土样在冻结过程中会发生冻胀现象，土样结构被破坏，孔隙增大，土样持水性能下降。     

可液化场地桥梁群桩基动力反应振动台试验研究

针对上覆0.3m粘土层、下伏1.2m饱和砂层的可液化场地,采用2×2群桩-低承台-独柱墩结构,完成了可液化场地桥梁群桩基动力反应振动台试验。结果表明:随着埋深增加,土体孔压、加速度和位移趋于减小,随着输入频率的增大,土体孔压和加速度增大,土体位移则减小;桩的加速度和弯矩反应自下而上呈现增大趋势,桩的弯矩在承台处达到最大值,且随着输入频率的增大而减小;随着埋深的增加,桩上土反力和桩-土相对位移减小,土体模量增大;随着输入频率的增大,土体模量及耗能变小。     

滤纸法测定膨胀土总吸力试验及基质吸力预测研究

采用滤纸法测定膨胀土体吸力时,滤纸与土体表面距离不同所测得的滤纸含水率也不一样,获得的总吸力亦不相同。为此采用滤纸法开展了不同距离下的膨胀土总吸力测定试验,获得了不同距离条件下滤纸含水率的变化规律。干密度较小时,滤纸含水率随距离的增大呈现"减小-增大-减小"的规律;干密度较大时,滤纸含水率随距离的增大逐渐减小,最终趋于稳定。距离为3cm时所测得的吸力离散程度较小,可作为测定土体总吸力的标准距离。根据总吸力-距离关系式,通过引入伪基质吸力的概念,计算得到伪基质吸力,并与相应的真基质吸力进行比较。结果表明:不同干密度及含水率下的膨胀土真基质吸力与伪基质吸力之间存在良好的线性关系。此法可为测定现场土体基质吸力提供新的思路。     

冷水循环作用对半埋管能源桩承载特性影响试验研究

能源桩系统是一种新型节能环保的桩基础形式,主要是将地源热泵系统和桩基础结合而形成。针对半埋管能源桩开展了冷水温度循环作用下能源桩的承载特性变化规律研究,发现桩周土体温度、桩身温度、桩身轴力、桩侧摩阻力等随温度减小的变化规律。桩身温度变化最大影响范围为100 cm,随着深度的增加逐渐减小。冷水循环后桩身温度减小的幅度从上至下呈先减小后增大的趋势,说明在地基深处桩土热传递效果更加明显。研究表明,冷水作用下半埋入能源桩存在桩两端向中间收缩的情况,且收缩中心点位于埋管位置的下半部分。     

砂-聚苯乙烯颗粒轻质混合填料的剪切强度特性

砂-聚苯乙烯颗粒填料是一种以砂土和聚苯乙烯颗粒组成的轻质混合填料。通过轻质填料的直剪试验,研究其剪切强度的特性、强度影响因素及其机制。研究发现,轻质填料的剪切强度具有最优含水率(本文为10%),若大于或者小于最优含水率,剪切强度都将减小;轻质填料的剪切强度主要由4个分量构成:颗粒滑动、剪胀、挤碎和重新排列,以及因聚苯乙烯收缩而引起的颗粒移动和重排分量;轻质填料的剪切强度还受聚苯乙烯含量及法向应力(或围压)的影响,其剪切强度随聚苯乙烯含量的增加而减小,随法向应力的增加而增加;轻质填料的内摩擦角随着配比的增加而减小,凝聚力随配比的增加而增大。     

寒区冻结冰碛土的变形特性与非线性本构模型研究

为了研究寒区冰碛土的变形特性和本构模型,应用MTS-Landmark 370.10型动静三轴测试系统对冰碛土在温度为-3、-5 ℃,围压为0.1、0.5、1、4、8 MPa时开展低温常规三轴试验。结果表明:冰碛土的应力应变关系曲线均为应变软化型,可分为线性、非线性和应变软化3个阶段;围压越大,软化现象越明显;随轴向应变的增加,试样先体缩再体胀。基于试验结果在沈珠江三参数模型和修正邓肯-张双曲线模型基础之上提出一种改进模型,将改进模型与沈珠江三参数模型、修正邓肯 张双曲线模型的拟合结果进行对比,发现改进模型能较好描述冻结冰碛土的应变软化现象和剪胀特性。     

