干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q 3黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明:原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θs、α、n变化幅度较小,而参数θr随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。

原状黄土土-水特征曲线与湿陷性的相关性

为了研究原状黄土土-水特征曲线与黄土湿陷性之间的联系,在陕西西安长安区取地表以下30 m范围内的原状黄土土样,进行基本物理指标试验和湿陷性试验。对不同典型地层的黄土-古土壤试样进行土水特征曲线试验,通过电镜扫描从微观角度分析。研究结果表明:大孔隙的数量与饱和体积含水率呈正相关;中孔隙的数目与过渡区斜率的大小呈正相关,孔隙数目越多土体失水速度越快;微小孔隙的数目和土的塑性指数影响残余含水率的大小。对于不同深度土层,饱和体积含水率和过渡区斜率与土层的湿陷系数呈正相关;塑性指数接近土层的湿陷系数对残余体积含水率的影响不明显;古土壤层的SWCC与湿陷系数之间存在与黄土层相同的正相关性。文章从非饱和土力学的方向去研究黄土的湿陷性,为湿陷性的研究提供一种新的研究角度。

蔗渣生物炭对岩溶峰丛洼地石灰土土-水特征曲线的影响

岩溶地区岩石裸露、土壤浅薄且持水能力较低,其土壤水分保持和运动状况是其水土漏失治理的重要因素。生物炭拥有多孔结构和高比表面积,能改变土壤持水能力,但其种类、粒径、添加量和土壤类型等因素对土壤持水能力产生正面或负面作用,为了研究添加不同比例蔗渣生物炭对岩溶峰丛洼地石灰土持水特性的影响,选取位于广西河池地区岩溶峰丛洼地的石灰土壤作为试验样本,分别添加不同比例生物炭(0%,2%,4%,6%),利用滤纸法测定生物炭-石灰土混合土在0~40MPa吸附能力下土水特性曲线,并使用扫描电子显微镜(SEM)和核磁共振波谱法(NMR),观察生物炭-石灰土混合土的微观孔隙结构。研究结果表明:当土壤含水量超过30%时,不同比例生物炭掺入量的持水能力相似,土壤的持水性并不会随着生物炭掺入量的增加而持续提升。在添加生物炭0%,2%,4%时混合土的持水能力是在逐渐提高的,添加4%和6%时混合土的持水能力基本一致,这表明添加生物炭存在一个最优值和适用范围。建议岩溶峰丛地区石灰土含水率在30%以下时,施加4%~6%的蔗渣生物炭,可提高土壤的持水能力。

温度及冻融循环对滨海盐渍土土—水特征曲线的影响研究

为探讨环境温度、冻融循环次数对滨海盐渍土持水特性的影响,以黄骅地区滨海盐渍土作为研究对象,通过滤纸法测得不同环境温度及冻融循环次数下各试样的基质吸力、渗透吸力、总吸力土—水特征曲线,分析不同因素下盐渍土土—水特征曲线及持水特性的变化规律;通过Van Genuchten(VG)模型对试验结果进行拟合分析.结果表明:随着环境温度和冻融循环次数增加,盐渍土持水性能降低,其中冻融循环对持水特性的影响随着次数的增加而逐渐减小.VG模型对滨海盐渍土土—水特征曲线的拟合优度较高;根据试验结果及拟合结果,分别建立了考虑环境温度、冻融循环次数的土—水特征曲线模型,可为滨海盐渍土区域的工程建设提供参考.

