黄土-古土壤互层对土壤水分运移及土体微结构的影响

黄土地区地质灾害问题的发生大多与水在黄土中的入渗有关,而马兰黄土-古土壤互层结构对土壤水分入渗规律的影响显著。为揭示古土壤阻滞作用下黄土水分运移规律及其对黄土体微结构的影响,为黄土地区工程实践提供理论基础,该研究以陕西省泾阳县南塬的黄土为研究对象,采用土柱模型进行水分入渗试验,研究黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移规律。在此基础上,通过微结构测试、分形维数和概率熵等指标的计算,分析黄土-古土壤互层条件下土壤水分运移对黄土微结构的影响。结果表明:古土壤层的透水性弱,湿润锋抵达黄土与古土壤界面处产生瞬态滞水,且随着入渗强度增加滞水时间增加;古土壤层影响下黄土与古土壤界面处的滞水会导致孔隙结构相互连通,孔隙空间平均增加4.13%,孔隙方向概率熵平均减少0.029,分形维数平均减小0.076,即古土壤层的阻水作用使得界面处黄土的孔隙空间增大,孔隙排列有序,孔隙形态规则。研究结果为黄土地区的工程建设和生态环境保护提供科学支撑。

黄土地区洞桩法地铁车站边桩和中柱的受力变形机理

[目的]为了确保黄土地区洞桩法车站施工过程中重要竖向承重构件的稳定性,需要对施工过程中边桩和中柱的受力变形机理进行研究,并对最不利受力阶段边桩和中柱提出变形控制措施。[方法]以西安地铁2号线何家营站为研究背景,通过数值模拟与现场监测的方法,对施工过程中边桩的水平位移、钢筋内力、水平土压力及中柱应变展开研究。[结果及结论]扣拱施作以及站厅层和站台层土体开挖是边桩水平位移最不利的三个阶段,在这些关键阶段施工时,应在结构内部架设钢支撑并适当加固已扰动的地层;在桩梁和扣拱施作中,边桩主筋承受轴向压力,而在站内剩余土方施工阶段,边桩背土侧的钢筋由轴向压力逐渐转化为轴向拉力,且随着边桩埋深的增大,钢筋的轴向拉压力增长变缓;在扣拱初期支护施作中,土压力在边桩埋深6.6 m处达到最大值34.5 kPa,且随着边桩埋置深度增大,边桩的桩侧压力增长速率显著,因此车站内侧的土方开挖是控制边桩迎土侧土压力大小的关键阶段,必要时对桩后土体进行注浆加固有利于提高桩基的承载力;中跨扣拱施工时,中柱的应变呈现出先减小、后增大的趋势。

非离子表面活性剂在芘污染黄土上的吸附及其影响因素

表面活性剂(SAA)在土壤上的吸附会降低SAA对有机污染土壤的淋洗修复效率。多环芳烃(PAHs)的存在对黄土吸附非离子SAA的影响还鲜见报道。采用土柱淋溶模拟实验法,研究了芘(PYR)对黄土吸附聚乙二醇辛基苯基醚(TX 100)和聚氧乙烯脱水山梨糖醇单油酸酯(TW 80)的影响,并探究了溶液pH和离子强度对吸附的影响。结果表明:PYR的存在提高了黄土对TX 100和TW 80的吸附量,分别由不含PYR的50.70 mg/kg和32.06 mg/kg增加到含PYR的54.47 mg/kg和44.53 mg/kg;溶液pH对黄土吸附非离子SAA有明显影响,吸附量随pH值增加而缓慢降低;在所研究的离子强度范围内,NaCl浓度对黄土吸附非离子SAA的行为没有产生明显影响。吸附动力学拟合参数表明,准二级吸附动力学方程能较好地描述TX 100和TW 80在黄土上的吸附行为。解吸结果表明,吸附在黄土上的TX 100和TW 80均不牢固,用去离子水淋洗后,可去除大部分吸附在土壤上的SAA,在PYR存在的土壤中,TX 100和TW 80的残留量分别为1.57 mg/kg和0.65 mg/kg,在没有PYR存在的土壤中,二者的残留量分别为0.69 mg/kg和0.46 mg/kg,表明土壤中存在的PYR可提高TX 100和TW 80在黄土上的残留量,但影响并不明显。基于以上结果得出PYR的存在虽然增加了非离子SAA在黄土上的吸附和残留量,但由于SAA在土壤中的最终残留量较低,其造成的土壤二次污染不明显,因此,选用非离子SAA淋洗液修复疏水有机土壤的技术是可行的。

