基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测

对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。

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。

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。

基于黏粒含量的黄河下游堤防土水特征曲线预测研究

通过探究黄河下游堤防在不同围压下的土水特征曲线,为汛期堤防安全预报预警提供实时建议。通过分析黄河下游堤防土体黏粒含量与土水特征曲线的关系,提出以黏粒含量及干密度为主要因素的简易参数模型,并基于该模型进一步研究了不同围压条件下土水特征曲线的测算方法。结果表明:黄河下游堤防土体的土水特征曲线根据黏粒含量的不同呈现不同的特点,脱湿曲线可根据黏粒含量分为不同的区域,黏粒含量越大,滞回效应越显著;简易模型对于黏粒含量为20%以上的壤土或黏土的脱湿曲线适用性较好;随着围压的增大,相同含水量对应的基质吸力逐渐增大。模型引入与围压相关的参数c,可实现不同荷载下的黄河下游堤防土水特征曲线预测。

脱湿路径下土体水分变化路径及体积变形对滤纸法测定土-水特征曲线的影响

尽管滤纸法已被广泛应用于非饱和土-土水特性研究,但滤纸法试验数据与压力板试验数据始终存在无法连续、光滑连接的问题。为此,以收缩变形不同的两类土为研究对象,从试样水分变化路径和体积变形两个方面着手,分别开展了一系列室内压力板试验、滤纸法试验和土的收缩试验,并基于土-水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)试验结果,进行统计指标的量化分析。研究结果表明,饱和脱湿路径下的滤纸法与压力板法联合测定的SWCC试验数据能够有效地连接,而无水分变化路径下的滤纸法与压力板法各自测定的SWCC试验数据在连接时可能会错开或交叉,尤其是变形显著的土体;为了较准确地估算基于饱和度的SWCC,提出一个简单的改进法,仅需补充土的收缩试验;针对不同滤纸法试验结果呈现的差异性,给出了合理的解释。该研究结果不仅能为试验人员在同时处理滤纸法和压力板法试验数据时提供重要的理论指导,还能拓展滤纸法的适用范围。

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。

考虑初始孔隙率的非饱和土土 -水特征曲线模型

为了构建考虑初始孔隙率的非饱和土土-水特征曲线模型,从土体的孔隙分布规律出发,通过对参考状态下孔隙尺寸分布曲线的平移缩放得到任意荷载状态下的土体孔隙尺寸分布曲线,并结合Yong-Laplace方程与VG模型推导得到了可考虑初始孔隙率的土水特征曲线模型。该模型仅包含5个参数且其物理意义明确,且仅需通过参考状态的土水特征曲线确定模型参数,即可用得到的参数预测任意初始孔隙比的土水特征曲线。通过5组试验数据对所提出的模型进行验证,结果表明该模型可较好地模拟不同初始孔隙率下的非饱和土持水特征。

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.

具有参数独立性的双峰土水特征曲线预测模型

双孔结构土内部存在集聚体内孔隙和集聚体间孔隙,其土水特征曲线呈现双峰特征。现有双峰土水特征曲线模型多采用将2个单峰土水特征曲线线性叠加的方法建立,参数较多且不具备独立性,用其拟合试验数据时可能存在不收敛问题。基于毛细管理论提出了一个新的双峰土水特征曲线预测模型。首先,通过在单峰孔径分布函数中引入双曲三角函数的数学方法,在几何上将单峰孔径分布曲线的单峰分割为双峰,从而获得了双峰孔径分布函数;其次,将新提出的双峰孔径分布函数进行累积积分,建立了双峰土水特征曲线模型;最后,分析了该模型参数的物理意义及其对预测结果的影响,发现该模型参数相互独立。使用新模型预测多种双孔结构土的土水特征曲线试验数据,取得了良好的预测效果。

含有机质黏土全吸力范围内土-水特征曲线试验研究

为研究全吸力范围内有机质含量对黏土保水特性的影响,以膨润土为基质,添加泥炭制备不同有机质含量土样,采用压力板法、滤纸法、蒸汽平衡法,对其进行土-水特性试验,从而获得全吸力范围内土-水特征曲线。试验结果表明:3种不同吸力测试可准确反映出含有机质黏土全吸力范围内的土-水特征曲线;有机质能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,含有机质黏土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关;随着土中有机质含量的增加,土样的进气值和残余值与有机质含量呈线性关系,土的保水能力变强。

结构性对红黏土土—水特征曲线的影响试验研究

【目的】土—水特征曲线是非饱和红黏土的重要概念,从结构性出发分析红黏土的土—水特征曲线对实际工程具有重要意义。【方法】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,并通过电镜扫描试验,观察原状和重塑红黏土的微观结构特征,分析结构性对红黏土土—水特征曲线的影响。【结果】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,体积含水率相同的情况下,原状土的基质吸力较大;原状土的原生结构没有破坏,骨架稳定,孔隙较小,重塑土骨架遭到破坏,孔隙较大且分布均匀,因此原状土失水速率较慢,持水能力较强,进气值较大。【结论】研究结果揭示了结构性影响红黏土土—水特征曲线的内在机理,可为解决实际工程问题提供理论支持。

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。

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。

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。

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。

缙云山典型林地根系分布对土壤土水特征和渗透性的影响

森林土壤的土-水特征曲线和渗透系数是衡量土体非饱和特性中土壤持水能力和渗透能力的重要方式。为了了解不同林地根系表层土壤土水特征和渗透性,基于经典VG模型,通过土壤变水头渗透试验和离心机试验研究缙云山针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林4种林地土土水特征和渗透性,同时建立土壤根系含量影响非饱和渗透系数的归一化数学模型。结果表明:1)毛竹林根系分布最多,且粗根比例较大,针阔混交林和常绿阔叶林各径级的根系分布范围均较广,但是每层数量较少;灌木林每层根系分布均数量较多,且细根分布范围最广;2)针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹林和灌木林的表层饱和渗透系数k_(s)分别为7.00、7.04、0.69、3.70μm/s,4种林地土壤的k_(s)整体呈随深度增加而减小的趋势,毛竹林第一土层与此规律反常;3)4种林地土壤的进气参数值随土层深度整体呈现先增大后降低的趋势,孔径参数则基本随土层深度增大而减小;4)4种林地土壤的饱和渗透系数与根系数量均呈幂函数关系,R^(2)≥0.95976,考虑根系影响的林地土体非饱和渗透性函数可用归一化数学模型来描述和预测。研究结果可为含根土体水力特性及非饱和土渗流机理的研究提供理论基础。

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。