基于离心机法的红黏土土-水特征曲线试验研究

本文采用离心机对初始状态相同的原状和重塑红黏土进行宏观土—水特征曲线试验,获得原状和重塑红黏土的土—水特征曲线,利用三参数van Genuchten、Fredlund-Xing模型和二参数Garder模型对试验结果进行拟合分析。试验结果表明:原状和重塑红黏土的基质吸力随着体积含水率的减小而增加,三种模型对红黏土的土—水特征曲线都有较好的适用性,van Genuchten模型拟合结果最好。

长春地区非饱和粉质黏土的土-水特征试验研究

土-水特征曲线(SWCC)是反映非饱和土工程特性的重要表现形式。为研究长春地区非饱和土的土-水特征曲线变化,以长春地区广泛分布的粉质黏土作为研究对象,采用GEO-Experts压力板仪和GDS非饱和土三轴仪对不同初始含水率的土体进行土-水特征曲线的测量分析。结果表明:不同设备所测得的结果基本一致,土体的进气值均在基质吸力25 kPa左右时达到。土体的体积含水率均随基质吸力的增加而减小,土-水特征曲线均在基质吸力为125 kPa时出现明显拐点。同一含水率土样,GEO-Experts压力板仪的排水体积比GDS非饱和土三轴仪多,压力板仪所对应的体积含水率相对较低。

土水特征曲线试验单阶段贝叶斯优化设计方法

直接测量土水特征曲线(SWCC)十分耗时。因此,SWCC试验通常只能获得有限的试验数据,基于有限数据估计SWCC不可避免地存在不确定性。因此,合理地确定试验方案(即指定SWCC测点控制变量的值),以提高试验数据的价值,减少所估计SWCC的不确定性十分重要。基于SWCC模型参数先验信息和试验仪器信息,提出了一种SWCC试验单阶段贝叶斯优化设计(OBEDO)方法。首先,所提方法通过离散试验控制变量(比如基质吸力)生成试验方案设计空间;设计空间中的候选试验方案由控制点及附加点构成,其作用分别为控制SWCC的主要趋势和降低SWCC的不确定性。然后,采用期望效用量化候选试验方案对应数据的价值,并利用子集模拟优化(SSO)方法搜索具有最大期望效用的候选试验方案。最后选取具有最大期望效用的候选试验方案为最优试验设计方案。通过一个SWCC试验设计实例说明了所提方法的有效性。结果表明,所提方法可为考虑不确定性条件下的SWCC试验设计提供一个合理的工具。

非饱和橡胶粉土土水特征曲线及颗粒接触状态

将废旧轮胎与土混合作为建筑材料应用于土木工程领域是处理废旧轮胎最有前景的措施之一。为了研究废旧轮胎橡胶颗粒改良粉土的效果,以橡胶颗粒与粉土的混合土为研究对象,采用滤纸法测定橡胶粉土的土水特征曲线,分析含水率、橡胶含量对土水特征曲线的影响。结果表明:同一橡胶含量下,混合土的基质吸力随含水率增大非线性减少,呈现出典型的3阶段特征;在同一含水率下,基质吸力随橡胶颗粒含量呈先增大后减少的趋势,当橡胶含量为20%时,混合土的基质吸力最大;基于Van Genuchten模型建立混合土的土水特征曲线模式;基于颗粒接触理论,考虑颗粒比重不同,建立混合土的接触状态模式,构建骨架孔隙比描述混合土的非饱和特性,混合土的基质吸力随着骨架孔隙比的增加呈先增加后减小的趋势。

含水合物土体的土水特征曲线及渗透系数

含水合物土的土水特征曲线和渗透系数对分析水合物开采效率和地层稳定性具有重要意义。通过自我改造而成的含水合物土的土水特征曲线的测试装置,测试了含水合物土(黏质粉土和砂土)的土水特征曲线,研究了水合物形成对土体的土水特征曲线的影响规律和机理,并且分析了含水合物土体的非饱和状态下的渗透系数。试验结果分析表明:水合物形成对含水合物土体的土水特征曲线存在明显影响;随着水合物饱和度的增长,可以看到边界效应段明显增大,过渡段土水特征曲线变得逐渐平缓,非饱和残余段对于残余水饱和度更低,但是VG模型仍能有效的描述含水合物土的土水特征曲线;进气值随着水合物饱和度的增加而增大,而残余有效水饱和度则随之减小,这主要是由于水合物形成改变了沉积物内部的孔隙孔径分布特征。在非饱和状态下,由于渗流通道被气体挤占,含水合物土的相对渗透系数随毛细吸力增加而减小,但是在同样的毛细吸力下,越大的水合物饱和度对应的相对渗透系数越小。