结构性黄土的小应变刚度特性研究

由于存在以粉粒为主的土骨架和大量孔隙形成的架空结构以及粒间胶结作用,原状黄土表现出显著的结构特性。为研究结构性对黄土小应变刚度的影响,以典型的结构性黄土为研究对象,利用固定–自由型Stokoe共振柱试验系统,开展了原状与重塑黄土试样在不同围压下的共振柱试验。结果表明,在小应变范围内,原状与重塑黄土的刚度特性均表现出非线性特征,其剪切模量–剪应变(G-γ)关系可以采用Hardin-Drnevich双曲线模型进行拟合。结构性显著控制黄土的小应变刚度特性,表现在原状土相较于重塑土具有更高的剪切模量、更低的刚度对围压的敏感性。研究还对结构性对黄土小应变刚度的控制作用开展了定量评价,并与包括伦敦黏土、渥太华砂在内的多种黏性土、砂土进行了比较,加深了对结构性黄土力学行为的理解,为相关工程设计提供技术参考。

三氯乙酸在黄土中的渗透机理研究

【目的】研究三氯乙酸(TCA)与黄土化学作用对其渗透性能的影响机理,为防止TCA渗流对地下水的污染提供参考。【方法】以杨凌黄土为研究对象,采用压汞试验,测定不同质量分数TCA溶液(0%(纯水),2%和8%)污染黄土孔隙分布密度、孔隙率和平均孔径的变化;采用土柱渗透试验,测定不同质量分数TCA溶液对黄土渗透特性和水分运移的影响;通过浑浊度试验、X射线衍射试验和扫描电镜观察,从上覆溶液的浊度演化、黄土胶结的腐蚀程度和表层颗粒的结构形态等角度对TCA在黄土中的渗透规律进行分析。【结果】当TCA质量分数由0%增加到8%时,TCA污染土中孔径0.1~1.0μm孔隙的分布密度减小,孔隙率由25.2%上升至40.4%,平均孔径由0.28μm升至0.34μm,TCA对黄土同时表现出团聚性和腐蚀性。2%TCA溶液有利于黄土表层颗粒团聚,间接扩大渗流路径,使上覆溶液可以快速入渗,其在土柱中的渗流耗时是纯水的70%,有效增大了黄土的渗透性。8%TCA溶液破坏了黄土的胶结结构,使黄土表层的团聚颗粒分散为悬浮颗粒,悬浮颗粒的沉降和浊流入渗堵塞了渗流路径,从而在土壤表层形成了1~3 cm厚的不透水层,土颗粒之间生成的针状和片状氯化物结晶进一步堵塞孔隙并降低了溶液的入渗速率,其在土柱中的渗流耗时是纯水的3.6倍,明显降低了黄土渗透性。【结论】质量分数2%和8%TCA溶液对黄土渗透性影响不同,TCA污染的预防和治理需考虑TCA团聚、腐蚀行为对黄土渗透性的影响。

垃圾渗滤液在黄土层中的渗透模拟试验

通过渗滤液与清水在压实黄土柱中长期连续渗透对比试验,分析了在相同入渗条件下渗滤液与清水两者入渗率随时间的变化规律及其影响作用。试验结果表明,渗滤液入渗曲线呈波动状态,先后变化不大,清水入渗曲线则呈先升高再降低后又缓慢升高的变化趋势,渗滤液平均入渗率只有清水入渗率的12%。影响两者入渗率差异的根本因素是渗液性质导致的影响作用的不同。渗滤液入渗率影响作用主要包括微生物作用、水-岩相互作用与吸附、过滤等作用。清水入渗率主要受水-岩相互作用的影响。

山西黄土动剪切模量与阻尼比试验研究

土的动剪切模量与阻尼比作为土动力特性研究的重要参数,一直备受关注。为了研究山西地区黄土的动力特性,对山西某土石坝坝基黄土进行了共振柱与动三轴试验,获得了在较大应变范围内的动剪切模量与阻尼比试验数据。试验结果表明,山西黄土动剪切模量与阻尼比均显著受初始含水率影响,其归一化的动剪切模量能够用修正的Hardin模型进行拟合,并给出了相关参数;阻尼比可以采用本文建议的公式进行拟合,拟合效果良好。最后,采用经验公式确定了不同围压下的最大动剪切模量的参数。

非饱和黄土动剪切模量和阻尼比共振柱试验研究

土的动剪切模量G和阻尼比D是描述土体动力特性的两个主要参数。利用GDS共振柱试验系统对不同细粒含量的非饱和黄土开展了动力学参数试验研究。结果表明,用Hardin-Drnevich双曲线模型能够较好地拟合G、G/Gmax随剪应变γ的变化趋势;在其它条件相同时,G随细粒含量的增加而减小,阻尼比D与细粒含量的变化关系表现为细粒含量越多,阻尼比越小,阻尼比与剪应变的关系可表示成G/Gmax的函数,用含G/Gmax的二次多项式能较好地描述D与G/Gmax之间的关系。

