晋西黄土区典型造林整地措施对土壤水分动态的影响

【目的】探究晋西黄土区典型造林树种和水平阶整地措施对0~180 cm土层土壤水分动态的影响,为植被恢复及流域综合治理提供参考依据。【方法】以晋西黄土残塬区蔡家川流域典型工程措施水平阶以及主要造林树种刺槐Robinia pseudoacacia和侧柏Platycladusorientalis为研究对象,于2019年5—9月生长季开展土壤水分定位监测,并采用配对试验,对自然坡面刺槐林地与侧柏林地土壤水分进行同步观测,分析不同植被和水平阶整地综合影响下的土壤水分特征及对降雨事件的响应,评价典型工程措施对不同植被土壤含水量的影响。【结果】生长季不同植被类型、水平阶整地前后的土壤含水量的变化与降雨量的变化密切相关,不同样地平均土壤含水量由高到低依次为水平阶侧柏林地(18.68%)、自然坡面侧柏林地(16.19%)、水平阶刺槐林地(16.10%)、自然坡面刺槐林地(15.42%)。较之自然坡面,水平阶整地措施能够分别提高侧柏林地和刺槐林地土壤含水量15.38%、4.41%。根据土壤水分垂直变化特征,水平阶整地可以提升土壤水分的活跃层、次活跃层深度:水平阶侧柏林地活跃层、次活跃层深度范围为0~80 cm,相对于自然坡面侧柏林地提升深度33%;水平阶刺槐林地活跃层、次活跃层深度范围为0~140 cm,相对于自然坡面刺槐林地提升深度40%。【结论】土壤含水量的动态变化与降雨量、工程措施、植被作用关系密切,水平阶是开展黄土残塬小流域生态恢复的有效工程措施,且水平阶侧柏林地提升效果要优于水平阶刺槐林地。图3表3参37.

非饱和黄土高吸力下的水力力学特性及微观结构分析

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。

循环荷载下黄土孔隙水压力与能量耗散演化

采用动力三轴仪器测试了压实黄土的动力强度和累积塑性应变发展规律,并分析了不同应力状态下(循环应力比和固结应力比)孔隙水压力与累积能量耗散关系的演化特征。深入了解频率、土体含水率以及压实度对其动力性能的影响机理,旨在揭示不同应力加载条件下,压实黄土能量耗散的差异,特别关注高含水率状态下黄土试样的能量耗散率,以提供对路基性能劣化的有效预测和控制方法。结果表明:频率和土体含水率的增大均引起动力性能劣化,提高压实度对动力性能的优化效果显著。黏滞累积能量耗散以及塑性能量耗散均会影响黄土孔隙水压黄土的增长型式,其中循环应力比(CSR)较小时,黏滞累积能量耗散的影响更显著,而CSR达到0.28时,总累积塑性能量耗散更为凸显;固结应力比(K_(c))下则表现孔隙水压力始终依赖总累积塑性能量耗散的变化;通过参数引入和归一化分析,构建了不同CSR和K_(c)影响下的压实黄土孔隙水压力增长的能量预测模型。不同固结应力比引起压实黄土的能量耗散差异显著,且高含水率状态的黄土试样表现出更大的能量耗散率。因此,有必要对压实黄土的含水率进行控制,避免行车动载作用下超静孔隙水压力过大导致的路基性能劣化,所建立的能量预测模型能够有效地描述压实黄土的变形破坏特征。

马兰黄土液化特性及孔压模型参数研究

地震荷载作用下黄土的孔压增长特性、模型及参数是黄土场地液化评价的关键。文章以甘肃庆阳董志塬地区黄土为研究对象,通过不同土性和荷载条件下饱和重塑黄土的液化试验,对黄土的液化特征、典型孔压模型的适用性及参数的取值范围进行研究。研究表明动荷载作用下饱和重塑黄土孔压增长曲线主要分为三类,通过对比验证不同孔压模型对饱和重塑黄土孔压增长曲线的适用性,给出了适用性较好的孔压模型的参数取值范围,其中,Seed模型的参数α取值范围为1.09~1.84,A型曲线模型参数β取值范围为1.70~2.52,幂函数模型参数θ取值范围为1.13~1.75。根据陇西黄土孔压曲线对模型进行验证,结果表明模型的参数取值范围具有区域性,对于陇西黄土,Seed模型、A型曲线模型和幂函数模型的拟合参数取值分别为0.91、8.32和3.51。