冷‑热不平衡热荷载下黏土地基中能量桩长期热‑力学特性∗

建立了热-渗流-力(T-H-M)三场耦合能量桩有限元数值分析模型,研究了力学荷载组合不同热聚集度(桩的放热量与吸热量之比)温度荷载下黏土地基中能量桩的长期热-力学特性,包括桩身温度、桩头沉降、桩身轴向应力、 地基土温度和超孔隙水压力特性等。计算结果表明：冷-热平衡时桩头沉降随温度荷载循环的增加逐渐增大,桩头发生沉降累积,桩身轴向应力和地基土温度变化的幅值不随温度荷载循环而变化。当桩的放热量大于吸热量时, 桩身温度随温度荷载循环的增加而升高,桩头沉降随之减小,但热荷载循环对桩身轴向应力没有影响。桩周土温度随热循环的增加而逐渐增大,产生热聚集现象。温度荷载的热聚集度数值越大,桩身和桩周土的温度越高,桩身最小压应力越大,桩头沉降越小。温度荷载引起的超静孔隙水压力数值很小。     

循环温度作用下砂土地基能量桩的长期工作特性

为了完善能量桩的设计,采用可反映土体循环力学特性的边界面模型,基于分步耦合方法,对热力耦合作用下干砂地基中能量桩单桩的长期工作特性进行了研究,分析了温度循环对桩体位移、桩侧阻力和承载力安全储备的影响。结果表明,温度循环导致桩顶出现沉降的累积,累积沉降随静力工作荷载水平和温度循环周数的增加而增加。温度位移零点位置决定了桩-土相对位移的模式,影响了桩侧阻力的分布及发挥过程。由于土体的剪缩,桩身上部出现负摩擦,下部则存在明显的侧阻力弱化现象,其是承载力减小的主要原因。     

不同温度条件下高分子固化剂改良砂土的强度特性∗

近年来城市热岛效应越加明显,温度变化对土体性质的影响程度备受关注。通过一系列无侧限抗压强度试验,对高分子固化剂改良砂土在不同温度条件下的抗压强度特性进行了研究,并结合微观扫描电镜对改良砂土的微观结构和改良机理进行了研究。结果表明：在相同温度条件下,高分子固化剂改良砂土的强度和弹性模量随高分子固化剂含量的增加而增大;随着温度的升高,高分子固化剂改良砂土的强度和弹性模量一直保持增强趋势,且当温度达到 35℃后,加入 3% 和 4% 含量的高分子固化剂改良砂土的强度增幅变缓;高分子固化剂溶液均匀分散在砂土中,随着水分挥发,在砂粒之间形成了空间网状固化膜,使得分散的土体连接成为一体,从而提高砂土强度;且随着温度的增加,形成的固化膜强度增强,使得改良砂土强度进一步增加。高分子固化剂在高温条件下对砂土依然具有较好的加固效果,可为高温地区防风固沙加固提供新途径。     

墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力分析

针对墙后填土液化前后对挡土结构物总压力的变化情况进行了分析。墙后填土液化后孔隙水压力升高、有效应力降低,土颗粒处于悬浮状态,此时不存在土压力。由于液化后墙后填土呈现出粘性流体的性质,其对挡土结构物的作用力等同于以土体饱和重度γsat为重度的粘性流体以各方向相同的力作用在挡土结构物上,因此液化后挡土结构物上的总压力明显增大,工程中应予以重视。计算结果表明:随着地下水位的下降,墙后填土液化前、后对挡土结构物的总压力均逐渐减小,但液化后与液化前的总压力比值呈先增大后减小的变化趋势;随着静止土压力系数K0的增大,墙后填土液化前后对挡土结构物的总压力逐渐增大(完全浸水情况下,液化后的总压力不随静止土压力系数K0的变化而变化),但液化前的总压力增长更快,故液化后与液化前总压力的比值呈减小的趋势。     

热弹塑性土体本构模型及在多场耦合数值模拟中的应用

采用热等效应力的概念,提出一种新的热弹塑性饱和/非饱和土本构模型,其在正常屈服面以内仍然会发生塑性应变。该模型通过以饱和度和土骨架应力为状态变量,能够统一描述饱和、非饱和土体的热力学特性;还采用上下负荷面概念,考虑了土的结构和超固结发展特性。所提出的本构模型可以很好地展现饱和/非饱和土体在不同温度条件下固结压缩实验和三轴实验中的压缩和应力应变特性。将该模型导入土-水-气-热多场耦合有限元分析中,利用有限单元一有限差分法模拟了深层软岩加热高温试验。计算结果与试验结果吻合得很好,验证了所提出的本构模型与多相场耦合有限元方法的准确性,可尝试将其用于地热能开发与土体热力学特性的研究和模拟。     