黄土覆盖层水–气耦合运移土柱试验及数值模拟

基于水分储存与释放机理的土质覆盖层在干旱和半干旱地区垃圾填埋场具有较好的应用前景。前人研究土质覆盖层大多侧重于其雨水存储及防渗性能,忽略了填埋气在覆盖层中的运移及其影响。通过在黄土土柱底部通入甲烷和二氧化碳等比例混合气体模拟填埋气在覆盖层运移,在土柱顶部施加3 cm常水头模拟雨水入渗对黄土覆盖层中气压分布以及各气体组分分布的影响。基于试验结果,利用商业软件Geo-Studio中的Air/W模块对黄土覆盖层水–气耦合运移进行了数值模拟与分析。研究结果表明:模拟雨水入渗降低了上层黄土的导气系数,导致土柱中气压显著增加,呈现出先增加至"突破值"然后回落至"稳定值";气压"突破值"约等于上部土体进气值;数值模拟能较好地模拟水分入渗过程并捕捉到气压变化趋势,但由于其无法模拟多组分填埋气在土柱中的复杂物理过程,导致气压的模拟结果与实测值存在差距。本文为更准确模拟分析土质覆盖层中水与填埋气耦合运移过程提供了一些建议。

黄土土柱入渗的优先流试验研*究

在黄土高原塬区的长武试验站,采用大型土柱监测天然降雨补给下土柱底部下渗量的变异。对2007-2010年期间的5次连续监测数据分析,结果表明:100-300 cm深度土柱在不同测定时段多数土柱有一定的渗出量,但渗出量具有十分显著的差异性;渗出量差异性可用土壤大孔隙连通或阻隔来解释,且黄土土柱大孔隙稳定性与降雨和土柱深度有关。降雨补给增大时,大孔隙贯通性增强;土柱越深,贯通性变差。以黄土非饱和入渗的均匀介质理论难以解释其补给地下水的差异性,黄土大孔隙流应是降雨补给地下水的主要机制。

有沙层土柱中钾离子运移的试验研究

通过室内有沙层土柱入渗中钾离子运移试验,研究了有沙层土柱中钾离子随入渗水运移的过程和特性。结果表明,入渗过程中,由于沙层阻水造成钾离子在沙层以上积累,而在沙层内钾离子浓度并不增加。经平衡计算和有无沙层试验比较表明,粗沙基本不吸附钾离子,因沙层阻水而使钾离子暂时滞留在土-沙界面上,随水量增大钾离子浓度锋透过沙层。因此,干旱区农田洗盐需要一定水量并持续一定时间,方能使盐锋达到沙层以下,起到抑制盐分的作用。

黄土高原钻犁“营养柱”耕作法植棉试验初报

１９９５年在黄土高原峨嵋岭台地的典型旱地上，每公顷钻６７５００个直径８ｃｍ、深１００ｃｍ的孔洞，填入耕层肥土制成“营养柱”，而把其中取出的阴土翻到地表起垅，每营养柱种一株棉花，结果每公顷产籽棉２０９８．５ｋｇ，皮棉７２９ｋｇ，比传统耕作法增产籽棉４０．９％，皮棉４９．８％，且株高增４０．２％，茎干重增６４．２％。“营养柱”集水、肥、光、气、热、根于一起，拔柴后越冬前测定，柱内４０ｃｍ～１００ｃｍ土中含水量、根长及根干重分别比对照的高７２．９％、３９１．６％及８０２％，地面杂草及水蚀养份流失均明显减少。

非饱和重塑Q_2和Q_3黄土的渗水特性研究

随着西北大开发战略的实施,工程中涉及的Q2黄土及其重塑土日益增多。为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异,对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验;采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。实验研究结果表明:相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下,重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土,并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑Q2黄土还是Q3黄土,饱和度达到0.6左右时,扩散率近似由两条直线段组成;对于重塑Q3黄土,当饱和度低于0.6时,干密度的不同对扩散率影响不大;当饱和度高于0.6时,扩散率存在较大差异;但对于重塑Q2黄土,此规律不明显。

压实黄土路基导水参数的试验研究

基于黄土路基压实后土体的基本性质,根据路基土中水分运动的基本方程,通过室内一维土柱入渗试验,得到不同压实度的黄土湿润锋湿度与平均湿度、水分入渗速率的关系曲线。由黄土中水分再分布过程确定压实黄土路基的导水参数和水分扩散参数,并分析压实黄土路基内水分迁移,得出相应的黄土路基中水分入渗规律,为黄土路基严格控制压实度提供重要的理论依据。