饱和砂-黏及砂-粉-黏混合土动孔压特性

含细粒砂土在吹填土中广泛分布,其在长期服役过程中可能经受波浪及车辆荷载的循环作用,掌握含细粒砂土动孔隙水压力的变化特性对于评价吹填土在循环荷载作用下的安全性及稳定性尤为重要。通过对饱和重塑砂-黏混合土及砂-粉-黏混合土开展室内固结不排水循环三轴试验,研究了不同黏粒含量、细粒含量、黏粉比和孔隙比下砂-黏混合土及砂-粉-黏混合土动孔压的发展特征。结合不同混合土内部颗粒赋存状态光学显微镜图像及颗粒赋存状态理论,揭示了黏粒含量、细粒含量、黏粉比和孔隙比对混合土动孔压发展的影响规律及影响机理。试验结果表明:对于砂骨架孔隙比与孔隙比恒定的砂-黏混合土来说,随着黏粒含量的增加,动孔压在振动后期的波动性增长趋势分别增强、减弱;对于砂-粉-黏混合土来说,随着细粒中粉粒含量增多(黏粒含量减少),FC=5%试样动孔压在振动后期的波动性增长趋势呈现非单调变化规律,不同孔隙比下FC=10%试样动孔压在振动后期的波动性增长趋势单调增强;提出了适用于砂-黏混合土以及砂-粉-黏混合土动孔压发展的Mod-Baziar模型,该模型不仅扩展了动孔压的预测范围,而且具有更高的预测精度,其可以更好反映动孔压的整体发展趋势以及孔压在振动后期的细节变化;当采用Mod-Baziar模型分别对不同孔隙比下的纯砂、砂-黏混合土以及砂-粉-黏混合土动孔压进行预测时,模型中各个参数的取值范围依次增大。初步分析认为上述试验结果是由不同颗粒间复杂的黏结、摩擦及填充作用所致。

不同含水量下原状黄土动强度和震陷的试验研究

对原状黄土进行动三轴试验,探讨了黄土的动强度和震陷随含水量的变化规律。试验结果表明,塑限含水量可作为黄土动强度和震陷的界限含水量,小于塑限的含水量变化对震陷临界动应力和动粘聚力的影响非常显著,大于塑限的含水量变化对其影响微弱,而动摩擦角不受含水量的影响。通过对震陷曲线的定量分析,说明有必要对黄土的震陷性进行分类。

饱和击实黄土的动力特性研究

通过进行不同固结条件下饱和击实黄土的动三轴试验,研究了饱和击实黄土的动模量、阻尼比、动强度、动孔压及抗液化特性。研究结果表明:饱和击实黄土的动应力-应变关系符合双曲线模型,模型中参数起始动剪切模量和最大动应力与轴向固结应力间均有良好的幂函数关系,且可以对不同固结应力状态归一,固结围压和固结比对阻尼比的影响较小。动剪应力比随固结围压的增大而减小,随固结比的增大而增大。固结围压、固结比以及动应力皆对动孔压比(u/σm)与振次比关系有显著的影响,而动孔压与破坏时动孔压之比与振次比关系只受固结围压变化的影响,基本上不受固结比和动应力变化的影响,可以用幂函数关系来模拟;在均压固结条件下,当破坏振次小于等于30时,饱和击实黄土不会产生液化,而当破坏振次较大(动应力较小)时可以产生液化;在偏压固结条件下不会产生液化。

常含水率三轴条件下非饱和原状黄土的吸力和力学特性

为了模拟实际工程在不排水条件下土体的快速破坏,对不同初始吸力非饱和原状黄土进行了常含水率等向压缩和三轴剪切试验,研究了常含水率下非饱和原状黄土的变形特性、临界状态、屈服及吸力变化特性。研究结果表明:在等向压缩和三轴剪切应力条件下,非饱和黄土的变形和吸力变化特性不同;不同初始吸力下,偏应力与净平均应力临界状态线为平行直线,偏应力与有效平均应力临界状态线可以归一为一条直线,且可近似用饱和土临界状态线表示,半对数坐标系上孔隙比与净平均应力及有效平均应力临界状态线皆近似为平行直线,直线斜率比饱和土的大,比屈服后等向压缩曲线的小;对于不同初始吸力,相同有效平均应力下非饱和原状黄土与饱和黄土的临界状态孔隙比之比与气体饱和度关系可以归一;屈服净平均应力及屈服偏应力皆随着初始吸力的增大而增大;q–p平面上初始及后继屈服曲线为对称于K0线的椭圆,吸力及应力硬化对屈服曲线的影响是等向的。

