Changes in terrestrial surface dry and wet conditions on the Loess Plateau(China) during the last half century

This paper, using a revised Penman-Monteith model, computed the terrestrial surface humidity index of the Loess Plateau （China） based on climatic factors of monthly mean temperature, maximum temperature, minimum temperature, relative humidity, precipitation, wind speed and sunshine duration observed on the plateau from 1961 to 2008. The temporal-spatial distribution, anomaly distribution and sub-regional temporal variations of the terrestrial surface dry and wet conditions were analyzed as well. The results showed a decreasing trend in the annual average surface humidity from the southeast to the northwest in the research anna. Over the period of 1961-2008, an aridification tendency appeared sharply in the central interior region of the Loess Plateau, and less sharply in the middle part of the region. The border region showed the weakest tendency ol; aridification. It is clear that aridification diffused in all directions from the interior region. The spatial anomaly distribution of the terrestrial surface dry and wet conditions on the Loess Plateau can be divided into three key areas： the southern, western and eastern regions. The terrestrial annual humidity index displayed a significantly descending trend and showed remarkable abrupt changes from wet to dry in the years 1967, 1977 and 1979. In the above mentioned three key areas for dry and wet conditions, the terrestrial annual humidity index exhibited a fluctuation period of 3-4 years, while in the southern region, a fluctuation period of 7-8 years existed at the same time.

Multiscale characteristics of the wetting deformation of Malan loess in the Yan’an area,China

Loess is prone to collapse upon wetting due to its open metastable structure,which poses a considerable threat to the environment,construction processes and human life.In this study,double oedometer tests and scanning electron microscopy and mercury intrusion porosimetry analyses were conducted on loess from Yan’an to study the macroscopic and microscopic characteristics of loess wetting deformation and the underlying mechanism.The wetting collapse of loess under loading depends on the changes in different microstructure levels and elements.This collapse chain reaction is manifested by the dissipation,scattering and recombination of the cementation,deformation and reorganization of the particles,blocking of the pore channels,decrease in the dominant size and volume of unstable macropores(>14μm)and abundant mesopores(2.5-14μm),increase in the volume of small pores(0.05–2.5μm),and volume contraction at the macroscale.This process is dependent on the initial water content,stress level and wetting degree.These findings can facilitate collapsible loess hazard prevention and geological engineering construction.

Spatial variability of leaf wetness under different soil water conditions in rainfed jujube (Ziziphus jujuba Mill.) in the loess hilly region, China

Leaf wetness provides a wide range of benefits not only to leaves,but also to ecosystems and communities.It regulates canopy eco-hydrological processes and drives spatial differences in hydrological flux.In spite of these functions,little remains known about the spatial distribution of leaf wetness under different soil water conditions.Leaf wetness measurements at the top(180 cm),middle(135 cm),and bottom(85 cm)of the canopy positions of rainfed jujube(Ziziphus jujuba Mill.)in the Chinese loess hilly region were obtained along with meteorological and soil water conditions during the growing seasons in 2019 and 2020.Under soil water non-deficit condition,the frequency of occurrence of leaf wetness was 5.45%higher at the top than at the middle and bottom of the canopy positions.The frequency of occurrence of leaf wetness at the top,middle and bottom of the canopy positions was over 80%at 17:00‒18:00(LST).However,the occurrence of leaf wetness at the top was earlier than those at the middle and bottom of the canopy positions.Correspondingly,leaf drying at the top was also latter than those at the middle and bottom of the canopy positions.Leaf wetness duration at the middle was similar to that at the bottom of the canopy position,but about 1.46-3.01 h less than that at the top.Under soil water deficit condition,the frequency of occurrence of leaf wetness(4.92%-45.45%)followed the order of top>middle>bottom of the canopy position.As the onset of leaf wetness was delayed,the onset of wet leaf drying was advanced and the leaf wetness duration was shortened.Leaf wetness duration at the top was linearly related(R^(2)>0.70)to those at the middle and bottom of the canopy positions under different soil water conditions.In conclusion,the hydrological processes at canopy surfaces of rainfed jujube depended on the position of leaves,thus adjusting canopy structure to redistribute hydrological process is a way to meet the water need of jujube.