黄土含量对太原砂动剪切模量和阻尼比的影响

太原地铁2号线沿线黄土与太原砂混合料广泛分布,迫切需要该粉质砂土的动剪切模量G与阻尼比?进行场地地震反应分析。利用英国GDS公司研制的共振柱对不同黄土含量LC的重塑粉质砂土样进行了测试。试验结果表明:随着LC的增大,混合料受力骨架由砂粒向土粒转变,这是导致不同LC混合料性质差异的主要原因。混合料G随LC的增大呈现先减小后增大的趋势,?则相反,且存在明显阈值黄土含量LCth,饱和状态与干状态下试样的LCth不同。干状态下,混合料与太原砂的G和?的大小关系与LC有关。饱和状态下,由于黄土塑性,混合料的G小于太原砂,其?大于太原砂。

基于湿润锋前进法的不同应力状态砂质黄土土柱渗流试验

由于试验装置的局限性,非饱和土渗透特性的研究大多未考虑应力对渗透系数的影响。为探讨水-力耦合作用下砂质黄土的渗透特性,自主研制了一套水-力耦合试验装置。采用湿润锋前进法探究了不同初始干密度和轴向力对非饱和渗透系数的影响,得到水-力耦合作用下非饱和黄土渗透性和轴向位移的演化规律。结果表明:(1)砂质黄土的渗透系数随基质吸力的增大而减小,在不同测试截面处渗透函数曲线出现分层现象;(2)土体的渗透系数随初始干密度和轴向力增大而减小;(3)随轴向力增大,不同初始干密度土柱的稳定渗透系数趋向一致;(4)砂质黄土具有较大的水敏性,在水-力耦合作用下土体结构破坏,导致湿化前后轴向位移差异较大。

柱状装药两点起爆加固黄土软基数值模拟研究

运用ANSYS/LS-DYNA有限元仿真软件对柱状装药两点起爆加固黄土软基进行模拟研究。重点模拟爆炸扩腔过程、土壤加固过程和土中应力变化情况,并对应力波碰撞叠加出现的马赫反射进行分析。与先前完成的土中爆炸加固试验结果进行对比,两者间的误差为14.3%,说明模拟能较好吻合试验结果。研究结果表明:柱状装药两点起爆对黄土软基的加固效果优于一点起爆。

不同年代黄土动剪切模量和阻尼比试验研究

为研究形成年代对黄土动力特性的影响,对Q_4全新世黄土、Q_3晚更新世黄土和Q_2中更新世黄土试样进行共振柱试验研究。结果表明:在相同条件下,动剪切模量G随形成年代的增加而增加;对动剪切模量采用两种常见的经验模型进行拟合对比,结果发现Davidenkov模型要比Hardin—Drnevich模型更加精确,并给出了模型的拟合参数;采用经验公式对不同年代黄土的最大动剪切模量和固结应力之间的关系进行了拟合,并确定了拟合参数;阻尼比也随形成年代的增加而增加,在半对数坐标系中,阻尼比与剪应变呈近似线性关系。

~3H、Br^-在原状黄土柱中迁移的实验室研究

采用脉冲方式将惰性示踪剂 3H和 Br-同时或单独注入原状黄土柱中 ,研究此两种示踪剂的迁移状况。结果表明 Br-比 3H迁移速度快 。

湿陷性黄土铁路路基原位浸水试验研究

在湿陷性黄土铁路路基试验段,运用大型原位浸水试验,研究路基浸水后柱锤冲扩桩和挤密桩地基的浸水规律以及地基土湿陷对路基沉降的影响。研究结果表明：柱锤冲扩桩和挤密桩地基分别在浸水60和50d时,浸水附加沉降发生突变;浸水约19 d浸润角达到最大,因此路基坡脚附近因降雨或其他原因形成的积水滞留时间不应超过19 d;浸水87 d柱锤冲扩桩路堤的沉降量为1.7-5.1 mm,挤密桩为26.2-51.3 mm;长时间持续浸水后柱锤冲扩桩路堤的总沉降量仅为3.8-7.4 mm,而挤密桩路堤的总沉降量则高达62.3-103.1mm,因此在实际工程中,一定要加强挤密桩路段的防排水措施,避免局部积水,以保证行车安全;未处理湿陷性黄土地基的浸润角为38°-42°,故建议在湿陷性黄土地区修建铁路时,距路基坡脚一定范围内不能有鱼塘、水池等长期积水设施。