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非饱和砂土隧道土拱效应模型试验及颗粒流数值模拟研究

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岩土力学 2021年第12期42卷 3451-3466页

作者：崔蓬勃朱永全刘勇朱正国潘英东石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 江苏建筑职业技术学院交通工程学院江苏徐州221116 石家庄铁道大学交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

非饱和砂土基质吸力引起的表观黏聚力使其力学性质与干砂差异较大,为研究非饱和砂土隧道土拱效应,进行了不同含水率及埋深条件的Trapdoor试验,通过分析挡板下落过程中砂土破坏模式及土压力变化规律,揭示了不同工况土拱演化的时变特征,... 详细信息

非饱和砂土基质吸力引起的表观黏聚力使其力学性质与干砂差异较大,为研究非饱和砂土隧道土拱效应,进行了不同含水率及埋深条件的Trapdoor试验,通过分析挡板下落过程中砂土破坏模式及土压力变化规律,揭示了不同工况土拱演化的时变特征,阐述了含水率及埋深对土拱效应的影响,同时基于大主应力迹线圆弧拱理论对挡板上方土压力分布模式进行了理论分析,并考虑粒间吸力作用基于PFC线性滚动阻力黏结模型,进行了离散元数值模拟,从细观角度对不同工况土拱效应进行了分析。结果表明:干砂工况破坏模式由三角形迅速发展为梯形,非饱和工况破坏模式为三角形且夹角与含水率相关;土压力呈三阶段变化,干砂时土压力降到极值后出现回升;非饱和工况土压力极值较干砂大幅减少,含水率较大时土压力受埋深影响较小,且松动区边缘出现裂缝,局部坍塌后形成自然拱;数值模拟表明,随挡板下落,主应力方向发生明显偏转,接触力链为由松动区向稳定区呈由弱到强结构,对模型试验及数值模拟土压力进行归一化处理,土压力分布与理论分析一致。干砂工况孔隙率与土压力规律一致,在含水工况出现裂缝处孔隙率快速增大,同时接触组构随含水率变化明显。

关键词：土拱效应非饱和砂土破坏模式土压力颗粒流

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗试验与数值模拟研究

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岩土工程学报 2015年第8期37卷 1357-1364页

作者：王成华万正义张成林天津大学建筑工程学院天津300072

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨... 详细信息

传统降雨入渗分析仅以降雨强度在坡面上的正交分量作为边界条件,不符合实际降雨非正交入渗规律。为了研究非饱和砂土的非正交入渗规律性,采用自行研制的室内降雨试验装置对非饱和砂土坡面进行了一系列不同降雨强度、坡角和孔隙比的降雨入渗试验,并对应地进行了正交入渗条件下的数值模拟。测量了入渗率、出渗速率及砂土储水增量随时间变化的关系曲线,分析了雨强、坡角和孔隙比对试验结果的影响。试验结果显示各试验中均无坡面径流现象,与正交入渗边界理论差异显著。通过分析非饱和砂土在传统坡面降雨正交入渗边界条件下的入渗率、出渗速率及砂土储水增量等数值模拟结果与对应的降雨入渗试验结果的差异,证明按正交入渗边界理论计算得到的砂土坡面土体含水率、入渗能力及坡面边界条件转化的判别机制均与实际情况不符。

关键词：非饱和砂土非正交入渗降雨入渗试验数值模拟

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非饱和砂土−混凝土界面剪切强度试验研究

铁道科学与工程学报 2022年第2期19卷 409-418页

作者：杨明辉王文筱邓波湖南大学土木工程学院湖南长沙410082 南华大学土木工程学院湖南衡阳421001

土-结构界面的剪切强度是分析土与结构相互作用的重要参数。通过GCTS压力板仪测定砂土SWCC曲线,用Geotest摩擦-剪切仪开展非饱和砂土与不同粗糙度混凝土界面的32组大型直剪试验,探讨基质吸力及界面粗糙度对界面剪切强度和剪胀性状的影... 详细信息

土-结构界面的剪切强度是分析土与结构相互作用的重要参数。通过GCTS压力板仪测定砂土SWCC曲线,用Geotest摩擦-剪切仪开展非饱和砂土与不同粗糙度混凝土界面的32组大型直剪试验,探讨基质吸力及界面粗糙度对界面剪切强度和剪胀性状的影响。试验结果表明:基质吸力和净法向应力对非饱和砂土-混凝土界面的硬化、软化以及剪胀特性有显著影响。随着吸力的增大,非饱和砂土−混凝土界面的表观摩擦角均呈增大趋势,而界面总黏结力呈先增大后减小趋势。界面基质角δb随吸力的增大而减小,且其强度包络呈现非线性特性。界面峰值抗剪强度趋势与界面粗糙度有关,随着粗糙度的提高,界面抗剪强度呈增大趋势。在试验现象的基础上,充分考虑剪胀角对表观摩擦角的影响,提出了一种非饱和土抗剪强度的修正公式,并与试验结果对比验证该模型的合理性。