考虑干湿循环累积损伤的膨胀土土水特征研究

为探明干湿循环中膨胀土裂隙发育对其土水特征的影响,制备经历不同次数干湿循环的柱状土样,并对其土水特征曲线进行测定。结合CT扫描结果,基于裂隙的分形特征构建土柱截面和整体损伤变量,通过其变化规律阐明裂隙发育对土水特征的影响。结果表明:裂隙的分形维数沿深度方向逐渐减小,大体呈线性变化规律,不同循环次数下裂隙的开展过程具有相似性;基于裂隙分形维数构造的损伤变量能够较好描述干湿循环对膨胀土的累积损伤效应,土柱的整体损伤变量随干湿循环次数逐渐增加,且增速逐步提高;提出的基于土柱整体损伤变量进行修正的Fredlund-Xing模型能够较好拟合裂隙膨胀土的土水特征曲线。研究成果能够为后续裂隙膨胀土的渗流和工程应用研究提供理论支持。

固结压力对泥岩填料孔隙分布及土水特征曲线的影响

为研究固结压力对泥岩填料孔隙分布以及土水特征曲线(SWCC)的影响,以非饱和泥岩填料为研究对象,采用压汞试验分析不同固结压力作用下的土体微观孔隙分布,探究孔隙随荷载的演变规律,并结合毛细原理提出基于压汞实验计算SWCC的方法。结果表明:土体中收缩孔隙的存在使得进-退汞曲线表现出显著的滞回性,且瓶颈效应使得压汞试验中土体小孔隙分布密度偏大,大孔隙分布密度偏小;选择分形曲线的转折点作为泥岩填料孔隙划分界限,可将其孔隙划分为5个部分,孔隙含量的变化以大中孔隙体积被压缩为主,小微和超微孔隙几乎不受固结压力的影响;干密度为1.5 g·cm^(-3)时不同固结压力作用下的土水特征曲线可采用对数曲线表示。

非饱和土土水特征曲线(SWCC)测试与预测

非饱和土土水特征曲线(SWCC)表示了土中含水量与吸力之间的关系。文章介绍了6种常用方法,各有其适用范围。体积压力板仪可量测最大基质吸力值为1500kPa的干燥曲线和浸湿曲线;超过1500kPa时,可用盐溶液法进行量测;Tem-ple仪可量测基质吸力达100kPa的干燥曲线;滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力;Dew-point电位计可用于量测土样总吸力变化,尤其适合渗透吸力的量测;TDR探头适合于量测小于300kPa的基质吸力。用GDS非饱和土三轴仪可以进行SWCC测试,测试范围主要取决于陶土板的进气值。用准确的数学模型对测得的含水量、吸力数据进行拟合,对于预测非饱和土力学性质、渗透系数、抗剪强度及分析边坡稳定性有重要意义。由于准确测试SWCC难度较大,并且测试影响因素较多,所以根据土体孔隙大小分布和颗粒大小分布情况预测SWCC,也是一种较好的方法。

土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

为了模拟非饱和土的水力、力学特性在多次降雨、蒸发过程中的变化特性,本文以传统域模型的基本原理为基础,推到得到了一个能够模拟SWCC滞后性的计算模型,该模型计算方法简单,易于通过程序实现,且通过与试验数据和其他模型的计算结果对比,验证了该模型的合理性,同时,这个模型可为研究在复杂吸力变化状态下非饱和土的渗流特性、强度特性以及本构模型的研究打下一定的基础。

