《土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研.pdf

土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 1 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 读书报告 冯冬冬 2011 11 7 阅读文献 阅读文献 张雪东 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 D 北京 北京交通大学 2010 一 文献内容文献内容 1 文献在分析了 SWCC 应用的基本步骤 SWCC 形状特点的基础上 结合现有 SWCC 模型的函数形式的 特点 分析了拟合 SWCC 试验散点时可能出现的问题 而后在统计了 21 种土的 SWCC 拟合结果的基础上 首次提出了一种使用不完整 SWCC 测量未到达残余状态 的试验点 拟合得到能够正确地反映土中孔隙结 构特点和持水能力的函数的计算方法 使用这种方法 可以解决在试验条件有限 无法测得完整 SWCC 时 难以根据试验结果准确地确定一些非饱和上力学模型中的相关参数的取值问题 2 以概率论为基础 利用 SWCC 和孔隙 水 分布函数之间的关系 提出了平均孔隙半径的概念 而后以此 为基础得到了一个能够模拟变形对 SWCC 影响规律的计算模型 由于该模型考虑了土中的初始孔隙结构对 SWCC 随变形的变化规律的影响 所以它能够给出比较理想的计算结果 该模型可为建立分析非饱和土的水 力 力学特性相互影响的计算模型奠定基础 3 以概率论为基础 提出了一个能够考虑土中孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型 而后结合本篇文 章提出的模拟 SWCC 随变形的变化规律的计算模型 以及 Mualem 相对渗透系数模型 建立了一个能够模 拟变形对非饱和土渗透系数影响的计算模型 该模型不仅能够考虑孔隙大小的变化对渗透系数的影响 更 能够考虑孔隙结构变化的影响 这使得预测结果能够更加接近于实际情况 4 以传统域模型的基本原理为出发点 提出了一个能够方便地模拟多次浸润 吸湿 干燥 脱湿 过程 以 及在含水量 吸力 变化历史未知的情况下模拟含水量随吸力变化规律的 SWCC 滞后模型 而后以该模型为 基础 得到了一个利用边界干燥曲线以及一条一阶浸润扫描线预测边界浸润曲线的计算方法 使用该方法 可以减少 SWCC 滞后模型计算时所需实测的数据 从而使现有的一些 SWCC 滞后模型能够方便地应用于 实际工程中 5 工程应用问题 尽管目前非饱和土力学理论己经得到了很大的发展 也取得了很多公认的成果 但非饱 和土力学的应用和工程实践还远远地落后于理论研究 主要障碍之一就是在非饱和土力学中 许多模型的 参数的测量难度大 成本高 周期长 且试验数据的处理和分析也远比饱和土更加复杂 SWCC 主要通过 试验获得 因此应用起来不方便 而如何在不影响应用的前提下 通过尽量少的试验工作量来获得工程需 要并具有一定精度的 SWCC 是非饱和土力学理论能否方便地应用到实际工程的关键之一 同时 如何将 SWCC 与土壤学所没有涉及到相关研究领域 如变形与强度问题 建立联系 都决定着非饱和土力学能否正 确地应用于岩土工程中 6 压实含水量影响 SWCC 的位置和形状是因为它改变了压实土的微观和宏观结构 对于压实含水量小于 最优含水量的土样 土样中的孔隙呈二元分布 土块间有较大的宏观结构 在压缩过程中并不重塑 这会 使土的进气值较小 容易脱水 而对于压实含水量大于最优含水量的土样 土样中缺少大孔隙 孔隙尺寸 小且分布均匀 使得进气值较大 不容易脱水 7 目前可以减少试验的工作量 进而能够使 SWCC 更加方便地应用于实际工程中 建立能够模拟密实程度 变化对 SWCC 影响规律的计算方法主要有以下三种 a 经验关系法 即通过建立 SWCC 模型中的参数随 着土的密实程度的变化规律来模拟这一影响 或者直接将描述土的密实程度的变量引入到了 SWCC 的模型 中 b 简化计算法 是将 SWCC 简化为直线 而后寻找简化后的直线随密实状态的变化规律 其计算结 果精度不高且只能应用于非饱和土本构模型中 c 统计学方法 它能够在一定程度上保证其普适性 但由 于该模型给出的经验函数关系是很多种土拟合结果的一个总体的最优反映 因此可能会导致它在应用到某 