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。     

非饱和土毛细滞回内变量模型的修正

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间关系。在反复干湿循环路径下土-水特征曲线呈现出毛细滞回特性。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了能模拟在任意干湿循环路径下土-水特征关系的修正模型。该模型比原模型增加了一个可逆参数,考虑了含水率的可逆变化,使扫描线在靠近边界线的时候斜率不会无限大,同时保留了原模型精度。通过与文献中的试验结果进行比较,修正模型可以更好地模拟非饱和土的土-水特征关系的循环滞回特性,并讨论了可逆参数的确定方法。     

不同影响因素下非饱和红土土-水特征曲线的试验研究

以江西典型的红土为研究对象,利用GEO-Experts压力板仪进行不同影响因素下红土的土-水特征曲线试验研究。研究内容包括不同粒径、不同干密度、不同含水率、不同预固结压力、脱湿和吸湿循环以及反复脱湿和吸湿循环对土-水特征曲线的影响;通过三种常用的SWCC模型(Brooks和Corey模型、van Genuchten模型及Fredlund和Xing模型)对试验数据进行拟合和分析,找出适合江西典型红土的土-水特征曲线方程,并提出了模型中参数的取值范围;本文还提出了土-水特征曲线的双曲线模型,该模型对计算残余含水率非常方便,参数变化范围小,容易选取。     

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。     

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。     

非饱和土土-水特征曲线的温度效应

基于热力学的理论,利用van Genuchten的土-水特征曲线表达式,建立了一种能考虑温度影响的土-水特征曲线方程,并给出了推导过程。该表达式综合考虑了温度对表面张力和浸润系数的影响。相对于根据试验数据拟合的表达式,该表达式具有更加坚实的理论基础,更具适用性和一般性。选用MX-80斑脱土和黄土土样的试验结果,将该方程预测结果和试验结果进行了比较;可以看到,所提出的方程能较好地反映非饱和土土-水特征曲线随温度而变化的情况。     

单向冻结条件下非饱和土水分迁移规律研究北大核心CSCD

为了揭示路基冻结过程中地下水和土性对水分迁移规律的影响,针对开放体系和封闭体系的粉质黏土和砂土进行了单向冻结条件下的水分迁移试验。通过土柱上层位置设置碎石层,阻断液态水迁移路径,监测冻结过程中土柱的水热变化,结合土柱冻结深度、冻结速率曲线、含水率分布曲线和补水时程曲线,分析仅水汽补给时对土柱顶部水分聚集和冻结特征的影响。试验结果发现,无论是封闭体系还是开放体系,粉质黏土和砂土土柱都会在冻结区中形成两处水分聚集区:第一水分聚集区为控温板底部,以霜的形式聚集,主要是由土柱顶部土体的水汽迁移并凝华相变形成;第二水分聚集区为冻结区中液态水和气态水共同迁移形成,随着冻结锋面的向下推移,形成不连通孔隙的界面,液态水向0℃冰锋线迁移聚集并相变成冰,水汽迁移路径受阻而凝华成冰,致使该处含水率显著增加。相较于封闭体系,开放体系使两处水分聚集区产生更大的水分增量。相比于粉质黏土,砂土介质孔隙较大,在试验时间内水汽补给对水分聚集区的影响更明显,但由于砂土持水能力减弱,水汽补给速率随时间逐渐减小。     

基于滤纸法的非饱和渗透性曲线测试

渗透性曲线是反映非饱和土中水分运移的重要参数，瞬态剖面法是测定渗透性曲线的常用方法。将滤纸法应用于传统的瞬态剖面法，设计了一种土柱装置，用于测定土体的渗透性曲线。该装置包括上部能够持续给水的供水系统及下部由带环刀的土样与滤纸叠置而成的土柱。在水分下渗过程中，定期测量土样与滤纸的质量以获得土柱的含水率剖面与水头剖面，根据所测数据计算得到土?水特征曲线和渗透性曲线。用此方法测得甘肃正宁马兰黄土与第1层古土壤的渗透性曲线和土?水特征曲线，该方法测量的吸力范围大，为1～105 kPa，渗透系数范围在10?5～10?13 m/s。用常见的统计预测模型预测了土体的渗透性曲线，并与实测曲线对比发现小吸力范围预测值与实测值相符，大吸力范围预测值偏差较大。     

