黄土与其矿物颗粒表面水膜类型及其定量表征

黏性土中细粒表面水膜是影响其物理力学性质的内在因素。经典土力学一般将土粒表面水膜分为强结合水和弱结合水,即所谓双电层模型,弱结合水的存在是土具有可塑性的原因,强弱结合水的界限含水率为塑限,该模型很好地解释了黏性土的稠度变化及其有关的物理力学行为。然而,通过等温吸附试验发现,土粒表面还存在吸附水膜,对非饱和土高吸力段的物理力学特性有重要影响。为此,本文将黄土颗粒表面水膜分为单层吸附水、多层吸附水、强结合水、弱结合水和自由水5种类型。取甘肃正宁Q₂最顶层的L₂黄土试样,采用等温吸附和液限、塑限测试,对该黄土样和其中的单矿物颗粒各水膜之间的界限含水率进行了定量表征,并测试黄土试样的土水特征曲线（SWCC）,在SWCC上界定了这些界限含水率与基质吸力的关系。当水汽压很低时,土粒表面的吸力来自水的偶极分子与颗粒表面离子间的静电引力,形成单层吸附水,水膜厚度为1个水分子直径;离颗粒表面超出水分子直径的地方,吸力来自范德华力,水的偶极子相互靠拢呈定向排列,形成了多层吸附水;当土粒周围水分增加,颗粒表面未平衡掉的分子引力又可吸引更多的极化水分子,此时在吸附水的周围形成结合水,结合水又分为强结合水和弱结合水;吸附水和结合水膜以外的水为自由水。     

轴平移技术在基质吸力测控中的局限性和误差分析

为了揭示非饱和土在自然环境和轴平移环境两种条件下,基质吸力测试数据存在差异的原因,分别研究了表面张力系数和难充水微孔隙在相同吸力作用下对含水率的影响。一方面,表面张力系数随压力的增大而小幅减小,同一基质吸力条件下采用轴平移技术时对应的含水率较自然状态有偏小的趋势;另一方面,由于一端封闭微孔隙的存在,较高的孔隙气压力必然促使土中水进入部分难充水微孔隙,从而同一基质吸力条件下轴平移技术对应的含水率较自然状态又有升高的趋势。因此,在特定基质吸力条件下,轴平移方法得到的含水率较自然状态偏大还是偏小取决于上述两方面的综合效应。毛细上升试验和针对一端封闭微孔隙模型的研究表明,一端封闭微孔隙的存在对土-水特征曲线的影响远远大于表面张力系数变化的影响。针对石英砂、砂土和黏土的两种SWCC测试结果表明,随土颗粒逐渐变细,轴平移技术对SWCC的影响越来越大。从而进一步印证,张力计法和轴平移方法在测试黏土土-水特征曲线方面存在差异的原因在于一端封闭微孔隙的存在。     

氯盐渍土土-水特征曲线的试验研究

采用滤纸法和压力板法测定不同含盐量盐渍土的土-水特征曲线（SWCC）,探讨土中含盐量对盐渍土土-水特征曲线的影响。试验结果表明,粉土中含盐量对基质吸力土-水特征曲线的影响不大。采用滤纸法测得的总吸力与基质吸力之间的差值随着土中盐溶液浓度的增加而增加,且该差值要大于相同浓度纯盐溶液的渗透吸力,其原因是由于土颗粒表面对溶液吸附作用引起的,用滤纸法测得的基质吸力土-水特征曲线处于脱湿曲线和吸湿曲线之间。采用蒸汽平衡法测定Whatman 42号滤纸在高吸力阶段的总吸力的率定曲线,使得高吸力时用滤纸法测定吸力更为精确。     

