不同干密度压实黄土的饱和/非饱和渗透系数预测模型

非饱和渗透系数直接测量代价较高,且精度不能完全保证,因此,基于达西定律,建立饱和/非饱和渗透系数的简便实用预测模型具有重要的理论和实践意义。采用自制的非饱和渗透装置测试了不同干密度下延安压实黄土的非饱和渗透系数,并运用核磁共振技术测定了其孔径分布曲线。基于孔隙分布特征将达西定理微分化,建立了孔隙比与饱和/非饱和渗透系数关系模型。研究结果表明：预测模型中的参数（D和B）可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率和截距确定;孔隙比和优势孔径在双对数坐标中具有线性关系,模型参数均可用孔隙比表示;模型预测结果与实测值基本吻合,具有简便、可靠和实用性。     

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。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

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。     

考虑温度效应的延安新区压实黄土全吸力范围持水和渗透特性研究

干旱和半干旱黄土地区的压实土路基、垃圾填埋场黄土盖层等的持水特性和渗透特性均受温度影响。为了探究温度对全吸力范围内压实黄土水力特性的影响规律和内在机制,基于滤纸法和自行研发的小土柱试验装置对不同温度下延安新区压实黄土的土-水特征曲线(SWCC)以及渗透性曲线(HCC)进行测定。结果表明:在黄土SWCC的高吸力段体积含水率随温度升高而减小,低吸力段受温度影响不明显;黄土渗透曲线则是在低吸力段受温度影响显著,温度越高渗透性越强,当土体吸力增大或体积含水率减小至一定值后,温度对土体渗透性的影响可忽略不计。基于此结果,将改进的van Genuchten(VG)模型作为可考虑温度影响的SWCC预测函数,通过拟合实测数据得出温度相关参数并进行验证;对于渗透性曲线,以90 kPa基质吸力为分段点,在低吸力段和高吸力段分别采用统计模型和幂函数进行分段预测,能够得到与实测数据吻合较好的预测结果。     

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。     

原状黄土土水特征滞后性研究

现有的土水特征曲线(SWCC)滞后性的研究多针对重塑土,原状黄土土水特征曲线滞后性特征的研究较少。为研究全吸力范围内原状黄土的滞后特征,以泾阳马兰黄土(L1)和离石黄土(L5)为研究对象,采用压力板仪和滤纸法测定增湿和减湿SWCC,采用压汞法测定孔隙分布特征,X衍射分析矿物成分。结果表明,在压力板仪测试基质吸力范围内(0~600 kPa),滤纸法和压力板仪测定的SWCC具有一致性,且在减湿过程中两种方法的测试结果更为一致。滤纸法测得的全吸力范围(0~30 000 kPa)内,黄土SWCC滞后性存在三段性特征。即在天然含水率(L1 14.2%、L5 17.3%)附近,黄土SWCC几乎无滞后性;含水率高于天然含水率一定范围(L1大于19.2%、L5大于18.3%),存在极为明显的滞后性;低于天然含水率一定范围(L1小于11.2%、L5小于15.4%),存在弱滞后性。天然状态下反复干湿循环,导致黄土SWCC在天然含水率附近无滞后性;黄土限制孔隙对墨水瓶效应的增益作用,导致高含水率下黄土SWCC呈强滞后性;黏土矿物的水合作用,导致低含水率下SWCC呈弱滞后性。     

基于VG模型确定土水特征曲线基本参数

土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1、Sr2(Sr1和Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。     

