土-水特征曲线及其相关性研究

土-水特征曲线（SWCC）描述了土体吸力与含水率之间的关系,是非饱和土力学研究的重要内容。从理论和试验两个方面研究了土-水特征曲线和渗透曲线的相互关系。在理论上,应用自然比例法则研究了土-水特征曲线和渗透曲线的特征,从物理和力学意义两个方面探讨了土-水特征曲线及其导数、渗透曲线、颗粒分布曲线之间的特征,给出了土-水特征曲线和渗透曲线两指数函数表达式幂的取值范围和相互关系。试验研究结果表明：土体的土-水特征曲线受到土体的物质成分、塑性指数、孔隙结构、应力状态等多种因素影响,土体持水特性研究对工程建设具有重要的指导意义。     

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。     

土体密实状态对土-水特征曲线影响规律研究

土-水特征曲线（SWCC）是非饱和土力学中的一个重要概念。在众多影响土-水特征曲线的因素中,土体密实状态（文中用孔隙比表示）的影响最为常见并且十分重要。以毛细管模型和Childs（1950年）提出的统计学假定为基础,分析了孔隙比发生改变时土-水特征曲线上的点的变化规律,并以此为基础提出了一种以两条已知初始孔隙比的土-水特征曲线为基准,预测具有任意初始孔隙比土体的土-水特征曲线的计算方法。通过与试验结果对比,验证了该方法的合理性。由于测量土-水特征曲线比较费时,利用该方法预测具有不同孔隙比的土-水特征曲线,可减少试验测量的工作量,从而使土-水特征曲线在实际应用中更加方便、实用。     

黏土掺入生物炭后的持水特性及其影响机制

生物炭具有疏松多孔、高比表面积和强吸附等特性,在土体改良以及修复受污染土体方面展现出应用潜力。添加生物炭可改善土体结构,进而增强土体持水特性等,其中,生物炭掺量和粒径对改良效果有较大的影响。为了研究生物炭掺量和粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响,通过蒸汽平衡法控制土样的吸力,确定吸力平衡后土样的含水率和体积等,得到吸湿过程中不同生物炭掺量（0%、5%、10%和15%）、不同粒径范围（＞74、40～74、20～40 μm和＜74 μm）生物炭?黏土混合土在高吸力（3.29～286.7 MPa）范围的土?水特征曲线,并结合扫描电镜（SEM）和压汞（MIP）试验结果分析其微观孔隙结构。试验结果表明：（1）当掺入生物炭的粒径较小时,随着生物炭掺量的增加,土样的持水特性有较明显的提高,随着掺入生物炭粒径的增大,生物炭掺量对土样的持水特性影响不大。（2）当生物炭的掺量较少时,不同粒径生物炭?黏土混合土的土?水特征曲线基本相同,随着生物炭掺量提高,小粒径生物炭对混合土持水特性的影响逐渐显现。（3）由生物炭?黏土混合土微观孔隙结构的演变规律进一步阐释生物炭掺量、粒径对生物炭?黏土混合土持水特性的影响机制。     

粉土持水性能的温度效应研究

开展3种不同温度作用下粉土的持水特征曲线（SWRC）试验,测量脱湿过程中土体的体积变化,修正体变对体积含水率的影响。试验结果表明,在减湿过程中粉土体积发生明显收缩,孔隙比由0.675降低到0.645左右,不同温度作用下的最终孔隙比相差仅为0.003,说明粉土的变形对温度不是很敏感;温度对粉土持水性能影响显著,粉土的进气值随着温度的升高而降低;基质吸力为50 kPa时,不同温度下粉土持水性能差异达到最大值,20 ℃、30 ℃、40 ℃时的体积含水率分别为0.397、0.361和0.338;粉土的体积含水率随温度越高逐渐减小,但彼此之间的差异随着温度升高而逐渐减弱。孔隙中水的物理特性以及水、气的赋存状态是不同温度下粉土持水性能存在差异的主要原因     