NaCl溶液对土体冻结特征影响的试验研究

冻结特征曲线(SFCC)是指冻土中温度和未冻水含量之间的关系,采用核磁共振系统和低温恒温冷浴获得了采用不同浓度Na Cl溶液饱和的黏土的冻结特征曲线。根据试验结果分析不同浓度的孔隙溶液对冻结特征的影响规律,结果表明:随着溶液浓度的增大,冻结特征曲线向上移动,也就是说在相同未冻水含量下,浓度越大,冻结温度越低。这主要是因为盐溶液引起了渗透势能,使得孔隙水中总势能降低,从而降低了孔隙水的冰点。在冻土中,孔隙水的冻结温度与能量状态有关,其中孔隙水的势能包括基质势能和渗透势能,而基质势能部分又分为毛细部分和吸附部分,渗透势能与孔隙溶液的浓度有关。当土体中未冻水含量较低时,主要是吸附效应在起作用。此时未冻水是以吸附膜的形式吸附在土颗粒的周围,将非饱和土的概念引入到冻土中,采用分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的冻结特征曲线。结合渗透势能来模拟不同浓度下的冻结特征曲线,与试验数据拟合结果较好。     

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。     

湿度影响下莫高窟壁画地仗层吸附水及吸力变化特征研究

莫高窟气候干燥,窟内壁画地仗层常处于低含水率、高吸力的状态,受到洞窟环境湿度波动的影响较大。为了进一步了解湿度影响下地仗层土体中吸附水以及吸力变化特征,本文通过蒸汽吸附法测试莫高窟不同地仗层高吸力段内的土水特征曲线,并且根据测试结果分析土体中由于范德华力与毛细凝聚作用产生的不同吸力的变化特征;同时进一步利用蒸汽吸附法测试了含NaCl地仗层土水特征曲线并探讨水汽吸附过程中渗透吸力特征;此外利用热重分析方法测试地仗层土体中在范德华力与毛细凝聚作用下所吸附水分的特征。结果表明:地仗层水汽吸附过程中土体内大部分基质吸力来自于毛细凝聚作用,土颗粒分子间范德华力仅在含水率极低的情况下为土体提供比较明显的吸力,湿度影响下地仗层水汽吸附过程中土体内渗透吸力仅在外界环境湿度大于地仗层中盐分的潮解临界湿度时才比较明显;地仗层土体所吸附的水分大部分以弱结合水形式存在,并且地仗层中澄板土含量越高,弱结合水临界含水率越大。结论可以为湿度影响下的壁画病害机理以及地仗层中水汽运移等问题的研究提供理论基础。     

全吸力范围的盐渍土持水特性的试验研究

盐渍土中含有大量易溶盐,含水率和吸力变化对其工程性质产生重要影响。现有针对盐渍土持水特性的研究较少,尚未得到全吸力范围内统一、明确的土-水特征曲线试验觃律。采用压力板法、蒸汽平衡法和冷镜露点法3种方法测量盐渍土的基质吸力和总吸力,幵通过试验手段探究压实度和含盐量对盐渍土持水特性的影响觃律。试验结果表明:在低吸力阶段,随着压实度的增加,土样的饱和体积含水率降低,进气值提高;持水能力随着压实度和孔隙溶液浓度的增加而提高,幵且低压实度时孔隙溶液浓度对基质吸力影响明显。在高吸力阶段,含盐量较高时压实度对土样土-水特征曲线的影响明显,幵且土体的持水能力随含盐量增加而增强。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。     

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。     

非饱和红土基质吸力与含水率及密度关系试验研究

非饱和土中存在的基质吸力对其性质有着十分重要的影响,而基质吸力又与土的含水率之间存在着密切的关系。为了探讨基质吸力与非饱和红土含水率和密度之间的关系,采用滤纸法在试验室进行了基质吸力的量测,得到了不同干密度下非饱和红土的土-水特征曲线,拟合出了该类非饱和红土土-水特征曲线公式。试验结果分析表明：在相同的干密度下,随着含水率的增加,基质吸力呈现出急剧减小的趋势。当含水率 <24 %时,这一变化规律特别明显。对参数 分析发现,在非饱和状态下基质吸力对红土强度的提高是有限的。通过分析不同干密度对基质吸力的影响规律得出,基质吸力在含水率较高时对密度状态的变化不敏感,而在含水率较低时对密度状态的变化比较敏感。     

