风积砂毛细现象的试验研究

为了研究颗粒配比对风积砂中毛细现象的影响,本文通过9种不同颗粒配比的风积砂进行室内竖管法毛细水上升高度试验,得出了如下结论:(1)在单一砂样试验中,粗砂(粒径0.5～2 mm)、中砂(粒径0.25～0.5mm)、细砂(粒径0.075～0.25 mm)、粉土(粒径<0.075 mm)的最大毛细水上升高度分别为7.5 cm、16.0 cm、30.5cm、98.0 cm;(2)在混合砂样试验中,中砂和粉土以9:1、8:2、7:3、1:1混合,最大毛细水上升高度分别为32.0 cm、51.0 cm、71.0 cm、73.0 cm。揭示了风积砂平均粒径越小,最大毛细水上升高度越高,并建立了风积砂毛细水上升高度h(cm)-时间t(min)lnh=a(lnt)2+b(lnt)+c形式的预测模型,其中a、b、c是与风积砂物理性质有关的物理量,为生态保护及工程应用提供参考依据。     

半干旱地区地表-地下水系统水热运移与裸土蒸发研究

地表-地下水系统水、热迁移转化与裸土蒸发机理研究对于水量平衡以及地表能量转化具有重要意义。以鄂尔多斯盆地风沙滩地区为研究区,基于原位蒸渗仪长期观测,结合数值模拟,选择2种地下水位初始埋深分别为80 cm（浅埋深）和290 cm（深埋深）的情景,研究了变饱和带水热迁移转化的动力学过程以及对裸土蒸发的影响。结果表明:变饱和带土壤水的运动规律受水头梯度和温度梯度的共同驱动,且在不同水位埋深条件下呈现不同的运动方式;浅埋深条件下,受水头梯度的作用,土壤的毛细上升高度能够到达地表,蒸发条件下土壤水在毛细力驱动下向上运移,土壤内部不存在零通量面,温度对水分运动的影响较小,发现当地下水位埋深小于毛细上升高度时,地下水在毛细力作用下直接贡献土壤蒸发;深埋深条件下,水头和温度是土壤水运动过程的关键因素,位于地表以下18 cm以浅土壤内部出现孤立的零通量面,阻止了土壤水的向上运移,导致蒸发量减小。当地下水位埋深大于毛细上升高度的1.6倍时,地下水不再直接参与土壤蒸发,但会间接地影响包气带的水分转化;因此模拟期间浅埋深的裸土累积蒸发量约为深埋深累积蒸发量的4倍。     

考虑孔隙水微观赋存形态的非饱和粉土有效应力方程及其验证

有效应力参数的合理确定是非饱和土有效应力研究的重要内容。然而,现有的有效应力参数未能较好地考虑孔隙水的微观赋存形态对有效应力的影响。为此,分析了孔隙水的微观赋存形态,明确了孔隙水可分为收缩膜、吸附水和毛细水,建立了非饱和粉土的扩展三相孔隙介质模型,即孔隙气、毛细水和广义土骨架。基于该模型,采用分相平衡分析法,推导了非饱...     

基于蒸渗仪和解析法估算毛乌素沙地潜水蒸发量

地下水蒸发是旱区地下水均衡计算中重要的排泄项之一。由于包气带水分运移高度非线性且大气—地表界面动力学过程复杂,估算潜水蒸发量一直是地下水资源评价的难题之一。利用内蒙古乌审旗河南乡均衡试验场E601型蒸渗仪,建立了毛乌素沙地水面蒸发及4种典型岩性（风化砂岩K₁、萨拉乌苏组砂Qpal+l、砂质壤土Qhl、风积沙Qheol）的饱和土蒸发原位试验,结合长期观测获取的大量数据,开展了地下水蒸发与水面蒸发、埋深的关系和地下水蒸发量计算方法研究。结果表明:（1）4种典型岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）饱和蒸发量与水面蒸发量比值分别为0.60,0.77,0.47,0.88,表明不同岩性的饱和裸土的蒸发强度不等于自由水面的蒸发强度;实际计算裸土蒸发强度时,不能以自由水面蒸发强度作为参考点,如果运用,必须校正。（2）利用蒸渗仪观测数据和土壤水运动方程稳态解析解,获得4种典型岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）潜水稳定蒸发计算的关键经验系数c,分别为628932.63,165058.71,48948.21,1525104.031 m?2。（3）利用稳定蒸发公式确定鄂尔多斯盆地风沙滩区四种典型包气带岩性（风化砂岩、萨拉乌苏组砂、砂质壤土、风积沙）潜水极限蒸发深度约为60 cm,结果得到了室内非稳态蒸发试验的佐证,为研究区水资源评价提供了重要的参数依据。     

