浸水入渗条件下压实黄土水-气运移规律试验研究

压实黄土的干密度和初始含水率对水分入渗过程有显著的影响。以兰州黄土为研究对象,在室内填筑模型开展浸水入渗试验,测试入渗过程中不同深度处的土体体积含水率和孔隙气压力,分析水分入渗时湿润锋和孔隙气压力的变化规律。试验结果表明:土体压实度增大时,入渗率减小,湿润锋面到达测点时间延长,压实度从0.83增大到0.93,不同深度入渗率降幅最高可达21.7%。初始含水率增加时,孔隙水连通性增强,入渗率增大。与初始含水率相比,干密度对水分入渗的影响更为显著;水分入渗过程中孔隙气压力变化呈现连续状态,可以划分为快速变化和缓慢变化两个阶段,浸水过程中最大峰值气压和稳定气压与土体初始含水率和干密度呈正相关关系;入渗率随入渗深度增加而大幅降低,且干密度越大或体积含水率越低,入渗率越小;考虑干密度和初始含水率对孔隙气压力的影响,对Green-Ampt模型进行修正,将入渗深度实测值与计算值进行对比分析,发现修正模型计算值与试验实测值吻合更好。

重塑非饱和黄土中水-气两相运移规律研究

黄土区水分入渗的实质是水、气两相运移共同作用。长时间强降水影响下,水分入渗更易在远离边坡的土层底部形成封闭条件,而在靠近边坡区域形成开放条件。为深入剖析黄土中水-气运移规律,分别在封闭和开放条件下进行了重塑土柱试验,并统计分析了土柱内实测的含水率和气压数据。结果表明:在开放和封闭条件下,湿润锋运移速度初始时最大;体积含水率均为先增大后减小,封闭条件下含水率减小后趋于稳定,而开放条件下含水率仍存在小幅波动;开放条件下气压差先增大后减小,最后在0附近振荡,而封闭条件下浅层气压差波动上升,深层气压差振荡后减小趋于稳定。因此,在滑坡治理过程中应同时考虑水、气两相共同的影响,制定更为全面、高效的防治措施。

气压诱发非饱和土变形破坏的试验与数值研究

覆土填埋是处理城市垃圾的主要手段之一,但垃圾中的有机质在降解时会生成大量气体,若产气速率过快或导排不顺,内部将产生过高的气压,导致土质覆盖层发生变形破坏,进而影响填埋场的稳定性.基于此,开展气压诱导非饱和土破坏的二维模型试验和数值模拟,研究不同土体厚度、气压条件下的土体变形破坏机制.结果表明,气压诱发土体破坏的过程可分为水气运移、局部微裂缝、贯穿主裂缝和内部空洞四个阶段.土体破环主要发生在充气孔上方与表层之间的倒三角区域内,其破坏形态根据是否有前期气压作用可分为“劈裂型”与“爆裂型”两种.土体的破坏压力随覆土厚度的增加近似线性增大,适当的气压有利于增加土体的稳定性,在此基础上提出临界稳定气压的概念.通过提出的数值模拟方法研究了土体内部的渗流变化规律,发现气压会增加土体内部的孔隙压力,同时会驱使水向四周扩散,导致周围土体的饱和度发生变化;最后,研究结果表明有效应力增量的区域性变化可能是临界稳定气压产生的原因,可为实际工程提供参考.

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应–骨架变形–水气运移–溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。