非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究

非饱和土在不同含水率条件下的基质吸力及其抗剪强度对降雨型浅层土质滑坡的防治具有重要意义。以武陵山区湘西北慈利县陈溪峪滑坡为例,选取了滑坡不同位置的多组粉质黏土原状样,首先利用现场双环渗透试验测定其饱和渗透系数,通过室内土-水特征试验获取其水-力相互作用参数,并利用VG模型和Mualem模型分别得到试样的土-水特征(SWCC)曲线和渗透系数函数(HCF)曲线;进而开展非饱和土直剪试验,研究不同含水率条件下滑体粉质黏土的抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同水力路径下,粉质黏土土-水特征曲线和渗透系数函数曲线具有明显滞后效应,干密度越小则滞后效应越明显,基质吸力对体积含水率的敏感性就越小;粉质黏土由饱和状态到非饱和状态,基质吸力增大提高了黏聚力,导致土体抗剪强度不断增大。研究结论可为降雨型浅层土质滑坡的防治提供科学依据。     

不同初始孔隙比下非饱和黏土渗透性试验研究及模型预测

不同初始孔隙比下非饱和土渗透系数的试验测量及预测,是进行非饱和土渗流分析及水-力耦合研究的基础,相关工作具有重要的意义。以湖南邵阳红黏土为例,利用千斤顶制备5种不同初始孔隙密度塑土样;采用压力板仪测量其土-水特征曲线;选用变水头法测量其饱和渗透系数;自制有机玻璃桶试验装置,采用瞬态剖面法进行非饱和渗透试验,测量不同初始孔隙比土样的非饱和渗透系数。选用CCG(Childs和Collis-George)修正模型和陶-孔模型预测非饱和渗透系数,并与实测值进行比较,验证模型有效性。以上述试验及模型预测的成果为基础,研究初始孔隙比对非饱和(相对)渗透系数的影响规律。研究结果表明:湖南非饱和黏性土渗透系数随基质吸力增加而降低,在低基质吸力阶段(100 k Pa以内)变化较为剧烈,在高基质吸力阶段(100 kPa以上)变化较为缓慢;CCG模型预测误差较大,陶-孔模型预测值与实测值总体吻合较好;进气值之后,初始孔隙比对非饱和渗透系数的影响较小,对非饱和相对渗透系数的影响较大,相同基质吸力条件下初始孔隙比越小,相对渗透系数越大。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

非饱和重塑黏土渗透性试验研究

工程中常常遇到非饱和土渗流问题,其渗透性是非饱和土的重要研究内容。采用常规压力板仪详细研究了重塑黏土在3种不同击实功和5种不同击实含水率下的土-水特征曲线,并用变水头法测量了相应的饱和土渗透系数。结合土水曲线和饱和渗透系数,基于Van Genuchten模型和Fredlund模型,详细探讨了重塑非饱和重塑黏土在不同击实条件下的渗透性。结果表明,土样饱和渗透系数随着击实含水率的增大而减小,且随着基质吸力的增大土样渗透性差别逐渐减小。当试样吸力达到1 MPa时,可认为不同击实含水率下试样的渗透性基本相同;在轻型击实和简化轻型击实下,试样渗透性很相似。重型击实功下试样的渗透系数和轻型击实下土样渗透系数的比值 随着吸力的增大而逐渐增大,在饱和状态时比值约为1/100,当吸力达到1 MPa时比值逐渐稳定在1/10右。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法

高放核废料地下处置、城市供热管道及埋地高压电缆等工程建设的进行,使得考虑温度影响的非饱和土渗透性能越来越受到人们的重视。在考虑温度效应的非饱和土土-水特征曲线研究基础上,结合利用土-水特征曲线预测非饱和土相对渗透系数的方法,建立了一种预测不同温度下非饱和土相对渗透系数的间接方法。所建立的表达式是针对土-水特征曲线的整个吸力范围,从而使得其在应用上更具一般意义。利用MX-80班脱土和黄土土样的试验结果,对不同温度下相对渗透系数随吸力的变化进行了预测,得到了令人满意的结果     

泄滩滑坡碎块石土饱和与非饱和水力学参数的现场试验研究

碎块石土由于块石含量较高,块石粒径较大,其水力学参数的确定具有一定困难。首先,采用双套环法对三峡库区泄滩滑坡的滑体碎块石土饱和渗透系数进行了原位试验,并根据土层孔隙率、颗粒级配等因素采用相关经验公式对试验结果进行了分析。其次,结合使用张力计和体积含水率仪对其土水特征曲线进行了现场模拟试验,并采用Fredlund模型对试验结果进行了拟合分析。最后,根据土水特征曲线和饱和渗透系数,采用经验公式估算了其非饱和渗透系数。试验及分析表明,该滑坡的碎块石土层的饱和渗透系数为(1.78～3.2)×10-2 cm/s,为强渗透性;材料的细颗粒含量越少,有效粒径及控制粒径越大,不均匀系数越小,相应的渗透系数越大。相关研究成果可以为泄滩滑坡非饱和非稳定渗透计算提供参数依据,并对同类型土体非饱和水力学参数的确定具有一定的借鉴意义。     