赵家岸滑坡地区马兰黄土物理力学特性试验研究

浸水或增湿过程中,黄土特有的不稳定结构极易发生破坏,约束黄土的力学行为特征。通过粒度分析、扫描电镜和压汞实验对赵家岸滑坡地区黄土的微观结构进行分析,得到由上到下黏土的胶结作用升高,架空孔隙压缩明显,小孔隙几乎没有变化的特征。不同初始含水量条件下三轴压缩实验显示该区的顶部和底部黄土的强度均随初始含水量的增大而减小。由于底部黄土黏土胶结作用较高,黄土的强度减小速率大于顶部黄土。同时发现c值对于水的敏感性明显大于φ值,强度的降低主要是c值的减小导致。由于地下水位的升高,滑坡底部黄土的含水量增加,颗粒之间主要承担胶结作用的黏土矿物软化,导致附近的黄土微观结构持续破坏,导致赵家岸滑坡发生蠕动。

细粒含量对饱和砂土动孔压演化特性的影响

利用GDS循环三轴仪,对不同细粒含量砂土进行了不排水动三轴液化试验,并基于Seed孔压应力模型,研究了细粒含量对液化进程中动孔压演化特性的影响。研究结果表明:细粒含量对砂土孔压发展影响较大,其影响主要体现在孔压发展模式参数θ的不同。含细粒砂土中细粒含量与孔压参数θ的关系不是呈单调的线性关系。参数θ先随着细粒含量的增加而减小,并在细粒含量为30%时达到最小值,之后随着细粒含量的增加又逐渐增加,不同的是参数θ在细粒含量超过30%后,其增加的趋势相对平缓。通过对不同细粒含量砂土动孔压演化特性试验研究,更进一步证明了临界含量的存在,试验所用的含细粒砂土,临界细粒含量在30%左右。

循环荷载作用下饱和压实黄土动力特性研究

通过一系列饱和击实黄土的动三轴试验,分析了循环荷载作用下饱和压实黄土超孔隙水压力、轴向应变、有效应力路径和滞回圈的变化规律,以及不同激振振幅和干密度状态下对饱和压实黄土动力特性的影响。试验结果表明:试验加载初始阶段,超孔隙水压力和轴向变形快速增长,随着循环次数的增加,超孔隙水压力和轴向变形增速逐渐减缓。超孔隙水压力和轴向变形的变化曲线都存在一拐点,当循环次数超过该拐点后,超孔隙水压力和轴向变形趋于稳定。随着循环次数的增加,有效应力路径向左发展,且移动幅度逐渐减缓。当循环次数增加至一定值时,有效应力路径在加载阶段和卸载阶段基本重合。随着循环次数的增加,滞回圈向右发展。随着激振振幅的增大,超孔隙水压力和轴向应变逐渐增大,随着干密度的增大,超孔隙水压力和轴向应变逐渐减小。

土壤水分对黄土高原主要造林树种细根表面积季节动态的影响

在黄土丘陵沟壑区陕西省安塞县,于2007年生长季内,采用根钻法对刺槐(Robinia pseudoacacia)、侧柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)林地的细根和土壤水分进行了动态调查。结果表明:生长季内,刺槐、侧柏、油松林地0-200cm土层的土壤含水量变动较大,此土层是树木细根表面积的主要分布层,分别有82.4%(侧柏)、86.5%(刺槐)和87.5%(油松)的细根表面积分布。侧柏、刺槐、油松细根表面积垂直分布与剖面土壤水分间呈显著的正相关关系(p<0.05)。模型S=AhB(C+Dh+Eh2+Fh3)可以较好地拟合不同树种细根表面积的垂直分布,拟合决定系数R2均在0.85以上。刺槐、侧柏、油松林地土壤含水量的动态变化均表现为10月>4月>6月>8月。刺槐、油松细根表面积在6月出现1个高峰,侧柏在6月和10月各出现1个高峰。树木细根表面积动态与土壤含水量的季节动态不完全一致。侧柏、刺槐、油松生长所需的水分约87%来自降水的补给。但是,总体上侧柏、刺槐、油松细根表面积与林地土壤含水量的相关性不显著(p>0.05)。全面了解树木细根季节动态的机理,还需对水分、温度、养分和树种本身遗传特性等影响因子进行综合研究。

含水率对不同加筋方式黄土强度的影响

通过室内静三轴剪切试验,探讨了3种不同加筋方式和5种不同含水率作用下加筋黄土的强度特性。试验结果表明,在黄土中布筋能大幅度降低含水率变化对土体强度的影响;含水率相同时试样强度随加筋层数、围压的增大而增大;围压相同、加筋层数相同的试样强度随含水率的增大而明显减小,表明加筋黄土强度具有水敏感性,加筋黄土的水敏感性随加筋层数的增加有增强趋势;在一定含水率范围内,加筋土莫尔—库伦强度指标随含水率的增大而呈线性减小,内摩擦角的下降比黏聚力的下降更明显,在此基础上建立了加筋黄土抗剪强度与含水率之间的关系式,拟合关系较好。