Effects of initial soil-water conditions on frost heaving characteristics

Frost heavings have been observed on the soils in waterproof basins (four basins denoted by A, B, C and D) at the Tomakomai field site, Hokkaido, Japan. Basins A, B and C were filled with the same silty soil, and Basin D with four layers, namely, pebbles (0–5 cm below the surface), a mixture of pebbles and silty soil (5–20 cm), silty soil (20–60 cm) and sand (60–160 cm). In the winter of 1976–1977 water levels in the basins were set at the levels of the ground surface in A, 40 cm below the surface in B, the bottom in C and 30 cm below the surface in D. Basin C had no free groundwater. The highest surface heave was 32 cm in A, 26 cm in B, 19 cm in C and 14 cm in D. A water supply from the free groundwater toward the freezing front extended over 220 cm through the silty soil, but was limited to 63 cm through the sand. The migration speeds of the soil water supplied from the unfrozen part were calculated for A, B and C from the measurements of their volumetric water-content profiles.     

层状土壤上升毛管水运移特性试验研究

通过室内土柱模拟试验,进行了层状土与均质土的对比试验,对层状土壤毛管水运动特性进行了研究,分析了层状土壤毛管水上升高度、速率及地下水补给量与时间的关系,并研究了毛管水上升高度与地下水补给量之间的关系。结果表明,砂层对毛管水上升的高度、速率以及地下水补给量有明显影响,砂层对于水分有着明显的阻滞作用。     

新疆乌拉泊水均衡试验场凝结水对地下水补给的观测研究

通过1989~1995年新疆乌拉泊水均衡试验场潜水埋深4m处包气带凝结水对地下水补给的观测:卵砾石2.58mm/a、细砾3.15mm/a、中砂9.90mm/a、细砂35..87mm/a、粉土10.04mm/a。最有利于包气带凝结水形成的时间是每年的4~9月;包气带凝结水量的大小与土体颗粒相对比表面积和渗透系数相关,推测粉砂的凝结水量约为20mm/a,粘性土小于10mm/a;凝结水对地下水补给的最大量约为50mm/a。综合气候和水文地质条件分析,认为本试验研究成果在我国西北干旱区具有代表性,估算西北地区凝结水对地下水的总补给量大于3×1010m3/a,可能大于平原降水入渗量,在某些区域可能是最主要的地下水补给源。     

基于地中渗透仪的入渗补给方式分析

文章通过在某均衡试验场地中的渗透仪上开展土壤水流穿透试验,分析灌溉水对地下水补给方式。试验结果表明:淹灌条件下,粉细砂扰动土中的穿透曲线为典型的单峰对称型,表明粉细砂中的土壤水通过活塞式入渗补给地下水;而亚粘土中的穿透曲线显示多峰、优先穿透、拖尾等现象,表明亚粘土中的土壤水以优势流方式补给地下水。通过对均衡场降水入渗补给的长观资料分析发现:在自然降雨条件下亚粘土中优势流明显,粉细砂中主要以活塞流为主。     

土层结构对非饱和毛细水盐运移的影响

层状土层之间孔隙结构和水力学性质的不连续性对土体水盐运移有显著影响。基于现场调查,设计了两种不同粒径土层二元结构组合(黄土-砂质粉土和黄土-粉质黏土)的室内土柱试验,通过模型试验讨论了不同地下水补给条件下土层结构对毛细水分布和盐分累积的影响。试验结果表明:在毛细水补给条件下,黄土-砂质粉土构成的上细下粗型土层结构有利于毛细水盐运移,经过60 d蒸发后,其表层SO_4~(2-)含量是上粗下细型土柱的两倍。在无毛细水补给条件下,砂质粉土层中水盐向上迁移总量和迁移速率大于粉质黏土层,最终上细下粗型土柱中上覆土层各层位离子含量均大于上粗下细型土柱。研究结果为层状土区盐渍土病害的防治提供了试验参考。     

层状土重力释水机制初步探讨

地下水位下降时,土体中粗细不等的孔隙通道释水不同步而在细孔隙中形成悬挂毛细水,这是重力疏干释水减量与滞后的一个重要原因。文中用模型解释了孔隙通道大小愈悬殊,水位降速愈大,均质土给水度愈小,释水愈滞后的原因。分析了层状土中给水度与水位变动带及毛细水带的岩性,厚度及其配置情况,以及水位下降速率的关系。     