Water infiltration and soil-water characteristics of compacted loess under applied vertical stress

Additional stress formed by postconstruction buildings in loess-filling areas affects water infiltration in soil and causes soil deformation.To investigate this effect,under constant water head,vertical infiltration tests on compacted loess with two initial dry densities for different applied vertical stresses were developed using vertical stresscontrollable one-dimensional soil columns.The timehistory curves of vertical deformation,wetting front depth,cumulative infiltration depth,volumetric water content(VWC)and suction were measured,and the soil-water characteristic curves(SWCCs)were determined.The results showed that:(1)the infiltration ability of the soil column weakens with increasing applied vertical stress and initial dry density;(2)vertical deformation increases rapidly at first and then tends to be stable slowly at the consolidation and wetting-induced deformation stage,and is positively correlated with applied vertical stress and is negatively correlated with initial dry density.The stability time of wetting-induced deformation and the corresponding wetting front depth increase with the increase of applied vertical stress,while they decrease obviously when initial dry density increases;(3)the influence of applied vertical stress on soilwater characteristics in soil columns with various initial dry densities is related to the deformation depth of soil column.The VG(Van Genuchten)model is suitable for fitting the SWCCs at different monitoring positions.A normalized SWCC model introducing the applied vertical stress was proposed for each initial dry density using the mathematical relationship between the fitting parameters and the applied vertical stress.

干湿循环作用下压实黄土裂隙演化特征

为了解干湿循环作用下压实黄土裂隙演化规律,通过自制装置开展考虑不同干密度和干湿循环路径的干湿循环裂隙试验,获取土样表面裂隙发育图像。采用PCAS软件对土样裂隙进行定量化分析,获得裂隙形态特征参数,并结合数字图像相关(DIC)法获得土样应变场。结果表明:①压实黄土裂隙发育随干湿循环次数的增长可划分为裂隙缓慢发展、快速增长和裂隙缓滞发展3个阶段;②裂隙发育程度受干密度、干湿循环路径共同影响,干密度越大,裂隙越难发育,干湿循环幅度越大、下限含水量越低,裂隙发育越充分;③裂隙中心线部位第一主应变随距起裂点距离的增大呈线性减小趋势,裂隙尖端、裂隙临近区块土体所受挤压作用随远离裂隙程度增大而减弱。研究成果可为压实黄土裂隙演化特征分析提供参考。

非饱和黄土侧限压缩和湿陷试验的宏微观离散元特性分析

为了深入探讨非饱和黄土在侧限压缩和快速增湿作用下的宏微观特性,本文采用颗粒流方法对黄土的力学特性开展了3维离散元仿真模拟分析。采用软胶结模型模拟了颗粒间的化学胶结作用,并考虑了颗粒间的范德华力和毛细力作用,着重分析了微观参数的变化规律。结果表明:软胶结接触模型能够准确地复现非饱和黄土侧限压缩和快速增湿试验中的力学响应行为。微观力学配位数随着竖向压力的增加而不断加速增长,同时颗粒间接触力与接触力矩均随含水率的增加呈现逐渐减小的趋势,而对于饱和试样则出现增长的情况。颗粒间的剪切破坏和拉破坏随着竖向压力的增加而逐渐增加,在大约100kPa达到最大值。随着含水率的增加,剪切破坏逐渐占据主导;此外,随着竖向压力的逐渐增加,应变能、滑动耗能与阻尼耗能逐渐增加,应变能数值远大于滑动耗能与阻尼耗能;应变能的增速随着竖向压力的增加逐渐加快,直至200kPa附近达到最大,含水率越大应变能终值越低;滑动耗能与阻尼耗能的终值均在小范围内波动。