考虑物理性质参数变化的膨润土缓冲材料水-热耦合SPH数值解

为了研究热源温度和外界水压对缓冲层中水-热迁移规律的影响,以GMZ膨润土为例,从基于势能的非饱和土的水-热迁移控制方程出发,考虑了蒸发效应的影响,得到了水-热耦合的方程组,采用改进的光滑粒子流体动力学(SPH)算法,能够对每一处土体根据不同时刻的不同状态实时更新计算参数,得到参数变化的水-热耦合解。计算结果表明：土的物理性质参数与土体的温度和饱和度密切相关,是否考虑这些参数的变化会对计算结果产生较大影响;核废料释放的热量能够在较短的时间内扩散到外边界,水分迁移的速度则相对慢很多;缓冲层温度的升高会加快水分的迁移速度,外界水压对温度的分布则影响较小。     

考虑土体孔隙比和比表面积影响的未冻结体积含水率曲线模型

土体未冻结含水率曲线模型描述温度和未冻结含水率之间的关系,该模型对计算冻土强度、变形以及水热迁移具有重要意义。考虑孔隙水毛细和吸附作用,提出了一个新的土体未冻结体积含水率曲线模型。该模型假设在较高温度下(0～-2℃),毛细作用支配土体中孔隙水冻结,该过程中毛细水冻结受孔隙比影响。另一方面,在较低温度下(-2℃),吸附作用在孔隙水冻结中起主导作用,该过程中吸附水冻结受比表面积影响。结合文献中已有土体未冻结体积含水率曲线的测试数据(包括不同土体孔隙比、比表面积以及广温度范围),对模型进行验证。同时将所提模型与文献中3种常见模型计算结果进行对比,讨论新模型的优越性。结果发现,只有新提出的模型可只用一套参数计算不同土体孔隙比的未冻结体积含水率曲线。此外,针对土体在广温度范围条件下的未冻结体积含水率曲线,新提出模型比已有模型有更好的计算结果。     

复杂水力路径下非饱和流动的数值分析

多孔介质中的流动问题,与孔隙介质的特性,含水量状态以及含水量的变化历史密切相关。基于毛细循环滞回理论模型,考虑含水量变化历史对土水特征关系的影响,在开发的U-DYSAC2有限元程序中进行了相应的数值实施。在试验给定的初边值条件下进行了非饱和渗流模拟分析,并将模拟结果与实测数据比较,表明在压力边界条件反复变化下,考虑滞回效应能获得更接近实测的结果,证实该模型在模拟各种循环变化条件下非饱和土渗流初边值问题的适用性与必要性。对入渗重分布反复变化条件下非饱和土柱流动的数值模拟表明,考虑滞回与不考虑滞回条件下,含水量、孔隙水压力和湿峰的迁移的预测在入渗后的重分布过程差异较大。考虑滞回效应时,土柱上部的脱湿速率、下部的吸湿速率比不考虑滞回时要低。从而证实了非饱和多孔介质中的土水状态依赖于含水量变化,而且强烈依赖于土体的水力路径变化。因此,循环边界条件变化下,毛细滞回效应在非饱和渗流模拟中的影响显著,必须加以考虑。     

进气值对毛细滞回内变量模型的影响

土-水特征关系是基质吸力和含水率之间的关系。进气值对起点在高饱和度区的脱湿扫描线有较大的影响。Wei等[1]提出了毛细滞回内变量模型,可以对扫描线任意滞回情况进行模拟,但该模型没有考虑进气值的影响,对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的模拟与实际情况有一定偏差。基于毛细滞回内变量理论和传统的土-水特征关系经验模型,提出了考虑进气值影响的修正毛细滞回内变量模型。该模型可以考虑进气值对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的影响。通过对多种土样的数值模拟计算显示,修正模型较好地解决了原模型对起点在高饱和度区的脱湿扫描线的模拟不能考虑进气值影响的缺点。     