结构性对膨胀土收缩特性影响的试验研究

膨胀土的收缩性明显,容易引发边坡与地基开裂,但有关结构性对收缩特性影响的认识甚少。采用收缩自动试验装置,在恒湿恒温条件下对原状膨胀土和重塑膨胀土开展了收缩对比试验和扫描电镜（scanning electron microscope,简称SEM）测试分析,结果表明：与原状土相比,重塑土在土中水流动阶段的蒸发速率较小,蒸汽扩散阶段收缩稳定速率较慢,最终体积收缩应变量更大;重塑土体积收缩−含水率关系曲线的线性段较长,斜率较大,直线段与稳定段之间的过渡不明显,而原状土则反之;重塑土和原状土的收缩特征曲线（soil shrinkage characteristic curves,简称SSC）在较高含水率段基本重合,随着含水率下降,重塑土的SSC下降更快,对应的含水率范围更宽,最后进入残余−零收缩阶段时,孔隙比明显较小;Chertkov收缩模型适用于原状膨胀土,但不适用于重塑膨胀土。SEM测试结果表明,原状膨胀土较重塑膨胀土具有更强的原生结构性,初始密度与湿度相同情况下,两者颗粒排列、接触方式、胶结状态、孔隙大小与分布特征等微观结构上差异明显,导致蒸发过程中重塑土的水分迁移速率较小、基质吸力较大,是重塑土收缩更剧烈的内在原因。研究结果可为膨胀土边坡的坡面工程防护设计提供参考依据。     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

考虑初始孔隙比影响的单/双峰土-水特征曲线模型研究

土样内部的孔隙结构可以分为单峰、双峰甚至多峰孔径分布。双峰孔隙结构土体的土-水特征曲线（SWCC）通常为双峰形态。现有的双峰SWCC模型大部分为单峰SWCC模型经过分段或叠加的方式所得,两段SWCC交点处的相关参数往往难以准确确定,而且很少有模型考虑孔隙比对双峰土水特性的影响。首先,详细分析和论述了广吸力范围内不同初始孔隙比土试样单/双峰SWCC的特点。其次,基于上述土水特性的分析,以及吸附水和毛细水两种不同的作用机制,结合开尔文方程推导出指数函数形式的吸附项方程,毛细项方程则以修正的Fredlund和Xing SWCC模型为基础。最后,提出一个考虑初始孔隙比影响的单/双峰SWCC模型,并利用不同类型土单/双峰SWCC的实测数据验证了模型的有效性。     

压实度与制样含水率对压实黄土微结构及水力特性的影响

压实黄土的水力特性受微结构控制,而微结构受制样条件影响。为探究制样条件对压实黄土微结构、饱和渗透系数与土-水特征曲线的影响及机制,对不同制样条件下制备的压实黄土试样开展了压汞试验、变水头渗透试验和土-水特征曲线的测定,获得了它们的孔径分布曲线、饱和渗透系数及其随渗透次数的变化和土-水特征曲线。结果表明：（1）制样含水率通过影响集粒尺寸改变试样中的中孔（2 000 nm 相似文献   

基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性影响试验研究

取陕北地区马兰黄土制成一系列干密度相同而含水率不同的重塑对比试验土样。用体积压力板仪测得土样的土-水特征曲线。利用自制的崩解试验仪器对不同初始基质吸力土样进行试验,得出平均崩解速度与初始基质吸力的关系曲线。试验结果表明,干燥黄土比湿润黄土更易发生崩解破坏,非饱和重塑黄土的初始基质吸力与平均崩解速度存在对数关系。基质吸力对非饱和重塑黄土崩解性的影响主要表现为两个方面：①基质吸力越大,水在土中的渗透速度越快,水快速入渗可提高土体内部孔隙水压力,同时溶解黄土颗粒间胶结物,使土体软化;②水快速占据土体内部孔隙,使土体内部气体以气泡形式挤出形成对外的压力。     

不同沉积环境下马兰黄土孔隙分布与土水特征的模式分析

为研究黄土的孔隙分布(PSD)和土 -水特征曲线(SWCC)与黄土沉积环境的关系,在甘肃榆中县和平镇和正宁县及陕西泾阳县等黄土台塬上部采取原状马兰黄土样,先测定其基本物理指标,再用压汞法测得各土样的PSD曲线,同时用滤纸法测得其SWCC。结果表明:和平镇马兰黄土的PSD曲线为单峰形态,泾阳县马兰黄土的PSD曲线为双峰形态,正宁马兰黄土的PSD曲线具有三峰特点。各土样的SWCC具有与PSD曲线相对应的阶梯状形态。SWCC与PSD曲线之间的对应关系,说明黄土的土水特征受孔隙分布的控制。获取3个原状样扫描电镜图像,微结构显示出这种地域性分异现象。对各采样点的气候环境分析表明,黄土PSD曲线之间的差异主要是由成土作用强弱决定的。将降水量与蒸发量的比值定义为蒸渗系数 (CEI),作为刻画成土作用强弱的指标。发现当CEI≤0.3时,PSD曲线为单峰模式;0.3＜CEI≤0.4时,PSD曲线为双峰模式;0.4＜CEI≤0.5时,PSD曲线为三峰模式,相应的SWCC分别为单拐点、双拐点和三拐点模式。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

