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。     

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。     

土体持水特性及孔隙水分布特性的试验研究

采用轴平移技术对砂土、粉质黏土、黏土3种土质的土-水特征曲线进行了测试分析,并结合核磁共振技术测得了试样在不同基质吸力加载步条件下的T₂时间（横向弛豫时间）分布曲线,从细微观角度分析了脱湿过程中孔隙水在土体中赋存分布的情况。实验结果表明:3种土质的体积含水率随着控制吸力的增大而减少,该脱湿曲线可分为边界效应区、过渡区与残余区3个区域。其中,黏土的持水特性明显大于粉质黏土和砂土。核磁共振的试验结果与压力板仪获得的脱湿过程是对应的,从微细观角度展示了土体的排水过程。在排水过程中,总体上具有较大势能的大孔隙水先排出,随后小孔隙开始排水,但这一规律并不绝对,由于土体孔隙结构的复杂性,会出现大小孔隙同时排水以及土样中水分重分布的现象。     

失水过程孔隙结构、孔隙比、含水率变化规律

当土体总应力状态保持不变时,基质吸力的提高是导致孔隙水排出、土样收缩、孔隙结构改变的主要原因。对于特定吸力下的土样,其微观孔隙结构决定了土壤孔隙比;而土壤孔隙结构,土壤基质吸力共同决定了土壤的含水率。假定在失水过程中,当孔隙水尚未排出时,其土壤孔隙孔径不会收缩,孔隙体积保持不变。可通过吸力建立起变化的土壤孔隙体积曲线和土-水特征曲线、土壤收缩曲线之间的对应关系：（1）累计孔隙体积曲线的包络线即为实际发生的土水特征曲线;（2）基于累计孔隙体积曲线,能够有效确定土样收缩曲线的上下限范围     

压实度与级配对路基重塑黏土土-水特征曲线的影响

对重庆路基黏土采用压力膜仪量测了不同压实度重塑土样脱湿过程的土-水特征曲线（SWCCs）、采用体积压力板仪量测了不同压实度、不同级配重塑土样脱-吸湿过程的土-水特征曲线。试验结果表明：（1）压实度超过90%以后,不同压实度的SWCCs在其直线段范围相互靠近,即在路基土基质吸力平常变化范围的SWCCs逐渐趋于稳定;（2）随着压实度的增大,脱-吸湿循环滞回圈逐渐上移,曲线由陡变缓。表明随着压实度的增大,土体的储水系数逐渐减小,土中的水分更不易吸入和排出,对路基的稳定有利;（3）相同含水率下,大约以压实度85%为界,压实度小于85%的黏土样和大于85%的黏土样的基质吸力基本上不随压实度（干密度）的变化而变化;（4）相同压实度和含水率状态下,粗粒含量多的土吸力更小,SWCCs的滞回圈更小,即干湿循环的影响更小。因此,粗粒土较细粒土更适合用作路堤填料     

盐渍土土水特征曲线测试及预测

作为一种特殊土,盐渍土有着独特的工程性质并由此引发了盐胀、溶陷等工程问题,其发生及发展均与土体含水量密切相关,不同含水量条件下土中的吸力也对土体工程性质有着较大影响.本文选取甘肃酒泉地区的盐渍土,室内利用Ku-pF非饱和导水率仪测试了不同干密度状态下盐渍土试样的土水特征曲线,发现渗透吸力的存在使得盐渍土试样的土水特征曲线转化阶段较一般土平缓,同一含水量条件下土中的吸力较一般土大,土体持水能力有所增强.不同干密度试样土水特征曲线的测试结果表明,干密度增大后土中大孔隙减少,中、小孔隙增多,孔隙连通性变差,导致土样饱和含水量降低,进气值增大,失水速率减慢,土体持水能力有一定增强.对比国内外广泛使用的模型对实测盐渍土土水特征曲线进行拟合,发现Fredlund and Xing模型能较好地反映盐渍土土中吸力与含水量的关系.最后,基于盐渍土的颗粒累积分布曲线及其基本物理指标,依据Fredlund物理-经验预测模型的理论和方法,预测了不同干密度盐渍土的完整土水特征曲线,以期为盐渍土地区土体工程性质的研究和预测提供理论支持和有益参考.     