渗流作用下深埋巷道围岩热交换过程的数值模拟

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律,基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型,结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,渗流改变了围岩初始温度场和温度矢量的对称分布的状态,围岩内部的温度场可划分为向内扩散区和向外扩散区。在围岩与风流的热交换作用下,巷道的壁面温度将接近风流温度,温度矢量零点的范围呈现出逐步增大的趋势。当热交换达到平衡状态时,向内扩散区的温度场呈现为环状对称分布状态;而向外扩散区等温线的形状没有明显的改变,但等温线的分布逐渐稀疏。     

养分含量对土壤冻融特征曲线的影响

土壤冻融特征曲线是反映土壤冻融过程中的水、热、盐迁移规律以及冻土强度、冻土的热性质的重要参数. 为了研究土壤冻融过程中土壤养分的迁移规律, 采用核磁共振法对加入不同浓度的硫酸铵溶液、磷酸二氢钾溶液和氯化钾溶液的土样的冻融特征曲线进行了测定和分析. 结果表明磷酸二氢钾溶液对土壤的冻融特征曲线影响不明显, 氯化钾溶液的影响最明显, 硫酸铵溶液的影响次之. 加入氯化钾溶液的部分试样, 以及加入硫酸铵溶液的部分试样的冻融特征曲线出现了二次突变点. 滞后现象普遍存在于各个试样的冻融特征曲线中, 滞后明显区间所处的温度范围随所加入的溶液浓度的增高而降低. 当加入试样的溶液浓度相同时, 加入氯化钾溶液的滞后明显区间所处的温度范围最低, 加入硫酸铵溶液的次之, 加入磷酸二氢钾溶液的最高.     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。     

基于修正阻尼的土体非线性模型及其在Abaqus中的实现

地震等随机循环荷载作用时,常需定义较为复杂的加卸载准则(如扩展Masing准则)来描述土体应力-应变滞回曲线,导致求解过程中需预留大量的状态变量,不便于编程实现;同时,现有Masing模型及其改进模型大多仅对动剪切模量曲线进行拟合,还鲜有考虑对阻尼比曲线的拟合。针对以上两个问题,构建了基于修正阻尼的不规则加卸载准则。该准则克服了上大圈准则需要记忆所有转向点的问题,只需要记忆当前转向点和历史最值,记忆量大大减小;同时该准则能同时考虑动剪切模量和阻尼比曲线,达到了修正阻尼比的目的。基于Matasovic骨架曲线,结合提出的加卸载准则,提出了土体非线性模型并将其开发于Abaqus软件中,通过求解Mississippi湾场地地震反应,并与Deepsoil软件和Davidenkov-Chen-Zhao(DCZ)模型计算得到的场地地震反应结果进行对比分析,验证了所提不规则加卸载准则的正确性。同时,对日本KiK-net强震台网的KSRH10场地进行了地震反应分析,并与加速度时程记录及其谱加速度进行比较,验证了所提模型的适用性。     

基于热力学并考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线模型

基于热力学内变量理论,提出能综合考虑毛细滞回效应和非饱和土体积变形影响的土-水特征曲线模型。热力学第二定律推导结果表明：毛细滞回现象和塑性变形本质上是一种耗散行为;吸力和饱和度的变化不仅与流相变化直接相关,而且也受到固相体积变化的约束与影响;土-水特征曲线的流相体积变化与固相变形之间存在相互耦合作用。从微观上阐明滞回现象产生的机制以及变形对吸力的影响,建立了考虑体变及滞回效应的土-水特征曲线一般性模型。然后采用边界面塑性理论,在只增加两个新参数的情况下,建立了一个简化的能描述毛细滞回及塑性孔隙比变化影响的新模型。最后,利用已有试验数据对这一模型进行了验证,结果表明,新模型能考虑土体变形的影响,并能较为准确地描述毛细滞回现象,模型预测结果与已有的试验数据吻合较好。     

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。