干湿-冻融循环下黄土力学特性及损伤机制研究

为深入研究干湿-冻融循环对原状黄土力学特性的影响及细观损伤演化规律,通过不同次数干湿-冻融循环条件下的固结排水三轴剪切试验(consolidation drainage triaxial sheartest,CD)和核磁共振试验,从宏-细观角度分析其应力-应变曲线及强度指标变化规律和细观孔隙的损伤变化规律。在此基础之上,假定黄土微元强度分布服从复合函数,建立了黄土的损伤统计本构模型,并验证其适用性。研究结果表明:土体的应力-应变曲线表现为应变软化,并且随着循环次数的增大软化程度逐渐减弱。偏应力峰值随循环次数减小并逐渐趋于稳定,在循环2次时其衰减程度最大,不同围压下分别衰减了17.6%、23.2%、24.5%和18.1%。土体内胶结块在循环作用下发生破损,使得内部孔隙面积逐渐增大,主要为小孔隙向中大孔隙的转变,随着循环次数的增大,内部结构逐渐趋于稳定。

干密度和增减湿对压实黄土水力特性的影响

研究非饱和土的水力特性对分析工程建设活动中黄土的渗流和变形问题具有重要意义。以西安市南郊黄土为研究对象,采用滤纸法和饱和盐溶液法测得3种干密度下的黄土增减湿土-水特征曲线,并通过Childs&Collis-George模型预测试验黄土的非饱和渗透系数,探究干密度和增减湿对非饱和渗透特性的影响。结果表明:经历增减湿的土样的非饱和渗透系数曲线应结合土样的含水状态和对应的土-水特征曲线来预测;土体非饱和渗透系数随体积含水率的增大而增大,随基质吸力的增大而减小,在0~5 MPa范围快速衰减4~5个数量级;受瓶颈效应和减湿收缩的影响,土体增湿阶段渗透系数变化幅度小于减湿阶段的变化幅度;渗透系数随干密度增大而减小,干密度从1.719 g/cm^(3)增大到1.834 g/cm^(3),渗透系数减小2个数量级;压实黄土在增减湿阶段的非饱和渗透系数最大可相差3~4倍。

干湿路径下非饱和黄土渗透特性及微观机理研究

采用基于核磁共振技术的瞬时截面法开展黄土的非饱和渗透试验,研究干、湿两种不同路径下黄土的渗透特性;通过分析渗流过程中孔隙水的分布变化情况,从微观层面探讨干、湿路径下非饱和黄土的渗透机理。结果表明:在吸湿和脱湿的过程中,黄土渗透特性的变化规律存在较大差异,非饱和渗透系数与体积含水率的关系曲线存在一定的滞回性,饱和度较高时,吸湿路径下的非饱和渗透系数大于脱湿路径;在整个渗流过程中,孔隙内的水分迁移存在一定的主次关系,在吸湿阶段,水分优先填充孔径较小的孔隙,而在脱湿阶段,孔径较大的孔隙优先排水;孔隙水的分布是影响黄土非饱和渗透的重要因素,赋存在较大孔隙内的水分对渗透系数的影响居主导地位,而赋存在较小孔隙内的水分对土样渗透的影响则相对较小。

压缩及增减湿作用下非饱和黄土细观结构演化规律研究

土的细观结构是其宏观力学性质变化的本质,而黄土是一种特殊的结构性土,细观结构研究对揭示黄土地质灾害机理尤为重要。为了探讨黄土在不同外荷作用下的细观结构演化规律,本文采用压汞技术(MIP)及扫描电镜(SEM)等细观结构研究手段,对黄土在不同压实状态,无侧限增减湿,常含水率压缩以及常应力增湿作用下的细观结构进行全面试验研究,并从有效应力角度对细观结构演化进行探讨,进一步总结黄土填方地基的细观沉降机理。结果表明:松散黄土在压实过程中会形成团聚体间大孔隙,团聚体内小孔隙以及黏粒间微孔隙等三层次孔隙结构;初始干密度,饱和度主要影响大、小孔隙结构,而对微孔隙结构无影响;无侧限增湿对孔隙密度分布形态影响有限,但能弱化颗粒间的胶结,而常应力下增湿会引起大孔隙塌陷,产生湿陷变形,孔隙结构趋于均匀稳定;无侧限干燥会同时作用于3个层次孔隙结构,而压缩仅作用于大孔隙结构。整体来讲,细观结构的调整是土有效应力变化的结果,但净应力会先作用于大孔隙,而吸力变化会对3种孔隙结构同时产生影响。细观结构研究表明,压实度在一定程度上决定黄土大孔隙结构,控制施工压实度可以有效控制黄土填方地基施工期及工后期沉降。