一种土时也会出现比较大的误差 8 Klausner 等总结了 SWCC 产生的滞后效应的原因 主要包括以下几点 a 孔隙尺寸效应 由于土中孔隙尺 寸大小不均匀 使得土在浸润与干燥过程中 连通性好的大孔隙较容易进水或者排水 而小孔隙进水排水 能力相对较小 因此 在干燥过程中 小孔隙内残留水相比浸湿过程要多 这使得同一吸力值在干燥线对 应的含水量高于浸润线 b 瓶颈效应 不同大小的孔隙 以及相互连通的孔隙喉道之间的尺寸差别造成了 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 2 这种作用 在浸润 吸湿 过程中 由于孔隙以及与其连通的喉道之间存在着尺寸差异 孔隙水在涌入的过程 中自然面临着瓶颈的 约束 而难以突破 这会导致在相同吸力下浸润 吸湿 时的含水量小于干燥 脱湿 时的含水量 c 接触角的影响 在干燥与浸润过程中 水 气交界面上的接触角也有所不同 一般来说 干燥 时接触角小 浸润时大 小的接触角对应的表面张力较大 因此对水的滞留能量较大 接触角的大小差异 决定了水的滞留特性的差别 这种现象称之为雨点效应 非饱和土 SWCC 的滞后性是非饱和土微观特性的 宏观表现 产生滞回性的主要原因与非饱和土多孔多相的微观特征密切相关 9 目前探讨的影响滞回圈形状的因素 主要包下几点 a 固结压力的影响 当固结压力增大时 颗粒之间 变得更加的紧密 因此进排水能力都受到了一定的限制 因此滞回圈变小 b 初始含水量的影响 初始含 水量较低的土体 与最优含水量和高于最优含水情况相比空气的进气值低 土体内的水也容易排出 c 吸 力变化范围的影响 当干燥 浸润路径处于相对吸力很大的时候 对应的含水在残余含水量附近变化 此 时对应的滞回圈很小 10 现有的滞后模型主要包括以下几种类型 a 经验模型 主要是以经验公式为基础而建立起来的 大致 分为两类 一类是曲线的拟合公式 另一类是基于干燥 浸润边界之间的关系进行预测的经验模型 b 域 模型 域模型是一种将土视为孔隙的集合体 以每个孔隙的吸排水特性作为基本的研究单元 在统计学的 基础上 通过引入孔隙水分布函数来计算土中含水量随吸力变化规律的土水特征曲线滞后模型 域模型本 质上是一种利用边界滞回圈通过内插的方法计算扫描线的计算模型 c 理性外推模型 Parlang 在 Mualem 的相似性假设的基础上 提出了理性外推模型 rational extrapolation model 即假设含水量分布函数 dw f yy 不依赖于 w y 仅是 d y的函数 dw yy是表征一个孔隙吸排水特性的两个吸力值 发展了的理性外推模型 能考虑含气量的大小 但是在含水量变化较小时对扫描曲线的描述往往比较准确 但是一旦含水量变化范 围太大 或者浸润扫描线贴近于浸润边界线 这时模型的预测结果往往与实测结果有不小的差距 d 边界 面模型 即加载面上的塑性反应取决于加载面上的应力点与其在边界面上的映射点 image point 之间的 距离的模型 11 现有的 SWCC 滞后模型大都是使用两条边界曲线预测扫描线 很复杂且非常费时 为了解决这一问题 一些学者提出了一些利用干燥边界曲线预测浸润边界曲线的计算模型 12 利用 SWCC 可以推算非饱和土的体变 抗剪强度 渗透性 扩散 吸附 气相扩散 热导率等 a 抗 剪强度 一般而言 土样在干化初期抗剪强度增加 这是因为脱湿时由于负孔隙水压力增加 所以抗剪强 度增加 但是如果继续干化 那么抗剪强度开始下降 Haines 和 Terzahi 认为与应力状态有关的孔隙水的 分布和几何特性是了解非饱和土抗剪强度的关键 正是因为土水特征曲线包含这方面的信息 所以该曲线 是了解非饱和土抗剪强度的重要因素 b 渗透系数 土水特征曲线确定非饱和土的渗透系数的基本原理是 以哈根 泊稷叶方程和达西定律为基础 利用土水特征曲线计算土中含水孔隙的相关水力学参数 如 水力 半径等 或水在不同尺寸孔隙中连通的概率 进而建立起非饱和土渗透系数的计算模型 c 扩散系数 将 扩散系数表示为饱和度 r S的函数 建立起 SWCC 与扩散系数的关系 d 吸附函数 进气值对吸附函数并 不重要 而函数的形状却很重要 较小的斜率说明有较大的一部分吸附存在于较小的孔隙中 结果在到达 残余饱和度时 吸附下降更加迅速 13 SWCC 描述了土中的含水量和吸力之间的关系 它能够反映土中孔隙结构的特点 孔隙大小和分布规律 和持水能力 在岩土工程中 SWCC 