基于碳纤维加热光缆的砂性土渗流场C-DTS分布式监测试验研究

岩土体中渗流场的监测是岩土工程防灾减灾中一项必不可少的基础工作。在总结已有监测方法优缺点的基础上,提出了渗流场碳纤维加热光缆的分布式温度光纤感测技术（简称C-DTS）;介绍了该方法的监测原理;提出了温度特征值（ ）的概念;设计了砂性土渗流模拟装置,并对砂性土中不同渗流速率下的渗流场进行了室内试验。通过试验确定了 与渗流速率（V）之间存在线性关系;证明了碳纤维加热光缆能够有效地提高DTS监测的敏感性,可实现渗流速率的分布式监测。对该方法应用于工程实践还需要开展的研究工作进行了分析。     

层状土毛细水上升过程中Lucas-Washburn模型评价及修正

受界面效应影响,毛细水在层状土中运移规律还难以用描述均质土中水分运移规律的Lucas-Washburn（LW）渗吸模型进行描述。基于此,本文设计了层状土室内模型试验,采用分布式的主动加热光纤法（简称AHFO）监测毛细水上升过程。根据AHFO测试结果,进一步对LW模型进行了修正,提出了适用于描述层状土中毛细水上升规律的ILW模型,并对ILW模型进行了试验验证。试验结果表明:（1）当毛细水湿润锋抵达“黏土（下部）-砂土（上部）”界面时,会产生“毛细屏障作用”,从而导致上部砂土中毛细水含水率急剧下降;（2）“毛细屏障作用”由砂土和黏土中的基质吸力不均衡造成,基质吸力大小由含水率决定;（3）当毛细水湿润锋抵达“砂土（下部）-黏土（上部）”界面时,在界面处出现“反毛细屏障作用”,从而导致上部黏土层中的含水率比相邻下部砂土层含水率更高;（4）虽然常见的LW模型可准确预测均质土中毛细水上升高度及速率,但受“毛细屏障作用”和“反毛细屏障作用”影响,LW模型在层状土中失效;（5）相比LW模型,ILW模型精度更高,能够更加准确地描述层状土中毛细水上升规律。     

湿胀条件下合肥膨胀土土-水特征研究

膨胀土在吸水时会产生体积膨胀,研究湿胀条件下膨胀土的土-水特征具有重要意义。以合肥地区9种弱膨胀土为研究对象,采用滤纸法和渗析法试验测定了膨胀土的土-水特征,采用蒸汽加湿法试验测定了膨胀土在吸湿过程中的体积变化。基于土-水特征曲线（SWCC）试验及加湿试验,获得了膨胀土在吸湿过程中的体积变化规律,得到了湿胀条件下膨胀土的重力含水率?基质吸力曲线（w-ψ曲线）及体积含水率?基质吸力曲线（θw3-ψ曲线）,分析了膨胀土吸湿过程中的体积变化对体积含水率?基质吸力曲线的影响,探讨了w-ψ与θw3-ψ曲线拟合参数的变异性及参数间的相关性。结果表明：蒸汽法加湿土样是一种较为理想的增湿方式;湿胀条件下,w-ψ曲线与考虑体变的θw3-ψ曲线的差异程度与吸湿结束后的土样含水率有关;w-ψ曲线的变异性小于θw3-ψ曲线的变异性;拟合参数n的变异性小于参数a及m的变异性;w-ψ曲线及θw3-ψ曲线的对应拟合参数间呈线性关系。     

利用高密度电阻率法进行盐渍土含水率的测定

盐渍土中含有较多的可溶盐,其工程性质对含水率很敏感。将室内试验与现场试验相结合探索了电阻率法间接测定盐渍土含水率的可行性。采用高密度电阻率法对盐渍土浸水试验后的影响范围进行测试,通过在室内恒定温度下测定的盐渍土电阻率与含水率的关系,建立特定土体结构下的电阻率与含水率的数学模型。现场实测高密度电阻率值,利用现场观测的土层温度,计算出浸水范围的含水率,与现场分层实测含水率进行对比,验证了数学模型的可靠性。     