失水过程孔隙结构、孔隙比、含水率变化规律

当土体总应力状态保持不变时,基质吸力的提高是导致孔隙水排出、土样收缩、孔隙结构改变的主要原因。对于特定吸力下的土样,其微观孔隙结构决定了土壤孔隙比;而土壤孔隙结构,土壤基质吸力共同决定了土壤的含水率。假定在失水过程中,当孔隙水尚未排出时,其土壤孔隙孔径不会收缩,孔隙体积保持不变。可通过吸力建立起变化的土壤孔隙体积曲线和土-水特征曲线、土壤收缩曲线之间的对应关系：（1）累计孔隙体积曲线的包络线即为实际发生的土水特征曲线;（2）基于累计孔隙体积曲线,能够有效确定土样收缩曲线的上下限范围     

非饱和压实黄土结构特性试验研究

对增（减）湿到相同含水率及相同干密度的不同结构性非饱和压实黄土进行土-水特征曲线试验和三轴剪切试验,研究制样含水率引起的结构变化对非饱和压实黄土基质吸力、应力-应变特征及结构性参数的影响。研究结果表明：制样含水率引起的结构性对非饱和压实黄土的土-水特征曲线有明显的影响,小于塑限时基质吸力随制样含水率的增大而增大,最优制样含水率时非饱和压实黄土具有均匀小孔隙的团粒凝聚结构使其吸力相对最大;应力-应变曲线在最优结构状态时位于坐标最上端,小于最优制样含水率时的结构弱化程度相对较低,其应力-应变曲线逐渐下移,大于最优制样含水率时土样的结构弱化程度较高,其应力-应变曲线位于最下端;定义的结构性参数m?r能够合理反映压实黄土的结构性,弥补了压实土工程中用最优含水率和最大干密度指标无法反映土结构性影响的不足;屈服结构性参数m?r0能够合理反映出不同制样含水率压实黄土的结构弱化程度,结构弱化程度还反映在三轴剪切破坏强度上。     

土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性研究

为探究秦巴山区土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性,分别对不同孔隙比、含石量的土-石混合体开展非饱和入渗试验和压汞试验。试验结果表明：高压实度、低含石量下土-石混合体土-水特性曲线明显高于低压实度、高含石量土-水特性曲线;影响土-石混合体土-水特性的孔隙孔径在小于200μm范围内;含石量较低时,提高压实度造成孔隙向低孔径范围集中,使得土-水特性曲线在该孔径范围变陡;含石量较高时,提高压实度主要压缩大孔径孔隙（d>80μm）,对小孔径孔隙的影响较小,使其土-水特性曲线较为一致。密实度较高时,增加含石量造成土-石混合体的孔隙分布更为均匀,土-水特性曲线由陡峭变为平缓;当密实度较低时,不同含石量下其小孔隙部分结构差异较小,土-水特性曲线较为一致。     

冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试中的应用

冷镜露点技术是一种快速测试非饱和土吸力的间接方法。本文简要介绍了冷镜露点仪的工作原理和试验方法,利用Decagon公司生产的WP4C冷镜露点仪测试非饱和成都黏土压实土样的总吸力,以Van Genuchten模型为基础,结合Origin软件对试验结果进行了曲线拟合,得到成都黏土的SWCC曲线,并给出拟合参数参考值。借助CT-3031型电导率仪测得土样的渗透吸力,由基质吸力等于总吸力减去渗透吸力,间接得到土样的基质吸力-含水率关系曲线。对比滤纸法测试相同土样得到的SWCC曲线,得出相同含水率时冷镜露点技术测得的吸力值低于滤纸法测得的值,和国外文献的相关结论一致,验证了冷镜露点技术测试吸力具有快捷、方便、准确等特点。指出冷镜露点技术在非饱和成都黏土吸力测试应用中是可行的,同时可推广到国内岩土工程相关领域的吸力测试中。