强夯法加固湿陷性黄土地基的两个问题

本文根据强夯法加固湿陷性黄土地基的大量实际资料 ,对含水量和孔隙比进行了讨论 ,指出不同的土体含水量对夯击效率具有显著的影响 。

三轴应力状态下不同湿度原状黄土的结构性定量化参数

通过对黄土结构性研究现状的分析,对与原状样干密度相同的扰动饱和土施加荷载来实现破坏结构性的目的,以三轴试验得到的原状黄土以及扰动饱和黄土的应力-应变曲线为基础,用一个定量化结构性参数综合反映土的排列和胶结特征所表现出的综合结构势(结构性强弱),探讨不同围压及含水量下结构性参数在剪切过程中的变化特性。研究结果表明：(1)定义的结构性参数能够反映围压、含水量对原状黄土剪切过程中结构性的影响,具有很好的合理性、灵敏性和稳定性；(2)结构性参数随着含水量的增大而减小,低应变时含水量对结构性的影响很明显,这种影响随着应变增大而逐渐减弱；(3)初始加荷和试样破坏时,结构性参数随着围压的增大而减小,应变达到15%时,结构性参数随着围压的增大呈先增大后减小的趋势。

黄土震陷性深度特征的试验研究

黄土震陷是地震发生时黄土地区发生的一种灾害。以典型马兰黄土(Q3)作为研究对象,对5组不同深度的原状黄土试样进行室内动三轴震陷试验,研究了该场地黄土震陷性随深度的变化特征。研究结果表明,(1)在天然含水率或是增湿、减湿情况下,黄土震陷深度曲线随动应力的增加均经历了一个从平稳、快速、再收敛至最大震陷深度的发展过程;(2)黄土震陷深度曲线的发展阶段动应力区间不尽相同,随着含水率的增加,黄土震陷快速发展期的动应力区间在变窄,最小动应力值变小,含水率20%条件下比5%最小动应力值可降低30%;(3)典型马兰黄土存在一个最大震陷深度,其最大震陷深度不受动应力、含水率影响,含水率仅能够降低达到最大震陷深度时最小动应力,加速黄土震陷深度的发展进程。在动应力不断增加的情况下,最终的黄土震陷深度曲线收敛于最大震陷深度,本次实验黄土场地的最大震陷深度约为15.5m。

砂砾土动力特性的室内试验研究进展

简要回顾了国内外有关砂砾土动剪切模量和阻尼比的试验研究进展,总结了围压、固结比、颗粒形状、含砾量、颗粒破碎等因素对砂砾土动剪切模量、阻尼比及归一化动剪切模量比与阻尼比曲线特征的影响规律,发现砂砾土归一化动剪切模量比和阻尼比的曲线形状主要受围压大小的影响,其他因素的影响不明显;总结了砂砾土抗液化强度、振动孔压发展特征、液化判别方法方面的研究进展,含砾量、试样扰动、膜贯效应是影响砂砾土抗液化强度的主要因素;指出了砂砾土动力特性研究中存在的问题及今后应予以更深入关注的研究方向。

西安地区黄土湿陷性的影响因素

通过对黄土湿陷系数与物性指标之间关系的分析,易溶盐含量与成分及难溶盐(CaCO3)含量的测试,研究了黄土湿陷性的影响因素及湿陷机理. 结果表明:影响湿陷性的宏观物理因素有粘粒含量、含水量及孔隙比,易溶盐对黄土湿陷性有一定的影响,但在该区含量甚微,难溶盐(CaCO3)对黄土湿陷具有阻碍作用. 这些宏观影响因素是其微结构本质的反映. 研究证明,粘粒胶结在黄土的湿陷中起重要作用.

不同含水率下滑坡滑带土动力特性试验研究

甘肃舟曲泄流坡滑坡地处活跃断层破裂带内,断层活动控制着该滑坡的发育和运动。为了研究该滑坡滑带土的动力特性,采用重塑滑带土样,在固结不排水条件下,利用分级循环加载法开展动三轴试验,重点探讨含水率的变化对滑带土动力特性的影响规律。试验结果表明:含水率一定时,泄流坡滑坡滑带土的动弹性模量随动应变的增大呈指数形式减小;动应变一定时,动弹性模量随含水率的增大而不断减小,且衰减速率随含水率的增大而增大;含水率并不影响动弹性模量-动应变关系曲线的形态,不同含水率下该关系曲线可以进行归一化。滑带土阻尼比随含水率的增大而增大,阻尼比-动应变关系曲线也具有归一化特征。不同含水率下泄流坡滑带土动应力-应变本构关系可以用双曲线模型进行描述。

黄土抗剪强度的三轴试验

非饱和黄土的强度随着含水量的增大是降低的。本文对青海某场地的黄土进行了三轴的试验研究,结果表明含水量对土体的强度影响显著,但加载速率对土体静强度的影响甚微。