三峡库区紫色土土-水特征曲线模型对比研究

土水特征曲线(SWCC)本构模型是非饱和土力学研究中重要的本构关系,它是反映非饱和土持水特性的重要表征曲线.SWCC的影响因素很多,外部因素如应力状态、气候变化等,内部因素如干密度、孔隙连通状态、矿物成分等.本文基于滤纸法试验,测定三峡库区重庆段非饱和紫色土土水特征曲线,考虑其拟合参数对于分析非饱和土的持水特性具有重要意义,采用Gardner、van Genuchten、Fredlund-Xing、双应力变量广义土水特征曲线模型(W-G)等4种模型对试验结果进行拟合,通过整体拟合与分点拟合对比验证W-G模型的拟合效果;进而依据W-G模型探讨初始干密度对非饱和紫色土土水特征曲线的影响规律.结果表明:①从整体拟合来看van Genuchten和W-G模型拟合效果最好;从分点拟合来看,与van Genuchten模型相比,W-G模型的拟合精度更好且更稳定,对试验数据量的依赖程度较低.②初始干密度对非饱和紫色土土水特征曲线有较显著的影响;干密度大的土样具有较低的初始饱和含水率、较高的进气值和良好的持水性能,SWCC形态平缓;与土体进气值相关的参数α随干密度增大呈幂函数减小,土壤的实际残余含水率随干密度增大呈线性增长.W-G模型可以很好地描述和预测非饱和紫色土的持水特性,特别适用于试验数据点不多的情况.

考虑滞后性的土-水特征曲线物理-统计模型研究

非饱和土的持水和渗透特性具有明显的滞后现象,即非饱和土的水力特性在脱湿过程与其在浸润过程会表现出明显的差异性。现有土-水特征曲线(SWCC)滞后模型多为经验模型,其结果在很大程度上依赖模型参数的选取。换言之,这些经验模型多为数学模型,模型参数缺失相应的实际物理意义。采用矩阵形式模拟修正毛细物理模型,通过数理统计的手段计算脱湿和浸润过程,土体中不同尺寸孔隙的水分含量,并累加各孔隙汇总的水分含量得到不同吸力状态土体的含水率。在计算浸润过程孔隙中水分含量时,深入分析留截空气、“墨水瓶”效应和“雨滴”效应对滞后现象的影响,并提出相应的计算公式。选取国内外SWCC脱湿与浸润的试验数据,和本文模型结果作对比。对比结果显示,物理-统计模型计算结果与试验数据吻合度较高,可作为预测SWCC滞后曲线行之有效的一种方法。

基于各向等压压缩和土的收缩试验预测脱湿路径下的土水特征曲线

由于土水特性试验需要专门的仪器且耗时,所以土水特征曲线在工程设计中的应用尚未普及。以粉质砂土、黏性土和膨胀土为研究对象,通过开展室内饱和土的各向等压压缩和土的收缩试验,提出一个预测脱湿路径下低吸力范围内SWCC的简单方法。研究结果表明:基于有效应力与变形的统一关系,可以构建饱和土和非饱和土之间的联系;针对不同初始干密度下土的收缩特征曲线,利用曲率公式并结合所提均值法,可定量获得残余含水率;利用所提方法预测的低吸力范围SWCC与试验数据具有良好的一致性。该研究结果可以确保在进行必要的常规饱和土试验时,能够间接获得非饱和水力参数。

基于3个不等粒径非接触颗粒模型的土-水特征曲线

颗粒级配及孔隙结构对非饱和土的土-水特征曲线影响较大,传统的土-水特征曲线模型多采用试验数据建立,难以揭示颗粒级配及颗粒间接触情况等因素的影响。将黏土团颗粒视为规则圆颗粒,基于热力学原理及二维液桥计算模型,以3个不同直径的非接触黏土团颗粒为研究对象,建立反映非饱和土的微观结构的3个不同直径的非接触式颗粒模型,从微观角度探究土-水特征曲线,讨论了颗粒间间距、颗粒级配以及颗粒粒径等因素对土-水特征曲线的影响。结果表明:与颗粒接触组对比发现,土-水特征曲线的特征值均随着粒间距的增大而增大,等间距的情况下相应的增长趋势却存在一个峰值;在饱和度一定的情况下,不均匀系数与基质吸力呈反相关关系;在基质吸力相同的情况下,最大粒径越小则饱和度就越高。