靖远地区大厚度黄土地基浸水湿陷过程及土中竖向应力特征试验研究

为了研究靖远大厚度黄土在浸水条件下的水分入渗规律和自重湿陷变形特征,在中兰铁路沿线的靖远北站黄土自重湿陷场地进行了不打注水孔的现场浸水试验,监测并分析了地表及地下湿陷变形、试坑周围裂缝、含水率和土中竖向应力变化情况,对水分扩散规律、自重湿陷特性和土中竖向应力变化规律进行了研究,并对地区修正系数β0值和浸润角进行了探讨。结果表明：体积含水率变化分为浸水稳定（2个）、快速增加（1个）和缓慢增加（1个）共4个阶段;浸水过程中,水分在21m处竖向入渗加快、径向扩散减缓,湿润峰最终形态呈现为椭圆状。根据探井和钻孔含水率测试结果,推算出浸润角最大为41°。该场地黄土自重湿陷过程历经剧烈湿陷、缓慢湿陷和固结稳定3个阶段。试验结束时共计发展了13圈环状裂缝,裂缝最远处距试坑边缘26m。根据室内试验和现场测试结果,建议地区修正系数沿土层深度进行修正,0～10m内β0值取1.05,10～27 m内β0值取0.95。在地表至21 m深度范围内,地基土浸水饱和且湿陷充分,土中竖向应力沿深度呈线性增加,土中竖向应力接近饱和自重应力,21m以下的地基土未能充分湿陷,土中竖向应力逐渐减小。该研究成果可应用于中兰铁路...     

格栅强度对桩-网复合地基桩-土应力比影响研究

为探索不同格栅强度条件下桩-网复合地基桩-土应力比的变化规律,首先基于桩-网复合地基工作机理,推导出桩-土应力比的解析式;然后依托赣龙（赣州-龙岩）和哈大（哈尔滨-大连）高速铁路桩-网复合地基工程实例,由实测数据对比分析了格栅强度100kN·m-1和300kN·m-1条件下的桩-土应力比变化规律;最后建立三维数值模型,进一步分析了格栅强度在100～400kN·m-1区间的桩-土应力比变化规律。结果表明:格栅强度在100～300kN·m-1区间时,桩-土应力比随格栅强度增幅较大,当格栅强度超过300kN·m-1以后增加的幅度较小。考虑复合地基承载特性最大贡献,建议选取格栅强度200～300kN·m-1,此时桩-土应力比为3.8～4.5。     

频域反射分析法测定土壤含水率标定试验研究

对滑坡体土壤含水率进行长期和连续的监测,有利于对滑坡体的变形分析和安全预警。为了提高频域反射分析法（FDR法）测量土壤含水率的精度,通过室内标定和现场标定相结合的方式,对使用FDR法测定野外现场滑坡土壤含水率进行了标定。通过对比分析FDR法和烘干法测得的土壤含水率数据,探讨电压信号、含水率、绝对误差和相对误差之间的对应关系,并建立函数模型。试验结果表明:FDR法测定的土壤含水率较烘干法偏高;通过线性、多次曲线及指数形式对试验数据进行拟合和回归分析,最终确定四次曲线作为标定方式,标定后测得的土壤含水率精度明显提高,平均绝对误差可控制在2%以内。该方法可用于类似条件下FDR法测定土壤含水率的标定。     

基于数据挖掘的土−水特征曲线演化规律研究

土−水特征曲线是非饱和土持水性能和水气运移规律的重要表征,由于其测试过程繁杂、影响因素众多,很难通过系列试验和数学模型全面表达。为探索土的类型和物理状态对土−水特征曲线的影响,以国内外大量试验数据为基础,以反映其形态的3个特征值（进气值、减湿率、残余含水率）为对象,采用数据分析统计方法揭示不同赋存条件对特征值的作用规律,采用机器学习方法探究影响因素的敏感性。研究结果表明：土体的物质组成（颗粒级配、粒径尺度、塑性指数）及赋存状态（密实程度、饱和含水率、干湿循环作用、环境温度）是影响其持水性能的常见分析指标,各影响因素对3个特征值的影响特征既有巨大差异也有相互联系,敏感性成果表明代表黏粒含量的塑性指数和反映密实程度的干密度是影响土体持水性能的最主导因素,给出的特征值分布范围考虑了两个主导因素的影响,具有较强的代表性和借鉴意义。     

雨强对安溪县尧山村滑坡地下水渗流系统及稳定性的影响研究

本文以安溪县尧山村滑坡为研究对象,通过现场走访调查、工程勘查和专业监测等手段,查明了研究区的地形地貌、地层岩性、地下水管网渗流系统的发育特征、坡体变形破坏模式、分布特征以及变形破坏范围等实际情况。然后基于FEFLOW软件构建出研究区的三维地下水渗流模型,探寻在不同雨强条件下研究区的地下水渗流场变化规律,再利用FLAC强度折减法计算滑坡体滑动面深度及其稳定系数。结果表明,崩坡积碎石土滑坡的地下水管网状渗流系统发育,坡体不仅只表现为拉裂型变形破坏特征,而且地面沉降和地面塌陷等特征也十分明显,在雨强165.5 mm·m-1和317.7 mm·m-1条件下,地下水位较天然工况分别上升0.5~1.5 m和0.5~2.5 m,滑动面深度9~12 m,稳定系数分别是1.04和0.97,通过分析比对,模拟结果的误差值都在容许范围之内,并与现场调查和实际监测的数值均较为吻合。因此,采用“盲沟盲管+截排水沟”为主要工程治理措施。     