石墨−膨润土缓冲材料的最优配置方法

核废料封存到处置库后还会继续释放衰变热,需要加快热量向周边围岩消散,确保处置库处于安全运行状态。而提高缓冲层的导热性能成为解决该问题的突破口。将天然石墨粉掺入到钠基膨润土中,以期配置成导热速度快、隔离能力强的缓冲层回填材料。通过开展石墨?膨润土混合物的自由膨胀率、恒体积膨胀力、饱和渗透系数和导热系数等试验,研究石墨掺入率（Rg分别为5%、10%、15%、20%、30%、40%）和不同粒径（297、150、74、44 μm）对其水?力?热性能的影响规律。结果表明,掺入石墨后显著提高了膨润土的导热性能,但其提升幅度受石墨掺入率、初始含水率和初始干密度等因素影响。综合分析石墨?膨润土混合物的水?力?热性能参数,发现最优石墨掺入率处于15%～20%（质量比）范围内;相同石墨掺入率下石墨粒径为150 μm或74 μm时混合物的水?力性能最优。石墨?膨润土混合物压实后的孔隙分布显示,相同石墨掺入率下石墨粒径过大或者过小都易形成大孔隙。究其原因,天然鳞片状石墨呈扁平状,大部分膨润土颗（团）粒小于石墨,与石墨属于点?面接触方式。尤其是压实程度不高时,膨润土颗（团）粒和石墨接触面处存在大量的孔隙;而且石墨属于憎水性材料,对水分子的拖拽力弱,即使膨润土吸水膨胀后,水分也容易从石墨薄片表面处通过。     

双孔结构非饱和压实土微观结构演化模型

在最优含水率干侧压实的黏土一般具有明显的双孔结构,其集聚体间孔隙（又称宏观孔隙）和集聚体内孔隙（又称微观孔隙）对土体宏观水力和力学特性影响差异显著,同时,水-力耦合作用下两种孔隙的演化规律也存在明显不同。双孔结构非饱和土对应的孔径分布函数为双峰孔径分布形式,该分布函数可通过叠加宏观孔隙和微观孔隙的单峰孔径分布曲线得到,并通过平移量、缩放量和分散度3个演化参数对双孔结构土的孔隙演化规律进行描述。通过构建在力学及水力加、卸载过程中演化参数与孔隙比之间的关系,提出了适用于描述变吸力下非饱和压实土的微观结构演化模型。分别基于所开展的桂林红黏土压汞试验数据和文献中的米尼亚卢博瓦膨胀土试验数据,对所建立的微观结构演化模型进行参数标定,并通过模型预测结果与试验结果的对比,验证了所建立模型的适用性。     

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。     

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。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

Derivation of soil water retention curve incorporating electrochemical effects

Water retention of clayey soils with wide particle size distributions involves a combination of capillary and adsorbed layers effects that result into suction–saturation relations spanning over multiple decades of matric suction values. The present study provides a physics-based analysis to reproduce the water retention curve of such soils based solely on particle size distribution and porosity. The distribution of inter-particle pore sizes is inferred through a probabilistic treatment of the particle size distribution, which is then used, together with an assigned pore entry pressure, to estimate the inter-particle water volume at a given suction. The contribution to water content from adsorbed layers is also taken into account by considering the balance of electrochemical forces between water and clay material. The total water content is therefore found by summing up the contribution of inter-particle water, as well as adsorbed layers that form around clay particles and around the individual clay platelets. Comparisons with experimental results on nine different soil samples verify the capability of the model in accurately predicting the wide water retention curves without any prior calibration. Additional to capturing the essential features of the water retention curve with remarkable detail, the analytical model also provides insights into the relative contributions of capillary and adsorbed waters to the overall saturation at different suction regimes. Being based upon easily accessible information such as particle size distribution and void ratio, the model can therefore be considered as a substitute for costly and lengthy laboratory and in situ measurements of water retention curve.