全吸力范围非饱和黄土土−水特征曲线的一种测试方法

土−水特征曲线是反映非饱和土中水分运移现象以及力学行为的重要参数。笔者采用等温吸附分析法(VSA)和传统的瞬态脱湿吸湿法(TRIM)相结合,提出了一种测定黄土全吸力范围的土−水特征曲线的方法。通过VSA持续测定样品的相对湿度和重量,计算获得高吸力范围内(7.1×10^(3)~4.8×10^(5)kPa)脱湿与吸湿路径下的基质势与体积含水率的系列离散数据点。依据VSA测试结果确定样品的残余含水率以限定TRIM反演过程,修正了TRIM试验结果的准确性。选用F&X数学模型光滑连接了TRIM在低吸力范围内(0~300 kPa)与VSA的实测结果。该方法具有测量的吸力范围大(1~106 kPa),测量时间短(5~8天),数据准确度高(R^(2)=0.999)的优点。将此方法应用于甘肃董志塬剖面黄土−古土壤(L_(5)-S_(5))的土−水特征曲线的测试,结果表明,预测模型得出的非饱和黄土土−水特征曲线和TRIM−VSA的实测值具有很好匹配性,证实了该方法的可靠性。该测定非饱和土土−水特征曲线的方式快速、有效,在工程实际中有重要的应用价值。

考虑应力作用影响的黄泛区粉土土水特征曲线分析与预测

为了研究应力作用对土水特征曲线的影响,采用应力关联土水特征仪测定不同应力下粉土的脱湿-吸湿曲线,讨论应力变化对粉土土水特征的影响规律,并利用应力与孔隙比的关系提出考虑应力作用的粉土土水特征曲线预测方法。研究发现:试样在应力逐渐增加时不易脱水,但更易吸水,非饱和粉土的持水能力随着正应力的增大而增强;脱湿曲线与吸湿曲线并不重合,有明显的回滞现象,并且吸湿曲线饱和度的变化比脱湿曲线更加剧烈;随着正应力的增大,滞回圈面积减小,滞回特性减弱。此外,将预测曲线与测得的试验曲线对比,可知提出的考虑应力的土水特征曲线预测方法具有较好的预测精度。

不同深度非饱和土的土水特征曲线试验研究

采用简易蒸发法对合肥市大房郢水库土石坝不同深度的原状土进行土水特征曲线试验研究,并利用Van Genuchten模型对试验结果进行拟合,综合考虑了不同深度处土样的颗粒组成、初始含水率、初始干密度和初始孔隙比对土水特征曲线的影响。研究表明:(1)同一土质不同深度的土样,随着深度的增大,初始含水率、初始干密度增大,初始孔隙比减小。埋藏较深的土样土水特征曲线出现在埋藏较浅的土水特征曲线的上方,较深的土样具有较大的饱和体积含水率。(2)埋藏较深的土样土水特征曲线的空气进气值较大,相应的土水特征曲线的斜率也较小。土样的初始含水率越高、初始干密度越大、初始孔隙比越小,进气值就越大,特征曲线就越缓。(3)水分蒸发量随时间近似线性增加,埋藏较深的土样水分蒸发速率较慢,埋藏较浅的土样水分蒸发速率较快。(4)不同深度土样在初始阶段基质吸力变化速率较快,随后变化速度有所减缓,埋藏较深的土样吸力变化速率较慢,埋藏较浅的土样吸力变化速率较快。