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。     

固结作用下粉土的持水性能与细观机制研究

针对传统仪器无法考虑岩土工程中温度和荷载等因素综合作用的缺陷,研制了一套多功能土-水特征曲线试验仪。以粉土为研究对象,开展了不同固结应力作用下粉土的土-水特征曲线试验,并测量其增减湿过程中土体的体积胀缩量,以便修正体积变化对其体积含水率的计算误差。结果表明,粉土在减湿过程中,土体的体积发生明显的收缩。其收缩量与固结应力水平有关,固结应力越小,则减湿引起的体缩量越大。但土体在增湿过程中的体积则基本保持不变。固结应力对粉土 土-水特征曲线的进气值、增减湿速率影响较大,固结压力越大,其进气值越大、减湿速率也越大。最后,为揭示固结应力对土的持水性能的影响机制,开展了不同固结应力作用下土体的细观试验。结果表明,固结应力主要改变了土体团粒间的大孔隙,而对黏土颗粒之间的孔隙影响较小。土体的持水性能与土体的孔隙大小和分布模式密切相关,大孔隙主要影响土体的进气值,而其孔隙分布模式则控制其增减湿湿速率。     

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。     

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。     

非饱和膨胀土/岩持水与渗透特性试验研究

以南水北调中线工程原状强、中膨胀土/岩为研究对象,开展压力板试验与双环注水试验,结合试验结果与土-水特征曲线(SWCC),对比研究不同性质膨胀土和膨胀岩的持水性能及影响因素,计算并分析水体积变化系数的变化规律,在该基础上重点探讨渗透系数的变化特征及其与基质吸力的非线性关系,总结出膨胀土/岩的渗透特性及其规律。结果表明,膨胀土/岩的持水特性受岩土的物理性质、矿物成分与结构特征的影响,膨胀潜势强、细颗粒含量大、孔隙结构小的试样有着较低的脱水速率;渗透系数和水体积变化系数均随含水率的减小而减小,变化特征受到膨胀潜势与干密度的共同影响,并与基质吸力呈幂函数关系。研究成果可为工程建设提供计算参数及理论依据。     

密度和干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线在非饱和土力学中扮演着重要的角色。影响非饱和土土-水特征曲线的因素很多,如初始密度、干湿循环、荷载等。利用GCTS土-水特征曲线仪,主要测定了不同初始干密度的重塑非饱和黄土试样的减湿土-水特征曲线,选取合理的土-水特征曲线模型进行数据拟合,通过分析模型拟合参数来研究初始干密度对非饱和黄土土-水特征曲线的影响;并对给定初始干密度的试样进行了2次干湿循环试验,测定相应的减-增湿土-水特征曲线,通过对比干湿循环曲线上体积含水率的差异,提出了“滞回度”的概念,初步研究了黄土土-水特征曲线在干湿循环下的滞回特性规律。这些成果将为研究应力作用下的土-水特征曲线模型以及考虑干湿循环的力-水耦合本构模型发挥重要作用     

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。     

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...     

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。     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。     

细粒对砂土持水能力影响的试验研究

利用压力板仪,进行了不同细粒含量非饱和砂土的持水特征试验,分析砂土土-水特征曲线的特征,探讨细粒对砂土持水能力的影响。结果表明,细粒的增加提高了砂土的持水能力,不同吸力阶段细粒对持水能力的影响程度不同;基质吸力超过进气值后,细粒增加明显增强砂土持水能力。应用数学模型 描述不同细粒含量砂土的土-水特征曲线,分析了细粒含量对数学模型参数的影响,给出了细粒、基质吸力和含水率的函数关系为 。     

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线（SWCC）是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型（HP模型和MV模型）忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。     

非饱和土粒间毛细作用的微观不连续变形分析

非饱和土粒间毛细水作用是其基质吸力的主要来源。本文基于二维非连续变形分析算法(DDA),建立了一种能够模拟不同饱和度下毛细水分布状态及计算土水特征曲线的扩展DDA算法。该算法首先通过反复迭代的方式来计算出不同饱和度下毛细水弯液面的半径,并利用圆心轨迹交汇法确定粒间毛细水弯液面与颗粒的搭接位置,从而确定各个颗粒表面被毛细水浸湿的区域。而后利用Young-Laplace方程计算出各个浸湿区域毛细负压的大小,并将其与表面张力添加到传统DDA算法控制方程中。为验证该算法,参照真实黄土中含量最多的粗颗粒建立一理想黄土微观土骨架模型,模拟了不同饱和度下土体中的毛细水分布状态,并获得了土水特征曲线。将模拟结果与实测的土水特征曲线进行对比分析,结果显示预测值和实测值基本一致,该方法能够从微观上揭示非饱和土粒间吸力作用的本质。     

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。