关键词：非饱和砂土混凝土界面吸力抗剪强度剪胀性

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低含水率非饱和砂土抗剪强度研究

岩土工程学报 2004年第5期26卷 674-678页

作者：慕青松马崇武苗天德兰州大学物理科学与技术学院力学系甘肃兰州730000

在引进附加内压力概念的基础上 ,将非饱和砂土中的基质吸力划分为毛细吸力和附加内压力两部分 ,进一步将低含水率非饱和砂土中的有效应力区分为由基质吸力引起的有效应力及由重力和其它外力产生的有效应力两部分 ,基此推导出了基质吸力... 详细信息

在引进附加内压力概念的基础上 ,将非饱和砂土中的基质吸力划分为毛细吸力和附加内压力两部分 ,进一步将低含水率非饱和砂土中的有效应力区分为由基质吸力引起的有效应力及由重力和其它外力产生的有效应力两部分 ,基此推导出了基质吸力与抗剪强度之间的关系 ,第一次成功地解释了关于非饱和砂土抗剪强度的Donald实验现象 :非饱和砂土的抗剪强度随含水率降低、基质吸力增大而升高 ,但升高的速度逐渐减缓 ,并当基质吸力超过某一阀值时。

关键词：非饱和砂土毛细吸力附加内压力有效应力抗剪强度

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非饱和砂土和粉土的抗剪强度及其预测

工业建筑 2017年第3期47卷 102-106,136页

作者：李宣孙德安上海大学土木工程系上海200072

以工程中常遇到的砂土和粉土为研究对象,对其进行土水特性试验和不同初始饱和度下的直剪试验,研究其土水特性和强度特性,重点研究其非饱和抗剪强度与饱和度间的关系。结果表明:在同一正应力下,非饱和状态的砂土和粉土的抗剪强度都随着... 详细信息

以工程中常遇到的砂土和粉土为研究对象,对其进行土水特性试验和不同初始饱和度下的直剪试验,研究其土水特性和强度特性,重点研究其非饱和抗剪强度与饱和度间的关系。结果表明:在同一正应力下,非饱和状态的砂土和粉土的抗剪强度都随着饱和度的增大呈先增大后减小的变化,存在一个峰值;内摩擦角随着饱和度的变化不大,可视为常数。此外,根据实测的土水特征曲线,用平均骨架应力作为有效应力的强度算式对非饱和砂土和粉土的抗剪强度进行了预测,并与实测值进行对比,两者比较一致。

关键词：非饱和砂土非饱和粉土抗剪强度饱和度强度预测

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基于相变状态的非饱和砂土边界面本构模型

应用力学学报 2015年第5期32卷 724-730,891页

作者：张卫华赵成刚傅方北京城市学院城建学部北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100086

低围压下,由于吸力的存在,非饱和砂土相对于饱和砂土在剪切过程中会发生更大的体积变化,即剪胀,在整个应力应变行为中出现明显的剪胀和峰值特征点。基于此,本文基于相变状态定义状态参量β,考虑水力-力学性质耦合,引入模型参数,分别在... 详细信息

低围压下,由于吸力的存在,非饱和砂土相对于饱和砂土在剪切过程中会发生更大的体积变化,即剪胀,在整个应力应变行为中出现明显的剪胀和峰值特征点。基于此,本文基于相变状态定义状态参量β,考虑水力-力学性质耦合,引入模型参数,分别在一般应力空间和三轴应力空间建立非饱和砂土的边界面本构模型。结果表明:在给定围压下,剪胀随着吸力的增加而增加,并伴随着体积增大,剪切强度提高。

关键词：相变状态非饱和砂土状态参量剪胀边界面本构模型

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非饱和砂土工程性状的细粒效应试验研究

非饱和砂土工程性状的细粒效应试验研究

作者：田湖南中国科学院研究生院（武汉岩土力学研究所）

学位级别：硕士

本文以不同细粒含量砂土为研究对象,通过室内试验,研究了不同细粒含量砂土的饱和～非饱和的渗透特性、持水能力及非饱和强度性状,分析评价了细粒对非饱和砂土工程性状的影响。首先,进行了10种不同细粒含量砂土的基本物性试验,通过分析... 详细信息