基于主动加热型分布式温度感测光缆的土体导热系数测量方法

主动加热型分布式温度感测技术（AH-DTS）可通过植入土体中的光缆实现不同层位土体导热系数的分布式连续测量,但AH-DTS光缆导热系数测量方法的准确性和敏感性有待进一步研究。通过室内试验,对比了碳纤维加热感测光缆（CFHC）和铜网加热感测光缆（CMHC）的热响应过程,通过数值模拟验证了光缆结构对导热系数测量结果的影响。研究结果表明：（1）CFHC和CMHC的热响应过程可通过微分法分为光缆内部传热、纤-土过渡以及土体稳定传热3个阶段,光缆结构差异导致传热速率不同,使得CFHC导热系数测量初始时刻比CMHC提前100 s;(2)光缆尺寸与比热容差异下CFHC的升温值更高,相同测温精度CFHC的导热系数测量结果较CMHC更加稳定准确;（3）增大加热功率或延长加热时间均会提高CFHC和CMHC测量土体导热系数的准确性。研究成果为该技术的进一步完善和推广提供了重要依据。     

邯郸东部工程地质特征及地基处理方案研究

在工程实践基础上,对邯郸东部地基处理方法的设计,施工工艺、质量控制及施工效果进行了分析和比较,在经济技术分析和环保分析基础上,确定了本区地基处理方案的选择原则。提出了当设计地基承载力特征值大于或等于200kPa时,应采用CFG桩法进行地基处理;当设计地基承载力特征值小于200kPa时,东区应采用水泥土搅拌桩（干法）复合地基,西区应采用夯实水泥土桩法复合地基或水泥土搅拌桩（湿法）复合地基,北区和南区应采用水泥土搅拌桩复合地基。     

用相对电阻率确定机井出水量

用四极对称电阻车测深法与新技术方法“五极垂向电位测深法”测得地下相同深度的视电阻率差值,即相对视电阻率差,在数值上恰好等于砂层出水率（m3／h·m·m）,进而可计算出机井出水量（m3／h）。解决了以往“电测找水”只能测定地下水水质而不能确定砂层出水量这一长期未解决的课题。     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅（简称FBG）变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明：FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。     

基于主动加热光纤法的土中含水率测定与蒸腾分割模型评价

植物的蒸腾作用会改变土的基质吸力,进而影响土的力学性质。文章选用三种不同蒸腾速率的鸭脚木、绿萝和常青藤,利用主动加热光纤法(AHFO)对植物根系周围土的含水率进行了分布式测试,研究了植物蒸腾过程中的水力作用,评价了常用的描述植物与土的水力交互作用的蒸腾分割模型。试验结果表明:植物对土中含水率的影响可用蒸腾分割模型进行有效描述,含水率变化受植物叶面积、根系密度、土层深度和蒸腾时间的影响;绿萝与鸭脚木叶面积指数和根系密度相近,二者引起根部周围土中的含水率变化值相近,为0.075 m3/m3,常青藤的叶面积指数和根系密度远远大于绿萝与鸭脚木。因此,常青藤引起的根部周围土中的含水率变化值远大于其他两种植物,为0.125 m3/m3;植物对土中水分运移的影响主要在土的表层10～15 cm深度范围内,深部位置的水分场几乎不受植物的影响;湿润后,植物对土中含水率的影响以干燥初期最为显著,主要由植物的被动吸水作用引起。     

高寒矿区排土场边坡土体抗剪强度特征

为研究高寒矿区排土场边坡草本植物根-土复合体抗剪强度特征及其影响因素,以青藏高原东北部天骏木里煤田江仓矿区排土场为研究区,对组合种植垂穗披碱草（Elymus nutans Griseb.）和冷地早熟禾（Poa crymophila Keng）的排土场边坡,测得边坡地表以下不同深度根-土复合体密度、含水率和含根量等指标,通过室内直剪试验获得素土和复合体黏聚力c和内摩擦角φ;采用灰色关联法得到密度、含水率和含根量与抗剪强度指标c和φ间的关联度。试验结果表明:排土场边坡相同取样点位置和层位,根-土复合体密度和含水率均小于素土,且第二层（地表以下10~20 cm）根-土复合体含根量显著小于第一层（地表以下0~10 cm）,第二层含根量较第一层平均降低幅度为31.66%;此外,根-土复合体c值较素土大,第一层和第二层根-土复合体c值较素土其平均增加幅度为32.69%、13.42%,两者的φ值则未表现出显著性变化规律;根-土复合体抗剪强度指标c和φ与密度关联度相对较高,与含水率关联度次之,与含根量关联度相对较小。研究结果对高寒矿区采用种植植物方式开展排土场边坡生态恢复,科学有效地防治坡面水土流失、浅层滑坡等地质灾害,具有一定的理论研究价值和实际指导意义。      