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。

1986-2018年黄土丘陵区典型小流域不同水文年水沙变化

[目的]探讨黄土丘陵区罗玉沟典型小流域水沙变化趋势以及不同水文年径流输沙对水土流失治理的响应差异,量化降水和人类活动对流域水沙影响的相对贡献,以期为黄土丘陵第三副区流域水土流失治理和水资源管理提供参考。[方法]基于罗玉沟流域1986—2018年的降雨、径流、输沙等数据,采用Mann-Kendall检验法、累积距平法及双累积曲线法分析流域水沙变化趋势及驱动因素。[结果]1986—2018年罗玉沟流域河流由常流河转变为季节性河流,干河日数显著上升(p<0.01),2000年以来干河日数多在300 d以上;同期,罗玉沟流域径流输沙显著下降(p<0.05),与基准期1986—1993年相比,1994—2007年减水减沙率分别为61.9%,44.3%,2008—2018年径流输沙分别减少67.5%,76.4%;在2008—2018年平水年和枯水年间罗玉沟流域输沙模数分别为(1 080.0±107.5) t/km^(2),(167.8±111.4) t/km^(2),而在暴雨频发丰水年,输沙模数仍接近4 000 t/km^(2);流域产流产沙能力降低,水沙关系发生改变,相同径流条件下输沙量减少,即流域径流含沙量水平降低,开始变清;相比降雨变化而言,人类活动是流域水沙变化的主导因素,1994—2007年人类活动对减水减沙的贡献率分别为83.3%和79.5%,而2008—2018年人类活动的贡献率分别为91.8%,94.4%,表明流域水沙变化受人类活动影响越来越大,其中,坡改梯及退耕还林还草工程是主要影响因素。[结论]因沟道治理工程建设不足,罗玉沟流域在丰水年因沟道重力侵蚀导致流域输沙仍然剧烈,因此,需要加强沟道治理进一步减少流域水土流失。

湿陷性黄土地区明渠陡槽加墩消能工优化试验

明渠陡槽加墩是一种高效消能工布置方式,在特定条件下具有很高的技术竞争优势,但目前国内相关研究甚少。针对甘肃庆阳小崆峒沟雨水下塬排放工程的明渠陡槽加墩段进行了1∶30大比尺水工模型试验研究,试验发现初步方案沿程水流流态不稳定,存在向外泼溅溢出现象,危及黄土边坡的结构稳定。为此对初步方案进行了优化研究,试验发现,通过缩短消能墩排距,可以显著减小水面波动,使沿程水深分布均匀,流速降低,沿程不再出现水流向外泼溅溢出现象。消能墩排距由H/i缩短至0.5H/i后,在最大设计流量工况下,水面波动减小72.5%,平均流速降低40.1%,总消能率由87.9%提高至94.6%。

湿陷性黄土卸荷试验及其微结构

湿陷性黄土在卸荷状态下的湿陷量与恒压下不同,通过试验从宏观与微观角度研究了卸荷作用下黄土湿陷量与微观结构变化情况。对铜川地区黄土进行湿陷性试验,测得不同埋深处恒压与卸荷的湿陷性系数,对比恒压与卸荷、湿陷系数的差异性,并结合电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)与图像分析系统PCAS(particles and cracks analysis system)观测分析湿陷性黄土微观结构变化,得到不同埋深、卸荷量下微观参数孔隙面积占比、概率熵与平均形状系数等变化特征。结果表明:卸荷将有效提高湿陷起始压力,减少湿陷性的发生,相较于恒压条件下改变了湿陷性黄土孔隙面积、颗粒分布、排列方式等;微观结构主要以片状和蜂窝结构为主,随埋深与卸荷量增加,孔隙由疏到密、细小孔隙占比增加;概率熵逐渐增大、颗粒排列混乱且定向性变差,均一化程度降低;卸荷作用下黄土的湿陷系数、埋深与卸荷量有很强的相关性。

