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。     

一种非饱和土表层蒸发过程的预测方法

探索了一种由土壤基本物性指标、气象数据预测非饱和土表层蒸发过程的方法。通过土壤基本物理性质（颗粒分布、土粒相对密度、干密度）预测出土-水特征曲线（SWCC）,进而得到土壤气相对湿度与含水率的关系,采用Penman-Wilson模型预测出了非饱和土表面的蒸发曲线。通过该方法,只需实地采取土样,获取其基本物理性质,由任意时刻土壤的含水率及气象数据就能预测出该时刻土表的蒸发速率。采用自制的自动蒸发测量系统进行浅层土蒸发试验,得到了蒸发曲线,与预测结果进行比较发现预测蒸发过程与实测结果一样皆由临界含水率和风干含水率将其分为3个阶段：稳定阶段、减速阶段和残余阶段,且蒸发量吻合,证明了所提出方法的准确性和实用性,对工程界估计土表蒸发量,确定水流量边界有重要意义。     

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。     

延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法

传统测试土−水特征曲线（soil-water characteristic curve,简称SWCC）方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明：预测模型中的分形维数D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确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。     

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。     

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。     

集成回填材料的土水特征曲线测定

以膨润土为基材,添加沸石、黄铁矿制备高压实集成回填材料,采用渗析法和汽相法分别测得其在不同温度及自由、侧限条件下的土水特征曲线( SWCC),并采用SWCC模型对实验数据进行拟合.结果表明:低吸力范围内,施加相同的初始吸力,最终测得50℃试样含水率＞20℃对应含水率,原因是温度影响渗析法所测吸力值及试样饱和后的微观结构;高吸力范围内,同一吸力值80℃对应的含水率最小,土水特征曲线斜率随温度升高而增大.应力状态对土水特征曲线的影响,在低吸力范围内显著,而高吸力范围内则影响不大.这与材料的微观结构有关.Van Genuehten模型对实测数据的拟合效果最佳.     

近饱和条件下非饱和多孔介质渗流过程的数值分析

在非饱和多孔介质渗流分析中,近饱和条件下物理模型与数值模型之间的差异会导致数值不稳定问题。为解决这一问题,并保证模拟结果的可靠性,提出了3种方法,并在有限元分析程序U-DYSAC2中分别进行了程序代码的实施。通过数值试验与试验数据的比较,证实了在近饱和条件下土-水特征曲线和水力传导函数的高非线性可引起数值收敛性、稳定性和精度问题,而且在不同条件下含水率和基质吸力的预测结果差异明显。在3种方法中,修正的Van Genuchten模型（MVGM）方法对含水率的预测较为准确,而Line方法对基质吸力的预测较为合理。因此,解决在分析近饱和条件下非饱和多孔介质渗流问题时,为获得接近真实的模拟结果,采用合适的数值方法进行预测是非常关键的。     

高温下红黏土热导率的变化规律试验研究

目前国际上对高温下土壤热导率的试验和模型预测研究比较缺乏,通过KD2 Pro测试两种红黏土在较广温度范围（5~90℃）和含水率范围内的热导率,并选择IPCHT模型预测高温下体积含水率-热导率的变化规律。测试结果表明,两种红黏土的热导率对体积含水率的敏感程度与温度有关,且热导率均随温度的升高而增大,在90℃时热导率最高可达5℃的3~4倍。60~90℃范围内热导率随体积含水率的变化存在明显的临界含水率（对应土壤的塑性指数）,但相同温度、体积含水率下,柳州红黏土中水汽潜热传输效应较桂林红黏土要明显。模型预测研究表明,除粉砂质黏壤土外,高温下IPCHT模型预测效果均不理想,经传质增强因子ξ修正后,柳州红黏土以及细砂的热导率预测值和实测值均相符得较好（RMSE < 30%）,但桂林红黏土的整体预测效果仍较差。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

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。     

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。     

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。     

辽西风积土路基土水特征曲线试验研究

基于土水特征曲线对工程性质的重要性,利用SDSWCC压力板仪和GDS饱和-非饱和应力路径三轴试验系统,详细研究了不同干密度、干湿循环次数和净平均应力对辽西风积土土水特征曲线的影响,并采用常用的3种模型,使用数学方法对所测数据进行拟合。试验结果表明,低基质吸力阶段,干密度、干湿循环和应力作用对风积土土水特征曲线影响显著:干密度更大时,土体内部孔隙率降低,饱和含水率降低,进气值升高,持水性能更好;干湿循环作用下,随着循环次数的增加,饱和含水率增高,失水速率变大,进气值降低,持水性能减弱,但3次干湿循环后趋于稳定;应力作用下土体发生收缩变形,密度变大,其产生的影响规律与干密度相似。高基质吸力阶段,三者的影响均很小。曲线拟合分析表明,Van Genuchten模型的拟合精度最高,能够更好地描述和预测辽西风积土的土水特征曲线。研究结果揭示了辽西风积土力学、工程性质与其它地域土体的一致规律,以及风积土自身独有的特性,为广泛开展的风积土路基、桥基等工程提供了判定风积土性质的参考和依据。     

Determination of site-specific soil-water characteristic curve from a limited number of test data— A Bayesian perspective

Determining soilewater characteristic curve(SWCC) at a site is an essential step for implementing unsaturated soil mechanics in geotechnical engineering practice, which can be measured directly through various in-situ and/or laboratory tests. Such direct measurements are, however, costly and timeconsuming due to high standards for equipment and procedural control and limits in testing apparatus. As a result, only a limited number of data points(e.g., volumetric water content vs. matric suction)on SWCC at some values of matric suction are obtained in practice. How to use a limited number of data points to estimate the site-specific SWCC and to quantify the uncertainty(or degrees-of-belief) in the estimated SWCC remains a challenging task. This paper proposes a Bayesian approach to determine a site-specific SWCC based on a limited number of test data and prior knowledge(e.g., engineering experience and judgment). The proposed Bayesian approach quantifies the degrees-of-belief on the estimated SWCC according to site-specific test data and prior knowledge, and simultaneously selects a suitable SWCC model from a number of candidates based on the probability logic. To address computational issues involved in Bayesian analyses, Markov Chain Monte Carlo Simulation(MCMCS), specifically Metropolis-Hastings(M-H) algorithm, is used to solve the posterior distribution of SWCC model parameters, and Gaussian copula is applied to evaluating model evidence based on MCMCS samples for selecting the most probable SWCC model from a pool of candidates. This removes one key limitation of the M-H algorithm, making it feasible in Bayesian model selection problems. The proposed approach is illustrated using real data in Unsaturated Soil Database(UNSODA) developed by U.S. Department of Agriculture. It is shown that the proposed approach properly estimates the SWCC based on a limited number of site-specific test data and prior knowledge, and reflects the degrees-of-belief on the estimated SWCC in a rational and quantitative manner.     

基于粒径分布曲线的非饱和砂土土水特征曲线概率预测模型

土水特征曲线定义了非饱和土的基质吸力和含水量之间的关系,与非饱和土的渗流和强度等特征有密切关系.本文通过对100组砂土的粒径分布曲线和土水特征曲线进行分析,结合常用的VG模型提出了基于粒径分布曲线的非饱和砂土土水特征曲线概率预测方法,并基于另外30组数据对提出的模型进行了验证.研究表明,基于粒径分布曲线无法唯一确定土体...     

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。