本文以不同细粒含量砂土为研究对象,通过室内试验,研究了不同细粒含量砂土的饱和～非饱和的渗透特性、持水能力及非饱和强度性状,分析评价了细粒对非饱和砂土工程性状的影响。首先,进行了10种不同细粒含量砂土的基本物性试验,通过分析不同细粒含量砂土基本物性指标的变化,引入粒间状态参量探讨了细粒对砂土基本物性的影响。结果表明,细粒的增加使得砂样逐渐由级配不良变为级配良好,细粒改善了砂土的级配状况。随细粒的增加,含细粒砂土的最大孔隙比先减小后增大,呈下凹状,在细粒含量25%左右时出现最大孔隙比的极小值。粉粒间孔隙比e随细粒增加总体表现为减小。其次,通过饱和渗透试验,考虑细粒含量对砂土的渗透特性的影响,分析渗透系数的变化规律。结果表明,细粒增加改变了砂土的孔隙性状,渗透系数随细粒增加而减小,细粒含量10%为渗透系数转折点,细粒含量小于10%时,随细粒增加渗透系数急剧减小。粉粒间孔隙与渗透系数关系在半对数坐标中具有很好地线性相关性。再者,通过压力板试验研究了不同细粒含量砂土的持水特性。试验结果表明,不同细粒含量砂土进气值都很小,在持水特征曲线的准饱和段,细粒的增加并没有明显地提高砂土的持水能力,而在非饱和段,持水能力随着细粒的增加而显著增强;提出数学模型对持水特征曲线进行了拟合,能较好地反应试验结果,并分析得出了细粒含量与拟合方程参数的数学关系;利用预测公式对非饱和砂土的渗水系数进行了预测。发现细粒含量小于15%时,随细粒增加曲线陡降,渗透系数迅速降低,在此以后,曲线变化趋缓,渗水系数随细粒增加缓慢下降。平均粒径,粒间孔隙比和粉粒间孔隙比的曲线也证明细粒含量在15%附近为非饱和渗水系数的临界细粒含量。最后,考虑基质吸力和细粒的影响,通过非饱和砂土直剪试验分析细粒对非饱和砂土强度特性的影响。借由统一的强度公式,发现不同细粒含量非饱和砂土的内摩擦角在32°到41°之间,总凝聚力随基质吸力和细粒含量变化较大;同一细粒含量下,随着基质吸力的增大,内摩擦角有所增大。细粒对非饱和砂土强度影响明显,临界细粒含量在15～20%之间。同一基质吸力情况下,细粒含量的增加使得内摩擦角减小,总凝聚力增加,且表观凝聚力随细粒含量呈线性增加;摩擦角随着粒间孔隙比的增大而减小,在粒间孔隙比为1.5附近曲线出现转折,此时对应FC为20%;表观凝聚力随着粒间孔隙比也呈线性增长;粉粒间孔隙比与摩擦角及表观粘聚力呈非线性变化,两者的FC都为15%。

关键词：细粒含量非饱和砂土渗透持水特征曲线强度特性

非饱和砂土孔隙压力湿度特性及其对强度影响研究

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非饱和砂土孔隙压力湿度特性及其对强度影响研究

作者：黄涛青岛理工大学

学位级别：硕士

道路工程中,路基的强度是影响道路在使用年限内能否始终保持良好稳定性的主要原因之一。路基土的湿度在自然条件下不断发生变化,且通常处于非饱和状态,土内将存在动态变化的负的孔隙压力,并对强度产生影响。目前,工程上对土层的强度分... 详细信息