干湿循环下盐渍压实黄土湿陷性劣化机理研究

近年来黄土高原地区土壤盐渍化问题愈发严重,深入了解盐渍压实黄土在干湿循环作用下的湿陷性演化规律对当地填方工程安全至关重要。本文通过对不同干湿循环次数和硫酸钠(Na_(2)SO_(4))含量的压实黄土试样进行电镜扫描试验和室内湿陷试验,研究了盐渍压实黄土在干湿循环过程中的湿陷性劣化规律及其微观机理。结果表明:干湿和盐蚀的耦合作用使黄土结构趋于松散,造成湿陷系数增大,然而湿陷系数的增速随干湿次数增加而逐渐减小,表现出减速劣化特性,随含盐量增大而逐渐增大,呈现出加速劣化特性,且当含盐量大于0.5%时,盐蚀对湿陷性的劣化作用比干湿劣化作用更显著。最后,构建了同时考虑干湿循环次数和含盐量的经验模型,能较好描述盐渍压实黄土在干湿循环作用下的湿陷性演化规律。

干湿循环作用下伊犁黄土的强度及微观特性

为探讨干湿循环作用下伊犁黄土的强度劣化规律和微观结构特性,进行了5种干湿循环路径下的三轴剪切试验及扫描电镜测试,分析了不同干密度、干湿循环幅度和次数对伊犁黄土抗剪强度的影响和微观孔隙分布的演化规律,并进行了宏观强度和微观孔隙损失机制之间的探讨。结果表明:干湿循环幅度越大、循环次数越多,伊犁黄土抗剪强度的衰减速度越快,衰减幅度越大,原状土在5次干湿循环后的三轴剪切强度接近重塑黄土;同种干密度的伊犁黄土的黏聚力随循环次数的增加而降低,同一干湿循环路径下干密度为1.55 g/cm^(3)时,伊犁黄土的黏聚力劣化最显著,而干湿循环对内摩擦角有轻微影响。另外黏聚力的劣化与孔隙面积比和孔隙特征参数的变化有关,干湿循环后孔隙面积比和孔隙特征参数增加率越大,黏聚力劣化越明显;内摩擦角的变化与孔隙分形维数的变化趋势相近,但变化不显著。

基于物联网技术的PHC管桩加固湿软黄土地基自动化监测现场试验

预应力高强度混凝土(Pre-stressed High-strength Concrete:PHC)管桩作为一种常用的处理湿软黄土地基方法,质量稳定可靠。但是,在传统PHC管桩施工过程中,对管桩贯入位移的记录存在频率不足、效率不高等问题,未能满足预期的地基处理施工监测效果。鉴于此,基于物联网的基本框架和技术,依托甘肃安临高速PHC管桩处理湿软黄土地基工程,设计了一套PHC管桩施工质量自动化监测系统,采用自行研发的监测装置与系统,针对管桩在施工过程中的贯入位移质量控制指标进行了现场监测试验。结果表明:该监测系统可实时输出管桩贯入土层过程中贯入位移随锤击次数的响应情况,并将管桩贯入持力层的信息及时反馈于现场施工作业区。同时借助地质雷达与低应变检测技术验证了该监测系统的可靠性。该研究成果可为PHC管桩在施工过程中实现贯入信息采集的智能化提供一定的技术支撑。