脱湿条件下黏性土吸力强度演化规律及其微观机理

含水率的增减变化是非饱和土强度改变的关键因素。开展室内脱湿条件下压试样的直剪试验结果表明,在土样脱湿条件下土体抗剪强度特性变化显著,低含水率下非饱和黏性土抗剪强度变化有明显峰值,展示应变软化特性,高含水率下展示应变强化特性。通过联系土–水特征关系(SWCC)及吸应力特征关系(SSCC)曲线建立的非饱和土抗剪强度模型,能够预测含水率变化下非饱和土的抗剪强度演化。基于实测数据开展的模型验证结果表明,所建模型利用测定的土–水特性和饱和土的抗剪强度参数,能够准确地确定脱湿过程中非饱和土的吸力强度,该模型的应用将极大地简化试验和节约测试时间。采用核磁共振(NMR)技术对脱湿过程中的剪切样开展了孔隙水分布的测试,从微观上解释了非饱和黏土抗剪强度随含水率改变的演化机理。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

Analyses on a high leachate mound in a landfill of municipal solid waste in China

The leachate levels in the landfills in southern China are generally high. Field monitoring was carried out in the Suzhou landfill to investigate the leachate mound. The saturated hydraulic conductivity and soil–water characteristic curve (SWCC) of municipal solid waste were measured using samples taken from different depths of the landfill. Field monitoring reveals that a perched leachate mound and a substantial main leachate mound existed in the landfill. The saturated hydraulic conductivities of wastes in shallow, middle and deep depth were measured to be 4.81 × 10^?2, 3.50 × 10^?3 and 3.56 × 10^?4 cm/s, respectively. The results of SWCC tests show that the SWCC curve was steep when matric suction was low, and the shallower the waste the steeper would be the curve. In addition to the field and laboratory tests, an unsaturated–saturated seepage analysis was conducted to simulate the development of the high leachate mound and to calculate the annual leachate production. The simulated volumetric water content in the unsaturated zone was about 40 %, which agreed well with the test result. The calculated leachate mound was consistent with the field measurement. The calculated annual and daily leachate productions were all more reasonable than the results of the HELP model.     

垃圾填埋场斑脱土衬里可行性评价

首先对斑脱土衬里(粘土-斑脱土、砂-斑脱土) 进行变水头实验, 得粘土-斑脱土的渗透系数为6.0×10-9~3.0×10-8cm/s, 砂-斑脱土的渗透系数为1.0×10-9~3.0×10-9cm/s.从防渗角度分析, 2种斑脱土混合物均适合作垃圾填埋场的底层衬里.然后对斑脱土衬里进行持水与水迁移实验, 评价斑脱土衬里水的迁移特性.以水迁移实验为基础, 模拟斑脱土衬里与地基5种不同含水量的条件, 对斑脱土衬里进行直接剪切实验, 测定斑脱土衬里的剪切强度及斑脱土衬里与地基接触面的剪切强度.再对斑脱土衬里进行三轴固结不排水实验, 测定其总剪切强度与有效剪切强度.实验结果表明: 地下水具有很大的潜力从地基流向斑脱土衬里, 从而大大提高斑脱土衬里的含水量; 随着含水量的增加, 粘土-斑脱土、砂-斑脱土衬里的抗剪强度逐渐减小.根据实验所获得的抗剪强度参数, 选择日本山谷型垃圾填埋场典型剖面, 对山谷型垃圾填埋场进行稳定性评价.结果表明: 对于角度小于20°的缓倾角山谷型垃圾填埋场, 使用粘土-斑脱土、砂-斑脱土作为底层衬里是稳定的.因此, 2种斑脱土混合物适合作山谷型垃圾填埋场的底层衬里.      

Experimental and analytical model studies on leachate volume computation from solid waste

An extensive use of solid-waste landfills for disposal of municipal and industrial wastes have prompted increased attention to groundwater pollution caused by leachate generated in such landfills. The potential for groundwater contamination by leachate has necessitated engineering designs for landfills. The quantity of leachate generated from the solid waste and the movement of water through the solid waste depends on water input and the solid-waste characteristics. This paper dealt with the experimental investigations using the laboratory solid-waste leaching column to estimate the total leachate volume/leachate flow for unsaturated and saturated conditions. The hydraulic properties of the solid waste like initial moisture content, field capacity, permanent wilting point, saturation moisture content, effective void ratio, saturation hydraulic conductivity and saturation suction pressure were determined from the small-scale laboratory experiments, which are the input for analytical model study of leachate flow/total leachate volume for both unsaturated and saturated conditions. The result of analytical model study was compared with the results of experimental investigations. Comparisons of measured and computed total leachate volume/leachate flow using Darcy’s law showed reasonable agreement.     