主要用于确定相关数值计算所需的参数 在使用 SWCC 时 首先须 测定一些 SWCC 试验散点 然后使用 SWCC 模型拟合这些散点得到连续函数 最后将拟合结果带入相关 模型计算需要的参数 如非饱和土的渗透系数和强度指标等 14 只要拟合使用的试验数据的范围包含了 2 G点 拟合结果就与使用全吸力范围 即完整 SWCC 的拟合结 果十分接近 而当拟合使用的数据不包含 2 G点时 拟和结果与使用完整 SWCC 的拟合结果就会产生较大 的偏差 根据上述拟合结果 可知测量是否达到 2 G点 作为判别 SWCC 是否完整判据是合理的 在实际 工程中 当我们遇到的土比较密实 或者土颗粒的粘性比较大 而所用使用的试验设备的陶土板的进气值 又比较小时 测量得到的 SWCC 就有可能还没有到达残余状态 此时得到的就是不完整的 SWCC 即此时 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 3 测量没有到达 2 G点 15 该文利用不完整 SWCC 确定 SWCC 模型参数的计算方法所采用的假定方法 a 利用 两个拐点相对于 反弯点点对称 的假设使我们在预测第二个拐点 2 G时 能够充分利用已有的试验点所反映出的规律 表现 为反弯点和第一个拐点之间的位置关系 得到的变化趋势能够在较大的程度上反映土的特性 如粘粒含量 密实程度 孔隙结构等 b 相对于其他适用不完整 SWCC 估算 SWCC 参数的方法 该文的方法由于采用 了 反弯点的饱和度恒为 0 59 的假定 使得该方法对数据实测 SWCC 样本的依赖性较小 即只要测量的 SWCC 最后一个点的饱和度小于 0 59 无论最后测量的点距第二个拐点的远近 本文方法都能给出比较稳 定的计算结果 16 一个完整的 SWCC 滞回圈 假定初始土样处于饱和状态 体积含水量为 s q 如果土试样从饱和状态出 发逐渐增大吸力 含水量将逐渐降低 此时试样的状态点在q y平面内形成的曲线即为初始干燥曲线 IDC 当吸力增大到一定程度 图上的 max y点 土中的含水量将不再随吸增加而明显减小 此时对应 的含水量为残余含水量 r q 从 IDC 上的吸力 max y减小至 0 形成的曲线为边界 主 浸润曲线 MWC 而从 MWC 上吸力 0 点处出发逐渐增大吸力减少体积含水量形成的曲线呈称作边界 主 干燥曲线 MDC 通常 MWC 和 MDC 是一个闭合的滞回圈 叫做主滞回圈 现有的 SWCC 滞后模型一般都是以 MDC 和 MWC 为 边界进行计算 从 MWC 上的点增加吸力排水 形成的曲线叫做一阶干燥扫描线 1D 而在 1D 上的点开 始减小吸力吸水形成的曲线叫做二阶浸润扫描线 2D 其他高阶扫描线的定义可依此类推 17 常用的 SWCC 滞后模型主要有四种 分别是经验模型 域模型 理性外推模型以及边界面模型 其中 域模型因为拥有完备的理论基础而得到了广泛地应用 以域模型的基本原理为出发点 推导出一个简单的 SWCC 滞后模型 而后以该模型为基础 得到了以边界干燥曲线和一条一阶浸润扫描线 并以此为基础 预测边界浸润曲线的计算方法 域模型将土体视为不同孔隙的集合体 并假设每个孔隙在基质吸力改变时 会在瞬间吸水饱和或完全排空 jump transition 此时每个孔隙都可以用两个基质吸力 w y和 d y表征 下标 w 和 d 分别代表吸水和干燥 即在吸水过程中 吸力逐渐减小过程 当基质吸力减小到 w y时 孔隙将从完 全充气状态吸水饱和 而在干燥过程 吸力逐渐增大过程 中 当基质吸力增加到 d y时 孔隙将从饱和状态 完全排空 二 获得的新知获得的新知 1 可以用两个独立变量 净应力和基质吸力 描述非饱和土的强度和变形 用零位试验验证采用两个独立变 量的正确性 2 SWCC 滞后模型只有在吸力变化历史己知的条件下才能进行计算 建立能够在吸力变化历史未知情况 下依然可以模拟含水量变化规律的 SWCC 滞后模型就显示出了重要的实用价值 3 一些试验表明 在孔隙大小相同的情况下 孔隙结构的差异会使渗透系数产生很大的差别 因此建立 能够考虑孔隙结构影响的非饱和土渗透系数模型及其随变形变化规律有着重要的理论意义和实用价 值 4 非饱和膨胀土的水土特性与土体的吸力变化历史的相关性可能也有关系 可以建立模拟多次浸润 干 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 4 燥过程中含水量随吸力变化规律的 SWCC 