     

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3个不等粒径颗粒接触模型的土-水特征曲线

基于热力学原理及二维液桥计算模型,以3个不等径土颗粒为研究对象,推导出基质吸力与体积含水率之间的关系,得到微观模型下的土-水特征曲线。将3个不等粒径颗粒概化为限制粒径、中值粒径和有效粒径,研究了粒径大小、颗粒级配和土颗粒接触角的大小等因素对土-水特征曲线影响的规律。计算结果表明：体积含水率相同,颗粒粒径越大,相应的基质吸力越小;在同一基质吸力下,不均匀系数 越大即土颗粒越不均匀,其体积含水率就越低;接触角对土-水特征曲线的影响是明显的,即接触角越小土颗粒亲水性越好,同一基质吸力下的体积含水率也就越大,且曲线的进气值会随着接触角的减小而减小。     

NaCl溶液对土体持水特性影响的试验研究

分别采用不同浓度的NaCl溶液对低塑性黏土进行饱和,然后进行压力板和蒸汽平衡法试验,获得整个吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）。分析不同浓度的孔隙溶液对SWCC的影响规律,结果表明：盐分对基质吸力的影响较小,对总吸力影响较大,这主要是因为盐溶液引起的渗透吸力所致。在蒸汽平衡法试验中,随着含水率的降低,孔隙浓度增大,渗透吸力增大。然而,基质吸力随着含水率的减小迅速增大,使得渗透吸力所占的比例逐渐减小。在非饱和土中,总吸力包括基质吸力和渗透吸力;基质吸力包括毛细部分和吸附部分,当土体中含水率较低时,主要是吸附效应在起作用;渗透吸力与溶液浓度有关。根据试验结果深入分析了吸附水膜和土颗粒之间的相互作用,得出由于溶质的存在对分子间吸附力的影响规律。根据表面化学原理,建立了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土-水特征曲线。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制

采用蒸汽平衡法测定了4种温度(T=5、25、40、60℃)条件下Whatman No.42滤纸的率定曲线,建立了考虑温度影响的双线性率定曲线方程,发现滤纸的持水性能随温度升高而降低,且温度对率定曲线高吸力段滤纸持水性能的影响要弱于低吸力段。在此基础上,以南宁膨胀土为研究对象,使用滤纸法测定了不同温度作用下膨胀土试样的土-水特征曲线。试验结果表明,随着温度的升高,膨胀土持水性能下降,但温度的影响幅度会随着吸力的增大而减弱,当基质吸力达到40MPa时,不同温度下试样的体积含水率并没有明显变化,即此时温度对膨胀土的持水性能变化几乎无影响。为解释上述宏观现象,选取部分试样进行了压汞试验和吸附结合水试验,并根据试验结果从土体中各相及各相界面相互耦合作用的物理机制角度阐述了南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制。     

高铁路基粗颗粒土水力学参数测试方法研究

高铁路基粗颗粒土的水力学特性对路基内部水分运移及路基的长期累积变形有重要影响。而对这种高压实度的粗颗粒土,常规非饱和土试验仪器存在试样尺寸小、制样难度大的缺点,难以应用。介绍了一种用于测试高压实度路基粗颗粒土-水力学参数的试验装置,利用张力计和时域反射计量器,分别测量路基粗颗粒土在浸湿、干燥阶段不同高度处土体基质吸力、介电常数的变化情况,获得高压实度下高铁路基粗颗粒土土-水特征曲线;并通过瞬态剖面法获得路基粗颗粒土非饱和渗透系数与基质吸力的关系。试验结果表明,该套装置能够适用于最大粒径为20 mm的粗颗粒土,试样压实度最大可达到0.95。通过对一组试验结果分析,并结合Ekblad等试验结果,发现随着填料细颗粒含量增大,?（与进气值有关的参数）值逐渐减小,土体进气值增加;粒径越大,细颗粒含量越低,土体储水能力越低,对应n（与排水程度有关的参数）值越大。为路基粗颗粒土-水力学参数的测定提供了方法。