非饱和土体变试验研究及其在地面沉降中的应用

地下水位降低将导致非饱和土体中净平均应力和基质吸力发生变化,从而引起土体体积变化。针对重塑非饱和砂土、粉土、黏土和软土,结合土水特征曲线和收缩曲线,考察了土体在干燥收缩过程中基质吸力与孔隙比的关系;运用固结曲线分析了土体在经受净平均应力下的变形特性。基于试验结果,根据Fredlund弹性体变本构模型估算了不同的地下水位降低情况时非饱和土区域的沉降量。结果表明,在总沉降量中非饱和土区域的沉降量是不可忽略的,随着地下水位的降低,非饱和土区域的沉降量在总沉降量中所占比例逐渐增大。     

微生物修复柴油污染土试验研究∗

为比较提取的5种降解菌及混合菌修复柴油污染土的能力,利用超声萃取-紫外分光光度法对修复后柴油污染土剩余油浓度进行测定,研究温度、pH、含水率及接种量等对柴油污染土降解效果的影响。结果表明,降解菌的降解率随温度升高先增大后减小,且温度为32℃时,六种组合柴油污染土的降解率均达到最大值;随pH增大,苍白杆菌属的降解率逐渐减小,铜绿假单胞菌的降解率逐渐增加,假单胞菌属、戈登氏菌属和混合菌的降解率先减小后增大,博德特氏菌的降解率先增大后减小;随含水率增大,苍白杆菌属和混合菌的降解率先增大后减小,假单胞菌属、戈登氏菌属、铜绿假单胞菌和博德特氏菌属的降解率呈上升趋势;随接种量增大,苍白杆菌属和混合菌的降解率先增大后减小,假单胞菌属、戈登氏菌属、铜绿假单胞菌和博德特氏菌属的降解率先减小后增大。通过对比试验建议使用混合菌修复柴油污染土,并给出了降解优化条件。     

含水率及温度影响非饱和土导热系数的试验研究

土体的导热系数是能源岩土工程设计与研究中重要的热物理参数。工程中土体常处于非饱和状态。非饱和土体的导热系数会影响地下结构物的力学性能、热交换效率以及整个热工结构的工作效率。为给能源岩土工程设计与研究提供可靠的热物理参数,通过室内单元试验测量了不同含水率和温度下砾砂、粉土和黏土的导热系数,研究这三种非饱和土体的导热系数与含水率、基质吸力和温度的关系。研究结果表明,三种非饱和土体的导热系数都随含水率的增加而增加,最后趋于稳定。砾砂导热系数增加的速率最快,粉土次之,黏土最小。相同含水率下,砾砂导热系数最大,粉土次之,黏土最小。粉土的导热系数与基质吸力密切相关,其关系曲线趋势近似土 水特征曲线。三种土体的导热系数均随温度的增加近似线性增加,但增加幅度仅为10^-3级别,可忽略其影响。     

地铁荷载下宁波软黏土冻融水泥土动力学特性研究∗

在复杂软弱地层条件下,为有效抑制人工冻结冻胀融沉,可采用水泥土改良后人工冻结二次加固,水泥土冻融后的动力学特性,对地铁隧道长期运营至关重要。运用 GDS 动三轴仪研究水泥掺入比、振动频率及振次对冻融水泥土动应变、动弹性模量及动阻尼的影响。结果表明:冻融水泥土水泥掺入比越大,滞回圈面积越小,呈现先快后慢发展的趋势,其累积塑性应变最大减小 50%;在其它条件相同情况下,动弹模随振动次数的增加而非线性减小,随振动频率升高、水泥掺入比的增大而线性增大;动阻尼比随振动次数的增加而非线性增加,随振动频率升高、水泥掺入比的增大而线性减小,并存在变化临界值;软土水泥土冻融前后的动力学特性有一定差异,一次冻融后的强度较冻融前减小 6%;工程中联络通道周围产生非均质冻融水泥土水泥掺量应大于 5%;地铁长期循环荷载的后期作用对软土水泥土加固冻融后的动力学特性影响很小,工程中可以不予考虑。