安哥拉Quelo砂场地非饱和渗流试验与计算

在安哥拉某Quelo砂土场地开展了现场试坑浸水试验,实测了水在地基土中的渗透和消散过程;通过室内测试得到砂土的主要物理参数,采用改进的Kovács粒径方法估计土-水特征曲线,Van Genuchen模型估算渗透系数曲线,数值模拟了与现场试验情况相同的水渗透和消散过程;对比了实测结果和数值计算结果的异同。研究结果表明浸水条件下自由水面之下的砂土远未达到完全饱和,数值计算结果虽能较好反映浸水渗透的宏观规律以及停水后水的消散过程,但要较准确预测水的浸润范围,需要建立经验的“饱和体积含水率”取值方法,本砂土场地“饱和体积含水率”取对应饱和度65%的体积含水率较为适宜。     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

微波炉法测定遗址土含水率的可靠性研究

古代土遗址病害发展与土的含水率变化密切相关,但土遗址保护现场快速准确测定土的含水率不是一件容易的事。选择遗址土、含盐土、黄土等进行对比试验,研究分析微波炉烘干法（简称微波炉法）测遗址土含水率结果的可靠性。在测定试验土样界限含水率和易溶盐含量的基础上,对比分析微波炉法、烘箱法两种方法测定土含水率的误差来源。试验结果表明,土的塑性对微波炉法的测定有一定影响,但测定误差均在2%以内;土的含盐量影响水分的蒸发速度,不影响微波炉法的测定结果;微波法测定遗址土含水率准确,且具有快速、便捷等优势,值得在土遗址保护工程中推广使用。     

利用土中水分蒸发特性和微观孔隙分布规律确定SWCC残余含水率

残余含水率在非饱和土渗流理论、强度理论等方面都是重要的参数,然而土-水特征曲线（SWCC）试验测量时一般难以达到残余阶段,常常通过经验法（包括模型拟合法）估算残余含水率,方法的适用性值得论证。以武汉黏性土为研究对象,制备不同初始孔隙比试样,利用压力板仪测量SWCC,通过模型拟合的方法计算残余含水率;进行自然状态下水分蒸发试验,根据失水速率定义了临残时间,依据临残时间确定残余含水率;利用核磁共振技术研究微观孔隙分布特性,解释控制残余含水率大小的微观规律。研究结果表明：模型拟合的方法可估算残余含水率,但准确性与模型选择及残余含水率初步范围的限定直接相关;水分蒸发试验是确定残余含水率有效可行的直接方法;武汉黏性土微观孔隙呈三峰分布,残余含水率与第1峰之前的微观孔隙水分紧密相关,依据弛豫时间小于0.267 38 ms的T2谱面积可较为准确地预测残余含水率,对于其他土体该方法需要进一步论证与完善。     

击实黄土孔隙结构对土水特征的影响分析

土水特征曲线是非饱和土的基本土物理-力学关系,即将含水率这一物理参数转化为土粒间力的作用,土水特征曲线受土的结构控制。为了探讨击实黄土孔隙结构对土水特征曲线的影响,本文在3种不同的初始含水率（小于最优含水率8%、最优含水率17%和大于最优含水率19%）下制备不同结构的击实黄土试样,分别用压汞试验测其孔隙分布曲线,用滤纸法测其土水特征曲线,并用扫面电镜获得其微观结构图像。对以上测试结果的分析表明,3种击实土样的孔隙分布曲线在相应的大孔径范围内相差较大,在小孔径范围内趋于一致;土水特征曲线在低吸力区差异较大,小于最优含水率的击实黄土土水特征曲线最陡;在高吸力区,3种击实土样的土水特征曲线趋于一致,这与孔隙分布特征一致。对比孔隙密度分布曲线与土水特征区曲线发现,土的土水特征受孔隙分布的控制,孔隙密度越大,土水特征曲线的斜率越陡。SEM图像也显示出3种击实土样的结构特点,小于最优含水率的土样有较多架空孔隙,优势孔径最大;高于最优含水率的土样,大孔隙减少,小孔隙增多,优势孔径最小。而最优含水率的击实黄土的孔隙分布较均匀,优势孔径覆盖范围大。