滞后模型 而后以此为基础 探寻了一种在吸力变化历史未 知的情况下模拟含水量随吸力变化规律的计算方法 5 利用边界干燥曲线和一条一阶浸润扫描线可以预测边界浸润曲线 6 对于击实含水量低于最优含水量的土 双孔隙结构 密实程度 表现为孔隙比 对 SWCC 有着明显的影 响 而对于击实含水量高于最优含水量的土 分散孔隙结构 密实程度 表现为孔隙比 对 SWCC 则影响 较小 7 胀缩特性由粘土矿物晶体自身的胀缩和土中颗粒单元的平均间距变化共同决定的 二者的胀缩本质均 可用物理化学中的渗透压理论和吸力势解释 8 原状膨胀土在有荷载条件的干湿循环试验下 试样在湿胀后的高度随循环次数的增加而减小 试样在 干缩后的高度随循环次数的增加而增大 推断胀缩变形是不可逆的 随干湿循环次数的增加膨胀土的 膨胀速率加快 绝对膨胀率总是增大而相对膨胀率降低 也可以推断膨胀变形不是完全可逆的 9 试验证明 土的密实状态 表现为孔隙比 对 SWCC 的影响程度还依赖于土的初始孔隙结构 孔隙比对于 击实含水量高于最优含水量 分散孔隙结构 的土的 SWCC 影响较大 而对于击实含水量低于最优含水 量 双孔隙结构 的土的 SWCC 影响则比较小 10 由于毛细作用的存在 当水在非饱和土中流动时 它一般沿着含有水的孔隙流动 因此即使是同一土 样 当具有不同含水量时 孔隙水的连通路径和通道大小会有很大的区别 导致渗透系数取值也发生 很大的变化 11 典型的 SWCC 呈 S 型 两个拐点 1 G 2 G将它分成三个部分 SWCC 在 含水量 吸力 空间中的位 置和形状主要取决于两个拐点 半对数坐标轴 SWCC 上曲率的两个最值点 其中 1 G对应着曲线上最小 曲率点 2 G对应着曲线上最大曲率点 1 G 2 G的位置 因此现有的 SWCC 模型的参数取值也都与 1 G 2 G的位置相关 12 由于毛细作用的存在 当水在非饱和土中流动时 它一般沿着含有水的孔隙流动 因此即使是同一土 样 当具有不同含水量时 孔隙水的连通路径和通道大小会有很大的区别 导致渗透系数取值也发生 很大的变化 13 只有测量到达残余状态的土水特征曲线试验点才是有效的样本 使用有效的样本标定土水特征曲线模 型的参数 由此得到的土水特征曲线的函数关系才能够正确地反映土中的孔隙结构特点及持水能力 14 对于同一种土 模拟土水特征曲线随变形的变化规律 本质上就是模拟变形对土的孔隙结构的影响 该文以孔隙 水 分布函数与上水特征曲线之间的关系为基础 提出了平均孔隙半径的概念 而后通过建 立平均孔隙半径 土的进气值与孔隙率之间的函数关系 模拟了变形对土的孔隙结构的影响 这个模 型的特点是它能够反映土的初始孔隙结构对土水特征曲线随变形而变化的影响 三 存在的问题存在的问题 1 土中含水量的改变不仅和吸力相关 土的体积变化对它也有显著影响 建立 SWCC 随体积变化的变化 规律模型可以反映这种影响 可以为建立考虑水力和力学特性相耦合的非饱和土本构模型奠定基础 2 在研究土体基质吸力变化时 也可以探究吸湿脱湿速率与土体的特性之间的关系 3 该文使用 反弯点的饱和度恒为 0 59 只是一个统计平均值 对于每一种土都规定反弯点饱和度都为 0 59 会给出比较刚性的计算结果 也会因此产生一定的误差 因此该文提出的方法只是一种初步提出 的方法 它还有待在今后的使用和实践中进一步探索和改进 4 现有的拟合效果好的土水特征曲线模型都是超参数模型 在使用这类模型拟合土水特征曲线离散点时 即使测量没有到达残余状态 这类模型也能够给出方差很小的拟合结果 因此无法仅凭得到的拟合曲 线与实测离散点之间偏差的大小来判断拟合的土水特征曲线是否能够正确地反映土的孔隙结构的特点 和持水能力 5 土的渗透系数不仅与孔隙大小有关 孔隙的分布规律对它的取值也有着重要的影响 该文中以概率论 以及孔隙水分布函数为基础 首先提出了一个能够考虑孔隙结构影响的饱和土渗透系数 而后结合 Mualem 模型以及文中提出并验证的表征孔隙结构的参数随变形的变化规律 得到了一个能够模拟变形 对非饱和土渗透系数影响规律的计算模型 通过与试验结果对比 该模型能够比其他模型更加准确地 预测土渗透系数随变形的变化规律 但是该模型对孔隙结构的划分 只考虑了孔隙大小和孔隙分布规 土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究 读书报告 5 律 并不一定准确 孔隙大小在体积改变时可能发生错动 出现孔隙分裂 或者空隙合并 需