细粒对砂土持水能力影响的试验研究

利用压力板仪,进行了不同细粒含量非饱和砂土的持水特征试验,分析砂土土-水特征曲线的特征,探讨细粒对砂土持水能力的影响。结果表明,细粒的增加提高了砂土的持水能力,不同吸力阶段细粒对持水能力的影响程度不同;基质吸力超过进气值后,细粒增加明显增强砂土持水能力。应用数学模型 描述不同细粒含量砂土的土-水特征曲线,分析了细粒含量对数学模型参数的影响,给出了细粒、基质吸力和含水率的函数关系为 。     

粉性土毛管水的力学和工程特性

阐述了毛管水对土体强度、变形和渗流的影响。粉性土既有较高的毛管水头,又有一定的渗透性,水压传递快;毛管水对此类土的地基、基坑和堤坝等工程有明显的影响。研究的主要成果有：①根据试样浸水与否的无侧限抗压强度比较试验及理论分析,证明毛管水张力增高了土体强度,强度增高的数值,试验结果和理论分析相符;②计算分析雨季粉性土地表层毛管水张力消失和土体膨胀的过程;③借砂模试验和电拟试验,分析了毛管水对堤坝渗流流态的影响,毛管水增高了渗流量和出逸点高度;④提出了砂土和粉性土毛管水头hc和渗透系数k新的经验计算式。研究成果可应用于粉性土地基、基坑和堤坝等工程。     

基于土柱排水实验探讨潜水含水层给水度的影响因素

给水度是重要的水文地质参数之一,为探讨潜水含水层给水度的影响因素,设计均质粗砂、均质细砂、上细下粗、上粗下细4种土柱的排水实验,按照一定间距分段降低地下水位,每段降深设计不同排水时间,求取不同水位埋深的给水度.当地下水位埋深小于支持毛细水高度,给水度受地下水位埋深影响显著,其关系可以用非线性函数来表示.排水时间越长,给水度越大,当土柱分段排水时间超过1 h,给水度值稳定.0.6~0.9 mm粒径的粗砂给水度大于0.2~0.4 mm的细砂;当地下水位在土层分界面下20 cm时,上细下粗土柱给水度显著增大,上粗下细土柱给水度显著减小.给水度的大小与地下水位埋深、排水时间、岩土颗粒和潜水面附近及之上非均质结构等因素有关.      

饱和度-压力曲线法预测柴油在毛细带中形成的透镜体厚度

轻非水相液体（LNAPL）进入到地下环境中,首先在非饱和带进行垂向迁移,到达毛细带后在地下水面以上形成饱和透镜体。准确预测LNAPL渗漏在毛细带形成的透镜体厚度,对于LNAPL的去除及污染含水层的修复具有重要的指导意义。通过模拟实验测定了水-油两相吸湿及脱湿曲线,采用水-油饱和度-压力曲线拟合出了吸湿及脱湿进入压力。根据透镜体达到稳定状态时脱湿、吸湿压力水头之间的关系,建立了透镜体厚度的预测计算方法,并以中砂和粗砂为例,预测出实验条件下柴油在毛细带形成透镜体稳定时的厚度分别为4.61 cm和1.29 cm。通过室内模拟槽实验,测得柴油在中砂和粗砂中迁移时形成的透镜体厚度分别为5.30 cm和1.50 cm。预测与实验结果的相对误差分别为13.0%和14.0%。误差产生的主要原因为脱湿与吸湿曲线是在非干燥情况下测得,从而导致预测的透镜体厚度偏小。     

基于应力修正的土体抗剪强度影响因素分析

为探究地基土体在附加应力作用下抗剪强度的变化规律,对传统剪切试验方法进行了改进。通过气压式全自动固结仪预先对试样施加多组精确的附加应力（超出原状土体上覆土重的荷载）后进行快剪试验,以淤泥质粉质黏土与粉土夹粉砂两类土体为研究对象,分析结构与状态的变化对抗剪强度指标值的影响;从受剪土体与剪切盒各层面受力与沉降关系出发,融入剪切面积动态表达式,推导出剪切正应力的修正公式,代入试验计算抗剪强度参数值。结果表明:两类土体受附加应力的影响存在明显的差异,淤泥质粉质黏土以黏聚力变化为主,粉土夹粉砂则体现在内摩擦角上;含水量及孔隙比的改变与土体抗剪强度参数值的变化之间存在反相关关系。     