道路工程中,路基的强度是影响道路在使用年限内能否始终保持良好稳定性的主要原因之一。路基土的湿度在自然条件下不断发生变化,且通常处于非饱和状态,土内将存在动态变化的负的孔隙压力,并对强度产生影响。目前,工程上对土层的强度分析往往采用Terzaghi饱和土强度理论。虽然这种做法容易操作且具有较高的安全性,但却忽略了非饱和土中孔隙负压对强度的贡献,从而造成过度的资源浪费。因此,有必要对孔隙压力在非饱和土中的湿度特性开展研究,探索其对土体强度的影响,为实际工程提供理论指导。本文首先利用课题组自研孔隙压力监测装置,对三种不同细度模数的砂土进行孔压湿度特性试验,探究水位升降过程中含水率和水位高度对孔隙压力的影响,进一步揭示了非饱和土力学中孔隙压力的变化规律。再通过基质吸力试验和直剪试验,研究非饱和土的基质吸力和抗剪强度参数与孔隙压力的关系,构建了基于孔隙压力的非饱和砂土抗剪强度模型。进而可通过装置实时测量的孔隙压力求解路基土的强度,避免了传统方法在取样过程中对土层的扰动破坏。利用Geo-Studio有限元软件对孔压强度模型进行验证,并建立了以该模型为基础的砂土路基抗剪强度计算方法。论文主要结论如下:(1)孔压湿度特性试验中,实测孔隙压力随含水率和水位高度的变化而变化。试验数据显示,注水阶段含水率逐渐增加,孔隙负压先增加后减小,土体转变为饱和状态后孔隙正压不断增大并在注水结束后达到峰值。排水阶段孔隙正压不断减小,土体转变为非饱和状态后,含水率逐渐减小,孔隙负压不断增大并在排水结束前趋于定值。而且相同含水率下除高含水率外排水段的负压大于注水段,相同水位高度下静水压力和注水段的正压均小于排水段。(2)土层的细度模数越大、埋深越小,注、排水阶段的负压最大值越小。并且该土层的注水阶段毛细水上升速度更快,孔隙负压先增大后减小的过程越快,临界含水率较大;排水阶段孔隙水排出速度更快,消散水位线以上剩余正压的时间和负压增至最大值所需的时间均越短,负压最大值时的含水率较小。(3)随着含水率的减小,基质吸力、粘聚力和内摩擦角均逐渐增大。但基质吸力的增幅不断增大,粘聚力的增幅不断减小,内摩擦角总体变化较小。三者都随着干密度的增大而增大,但当细度模数增大时,基质吸力和粘聚力减小,而内摩擦角将增大。(4)基质吸力与孔隙负压的关系和其与粘聚力增量的关系相似,表现为基质吸力对二者的转化程度均随着含水率的减小显著降低。而孔隙负压与粘聚力增量的曲线拟合性较好,粘聚力增量与孔隙负压的百分率始终在80%以上。根据Lu Ning的吸应力理论,从有效应力的角度考虑孔隙负压对强度的作用,建立基于实测孔隙压力的非饱和砂土吸应力抗剪强度模型。通过软件模拟与路基情况分析,发现孔压强度模型在路基稳定性分析和抗剪强度计算方面具有较好的适用性。

关键词：路基非饱和砂土湿度孔隙压力基质吸力抗剪强度

非饱和砂土坡面降雨非正交入渗的试验研究与数值分析

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非饱和砂土坡面降雨非正交入渗的试验研究与数值分析

作者：张成林天津大学

学位级别：硕士

目前对于降雨非饱和入渗机理的认识以及传统渗流计算边界条件的处理并不符合实际。其最大的问题是不能考虑降雨入渗的实际特点，简单将降雨量根据坡面方向进行分解，只取正交于坡面的水量作为入渗边界条件。这种简单按传统的饱和土正交... 详细信息

目前对于降雨非饱和入渗机理的认识以及传统渗流计算边界条件的处理并不符合实际。其最大的问题是不能考虑降雨入渗的实际特点，简单将降雨量根据坡面方向进行分解，只取正交于坡面的水量作为入渗边界条件。这种简单按传统的饱和土正交入渗的做法并不符合实际降雨非正交入渗机理和规律。为研究实际降雨入渗结果与基于目前渗流理论所得结果的差异性，本文分别进行了室内模型试验研究和降雨入渗数值分析。针对试验要求，本文自行设计制作降雨入渗研究试验装置，通过室内小模型试验：1.研究不同降雨强度下入渗的现象、分析入渗机理;2.观测砂土不同密实度对入渗速度、渗入量及渗出量的影响;3.在土性及降雨类型一定条件下，研究非饱和砂土坡面在不同坡度情况下的入渗。针对具体室内模型试验进行相应的降雨入渗数值分析，并与实验结果作对比，总结两者的差异性。通过试验分析和数值计算，本文最终得到如下成果：1.不同降雨强度下，实验结果均不存在坡面径流，传统数值分析结果与实验结果不符;2.分析总结了不同坡度控制下砂土入渗规律;3.研究并归纳了不同降雨强度对降雨入渗影响;4.给出不同孔隙比下降雨入渗现象与规律;5.在坡面实际受雨量相同的情况下，研究了不同坡度下的入渗规律;6.对比分析了不同坡度、不同降雨强度、不同密实度下试验结果与数值分析结果的异同点，进一步证明了传统正交入渗理论不准确。

关键词：非饱和砂土非正交入渗渗流实验装置降雨入渗试验数值分析