Water characteristic curve of soil with bimodal grain-size distribution

Soil–water characteristic curve (SWCC) is the most fundamental and important soil property in unsaturated soil mechanics. It has been used for analyzing slope stability due to the infiltration of rainfall into slopes and water flow in unsaturated embankments. Generally, SWCC is obtained by laboratory tests. However high cost, long duration and difficulty of the tests impede the application of unsaturated soil mechanics to practical design or analysis. Therefore, several equations have been developed to predict the SWCC using grain-size distribution (GSD) curve. However, most of the equations were limited to soils with unimodal characteristics and the parameters of the equations are not related to the physical properties of the soil. In this paper, an equation to predict SWCC for soils with bimodal characteristics is proposed. The parameters of the proposed equation are related to the physical properties of soil and the variables of SWCC closely. The proposed equation is evaluated with data from the literature and laboratory tests carried out in this study. In addition, the computer codes for the computation of the predicted bimodal SWCC are presented.     

Influence of Unsaturated Soil Properties Uncertainty on Moisture Flow Modeling

The quality of a numerical modeling solution of moisture flow through unsaturated soil, in part, depends on properly described unsaturated soil properties. The variability of the Soil Water Characteristic Curve, SWCC, is attributed to hysteresis and reproducibility of measurement. Because the unsaturated conductivity function is rarely directly measured, the variability of the unsaturated soil hydraulic conductivity function is attributed to the uncertainty associated with the estimation of this parameter with currently available fitting functions, and hence a range of reasonable variation was considered. One-dimensional modeling of expansive soil under dry initial conditions (suction of 1,500 kPa) was performed; both potential evaporation and infiltration boundary conditions were considered. It was found that small variations in the unsaturated soil hydraulic conductivity function result in significantly different modeling outputs, as expected, while substential variation in SWCC alone (assuming the same unsaturated soil hydraulic conductivity for all SWCCs) produced almost identical soil response in terms of soil suction when the slope of the SWCC is similiar. Thus, proper characterization of the slope of the SWCC is important to proper suction profile determination.     

Eu(Ⅲ)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究

在高放废物处置库长期运营过程中包封容器将发生破坏,核素会向外界迁移,缓冲回填材料的水力传导系数是评价处置库工程屏障性能的重要指标。采用柔性壁渗透仪,研究2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液作为渗入液时膨润土-砂混合物的渗透特性。结果表明,膨润土-砂混合物的水力传导系数K=(2.07⁵.23)×10-10 cm/s;在05.23)×10-10 cm/s;在0⁵0%掺砂率范围内,膨润土-砂混合物吸水膨胀过程中渗透性能随掺砂率增大时没有明显的变化,能够满足高放废物处置库缓冲回填材料低渗透性的要求。使用有效黏土密度的概念,得到膨润土-砂混合物的体积膨胀率随初始有效黏土密度的增大呈指数增大的趋势;混合物水力传导系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系;与蒸馏水相比,渗入液(ECDD)为2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液时,膨润土-砂混合物的水力传导系数较小,可能是由于渗入液黏滞性的影响。     

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。     

云南压实黏土层对油类污染物的防渗性能实验研究

目前在压实黏土层(CCL)应用于油类污染物的防渗工程设计中,以水在CCL中的渗透系数低于10-7 cm/s为依据,该依据可能存在偏颇。文中以0#柴油和93#汽油作为典型油类污染物,在云南CCL中进行油相水相交替渗流实验。结果表明：(1)不同渗透压力下,水在云南CCL中的渗透系数为(0.41~2.52)×10-8 cm/s,云南黏土压实后可作为天然防渗衬层。(2)0#柴油和93#汽油穿透饱水的云南CCL时,存在临界水力梯度,分别为0.05和0.02 MPa;一旦突破临界水力梯度,CCL的渗透性急剧增大,0#柴油和93#汽油在CCL中的渗透系数较水在CCL中的高出1~3个数量级。(3)水相驱替0#柴油和93#汽油的过程中,CCL的渗透系数为10-7～10-6 cm/s;被油浸透过的CCL不能继续作为防渗衬层使用。(4)针对油类污染物的CCL防渗工程设计,以水在CCL中的渗透系数低于1.0×10-7 cm/s为标准是不适用的,需要提高CCL防渗的设计等级。