水位波动下路基湿度动态响应及地下防排水模型试验研究

设计加工了室内路基防排水模型试验系统,进行了地下水位波动影响下的路基水分迁移及地下防排水的室内试验研究。通过改变地下水位高度,研究了无任何隔水措施、加入普通砂垫层及新型防排水材料作为地下防排水基层工况下路基湿度的动态响应,评价了公路路基地下防排水基层的防排水效果。试验结果表明,在地下水位的波动影响下,近地下水位的路基湿度不仅随着地下水位的变化作相应的变化,上部土体湿度因毛细作用的存在也有较大幅度的增加,当地下水位较低时,砂垫层起到了较好的防排水效果;而当地下水位较高时,砂垫层内部的毛细水上升高度大于砂垫层的高度,路基湿度产生较大变化;新型的防排水材料能有效阻止毛细水进入路基内部,具有较好的防排水效果。     

基于接力排水的强夯法在滨海回填区地基处理中的试验研究

本文对山东半岛海岸带滨海杂填土、饱和粉细砂、淤泥质土等特殊复杂地层地基处理方法进行了研究。以经济高效的强夯法为基础,提出复杂地层整体排水概念,设计了浅层、深层竖向排水和水平排水的接力排水系统,并进行了现场试验研究。监测数据表明,强夯荷载作用下,接力排水系统整体协同排水,可快速排出各个地层中地下水、消散超孔隙水压力。7 h左右可基本消除强夯引起的地下水上升及孔隙水压力消散。持续降水,地表沉降为上部土体厚度的0.7%～2.0%。强夯动力荷载作用下,表层土体压缩为上部土体厚度的8.7%～10.9%。埋深3～7 m土体沉降约为土体厚度的5‰、3‰,埋深7～10 m土体沉降为土体厚度的2‰。检测数据表明,在强夯有效影响深度内地基处理效果明显,土体工程性状改善明显。表层承载力及变形模量满足设计要求,4 m以下淤泥承载力平均值略低于设计要求,下部淤泥质土计算平均固结度为77%。夯后1个月监测数据表明,地表沉降量在25 mm以内,已逐步趋于稳定,分层沉降、孔隙水压力数值整体稳定略有下降。     

Performances of two instrumented laboratory models for the study of rainfall infiltration into unsaturated soils

Rainfall infiltration and suction variation in unsaturated soils must be taken into consideration in the analysis of most slope stability problems, particularly in the tropical regions where the annual precipitation is high. The process of rainfall infiltration into unsaturated soils is an extremely complex problem attributed to the non-linearity of the hydraulic property functions of the unsaturated soils. This paper describes in detail two instrumented laboratory models, i.e. one-dimensional soil column, and two-dimensional slope model used to provide experimental evidences for the transient suction variations in the unsaturated soils under certain rainfall conditions. The performances of the laboratory models were tested on four typical types of residual soils, i.e. sand-gravel, silty gravel, sandy silt, and silt (kaolin), and a two-layered soil system, i.e. sandy silt underlain by silty gravel. The results showed that the suction distributions for the single-layered homogeneous soils obtained from the simpler one-dimensional soil column were almost identical to that of two-dimensional slope model. However, the two-dimensional slope model should be employed for the two-layered soil system because of the dominant effect of the lateral flow mechanism. The capillary barrier effect was observed when a less permeable soil layer was underlain by a more permeable soil layer. The minimum suction value in soil is governed by the rainfall intensity, rainfall duration, and the saturated permeability of soil. The infiltration rate of the fine-grained soils that subjected to shrink and crack was independent of the soil permeability, but was significantly governed by the preferential flows developed in the soils.     

滨海盐碱地区包气带中淡水透镜体维持机理

大气降水是滨海盐碱地区浅层地下水的重要补给来源。滨海地区浅层地下水多为咸水且埋藏较浅,在不同包气带岩性渗透性差异下,在大气降水入渗补给过程中,一定时间内潜水面以上一定范围内存在淡水分布,即淡水透镜体,它能局部隔离地下咸水对上层土壤和植物的危害,并在一定程度上供给植物吸收利用。采用自制的室内物理模拟装置,通过控制土层结构,模拟了大气降水入渗补给条件下包气带中淡水透镜体的形成与消退过程,探讨了不同土壤类型中淡水透镜体的维持情况;并利用吸水管模拟客土上所种植物根系吸水,研究了不同吸水量条件下土壤中淡水透镜体的变化规律。结果表明:上层中砂、底层粉砂质黏土的双层土体结构中,淡水透镜体的维持性最好,在降水入渗补给条件下,透镜体形成时间在1500 min左右可达最大厚度(约15 cm),若补给源消失,透镜体完全消退需7500 min,能较长时间地阻隔地下咸水;双层土中模拟形成的稳定淡水透镜体在无补给条件下,能够隔离地下咸水的同时亦能为上层植物提供243.5 mL淡水资源。