干湿循环前后不同改性黄土的微观特性

黄土化学加固系利用素黄土与改良剂反应生成的物质胶结土粒和填充孔隙,从而达到改善土体工程地质特性的目的,得到广泛应用。通过X衍射、电镜扫描、压汞试验对比分析木质素磺酸钙、木质素磺酸钠、硅酸钠、生石灰改性黄土和压实素黄土在矿物成分、微观特性和强度指标上的差异以探究不同固化黄土的改性机制,并进行不同改性黄土干湿循环试验,从微观孔隙特征和强度角度探究不同改性黄土的水稳性。试验结果表明:素黄土进行改性后其原有矿物成分之斜绿泥石和锌硅钠石消失,主要矿物成分石英和钠长石占比从70%增长至78%以上。添加剂致使土体微观结构显著变化,主要表现为孔隙含量的减小、孔隙分布的改变和土骨架颗粒连接方式的转变。面孔隙度和孔隙总体积的变化和无侧限抗压强度之间呈较好的负相关关系,表明添加剂在很大程度上是通过改变土体的孔隙度来影响土体强度特性的。经历10次干湿循环后,不同改性黄土孔隙累积体积降低、平均孔隙直径和孔隙分布发生改变,无侧限抗压强度降低,微观结构和宏观性质的改变均表明干湿作用对土体的弱化作用。干湿作用下硅酸钠和生石灰改性土强度劣化现象显著,木钠改性土试样表面完整性较差,木钙改性土试样完整性好且仍然保持较高强度,水稳性良好,表明木钙在运用于提高黄土力学性能和抗干湿循环方面具有明显的作用,具有广阔应用前景。

考虑降雨条件陕北Q_(2)黄土斜坡稳定性的非线性劣化研究

降雨致灾是陕北黄土斜坡最常见的灾害之一,揭示降雨对黄土斜坡稳定性影响特征有利于预防滑坡灾害的发生。通过一系列室内试验研究了降雨条件下陕北Q_(2)黄土的力学特性变化特征,并结合数值模拟分析了其对陕北黄土斜坡稳定性的影响。首先设计干湿循环试验(循环路径和次数)以模拟降雨条件(如强度、频次等);其次通过三轴剪切试验获取陕北Q_(2)黄土的力学性质的变化规律;最后以陕北地区某黄土斜坡为例,利用有限元计算并分析不同降雨条件下斜坡安全系数和塑性区的变化特征。结果表明:(1)干湿循环作用后Q_(2)黄土的抗剪强度存在非线性劣化特征。当干湿循环次数超过一定范围后,黄土物理力学性质参数劣化的边际效应减弱,并趋于稳定。(2)降雨作用下黄土斜坡的稳定性呈现出随着降雨频次或降雨强度的增加而降低的趋势。(3)Q_(2)黄土斜坡的塑性区范围随着Q_(2)黄土力学性能的不断劣化而增大,体现了降雨条件对黄土斜坡稳定性影响的非线性特征。研究结果为降雨型滑坡预防提供参考。

干湿-冻融循环条件下湿陷性黄土剪切及压缩特性的劣化规律

新疆北疆地区某输水明渠工程跨越大面积湿陷性黄土区域,湿陷性黄土经多年降雨、蒸发及季节气温交替变化后力学特性衰减严重,极易造成渠基塌陷及渠坡滑动破坏等工程现象。为深入探究其劣化机制,通过开展干湿-冻融循环条件下湿陷性黄土的直剪、压缩及其微观扫描试验,从宏-微观两个尺度分析其剪切强度、压缩特性的劣化规律及其损伤物理机制。研究结果表明(1)直剪试验:随着干湿-冻融循环次数的增加,峰值抗剪强度呈急速减小-速率减缓-趋于稳定3阶段发展趋势;黏聚力呈指数形式减少,第1次循环减小幅度最大,5次循环后趋于稳定状态,劣化度达到44.55%;内摩擦角变化幅度在2.1°以内,最大劣化度为7.04%,受干湿-冻融循环的影响较小。(2)压缩试验:压缩曲线可依据固结压缩屈服应力σ_(k)分为弹性变形和弹塑性变形两阶段,σ_(k)随循环次数增加前移;压缩系数、压缩指数与循环次数呈指数、幂函数形式减小,土体的整体压缩性减小;回弹指数与循环次数呈线性正相关。(3)微观结构:通过微观电镜扫描(scanning electron microscope,简称SEM)试验分析,在循环作用下,大孔隙减小,中、小孔隙增加,排列方式趋于无序状;大粒径颗粒逐渐转化为中、小颗粒,形态趋向于拟圆形;利用关联度分析发现孔隙大小及其角度是影响剪切强度的主要因素;引入Pearson相关系数发现颗粒形态及孔隙大小对压缩指标的影响程度最大。