考虑吸力效应的非饱和黏土回弹模量预估模型

回弹模量是反映路基弹性支撑能力的重要指标,并受运营期间基质吸力变化的显著影响。通过3种压实黏土试样的土-水特征曲线试验和重复动三轴试验,研究了回弹模量与基质吸力的相关性,并基于非饱和土有效应力原理,提出了考虑吸力效应的回弹模量预估模型。结果表明：基质吸力与回弹模量之间具有较强的非线性相关性,可采用指数形式进行两者的拟合;含水率由最佳含水率-4%提升至最佳含水率+4%时,受基质吸力减小的影响,回弹模量降幅达到29.1%～39.0%;在 土-水特征曲线过渡区,采用以饱和度表征的有效应力参数,可较好地反映基质吸力对于回弹模量的贡献,预估效果优于采用残余含水率或进气值相关的有效应力参数;在相同饱和度的情况下,黏粒含量越多、塑性指数越高,基质吸力对有效应力的贡献比例越小。     

非饱和抗剪强度指标c、φ值与含水率w的关系

非饱和土力学已经确认了基质吸力与非饱和土的强度指标有关,而基质吸力与含水率有着密切的关系。通过理论和三轴剪切试验分析,探讨了非饱和残积土抗剪强度指标c、φ与含水率ω变化的一般规律;同时结合已经推出的土水特征曲线关系,探讨抗剪强度指标c、φ与基质吸力μ的变化的一般规律。结果表明:随着非饱和土含水率ω增加、基质吸力μ的减小,黏聚力c有减少的趋势,内摩擦角φ变化不大。通过线性回归分析,黏聚力与含水率成半对数线性关系,黏聚力与基质吸力成线性关系。现有的非饱和土实用公式精确性较差,非饱和土抗剪强度指标有待进一步的研究与完善。     

全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

桂林红黏土的土-水特征曲线

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法3种方法,对压实桂林红黏土进行全吸力范围内的土-水特性量测,研究干密度对于土-水特征曲线的影响。试验结果表明：干密度1.4 g/cm3的压实桂林红黏土的进气值约为20 kPa;土-水特征曲线的过渡段与典型的土-水特征曲线不同,含水率或饱和度与吸力的对数坐标关系不是单一直线,而是出现了3段直线,并且中间一段平缓段下降斜率较小;当吸力增大到367 MPa时,含水率仅为0.74%,可认为如吸力继续增大至106 kPa时,含水率和饱和度为0;用吸力与含水率关系表示土-水特征曲线时,吸力较大时不同干密度的曲线重合,认为干密度对土-水特征曲线无影响。用吸力与饱和度关系表示土-水特征曲线时,在吸力较小时,干密度越大,对应的土-水特征曲线越高;当吸力较大时,不同干密度的土-水特征曲线几乎重合。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

土-水特征曲线与核磁共振曲线的关系

土-水特征曲线在非饱和土的研究中扮演着重要的角色,其预测方法的研究具有重要的科学意义。以武汉黏性土为研究对象,在土-水特征曲线试验和核磁共振（NMR）试验的基础上,利用Fredlund-Xing模型对试验数据进行拟合分析。结合KST模型和Young-Laplace理论,建立了基质吸力与土体中孔隙水的弛豫时间（T2）之间的理论关系式,试验结果表明该理论关系式并不能简单有效的描述基质吸力与T2值之间的实际关系。基于土-水特征曲线和NMR试验结果,建议了基质吸力与T2值之间的经验关系式,在此基础之上,给出了基于NMR曲线的不同初始干密度非饱和黏性土土-水特征曲线的预测方法。