持续蒸发作用下膨胀土裂隙和湿热特性室内模型试验

以广西白色强膨胀土为研究对象,对有、无植被覆盖和农膜覆盖的膨胀土分别进行30 d持续蒸发试验,研究持续蒸发过程对膨胀土湿热和裂隙拓展特性的影响。结果表明,无植被覆盖时表层土体脱湿量及脱湿速率分别为7.38%和0.17%/d,植被覆盖时分别为5.29%和0.07%/d,显然植被覆盖的脱湿量和脱湿速率均小于无植被覆盖的,而农膜覆盖土体蒸发受到遏制,水分无散失;无植被覆盖和农膜覆盖土体平均温度变化分别是7.36 ℃和9.72 ℃,比植被覆盖的2.03 ℃大5～ 8 ℃,可见植被覆盖降低了土体温度变化幅度;无植被覆盖土体裂隙深度达32 cm,与湿热影响深度28 cm较接近;植被覆盖和农膜覆盖土体平面及竖向均无出现明显裂隙,植被覆盖和蒸发受到遏制的状态可阻止土体裂隙开展。     

模拟日照条件下膨胀土的湿-热耦合性状及蒸发效应

利用长弧氙灯模拟太阳辐射,通过调节灯罩与土样间的高度产生不同的辐射强度,通过控制光照时间模仿自然环境中的日照状态,通过设定恒温、恒湿环境获得单因素的控制条件,对阳光辐射下原状膨胀土的湿-热耦合性状及降雨蒸发效应进行分析。研究结果表明：当太阳辐射、降雨等气象现象发生后,膨胀土水分迁移和温度变化呈现不同的状态,随着土体水分的往复迁移,浅层土体趋于破碎,疏松,在太阳辐射作用下,土体含水率变化幅度增加,从而进一步加剧土体裂隙的拓展。对于膨胀土,裂隙性和膨胀性是它内在的秉性,而大气作用是诱因,在大气与土壤之间的水分和能量交换过程中,膨胀土的工程性质逐渐发生改变。采用自制的太阳辐射模拟装置,针对大气作用下原状膨胀土的湿热耦合性状以及降雨蒸发效应展开分析,相关经验也可应用到其他土类的研究。针对膨胀土工程性质,可进一步开展太阳辐射对膨胀土水分迁移机制影响的量化分析。     

植被作用下膨胀土渗透和力学特性及堑坡防护机制

以广西膨胀土为研究对象,考虑植被的影响,进行了现场渗透和植被根系加筋作用力学试验,并在试验结果的基础上,对膨胀土堑坡的植被防护作用进行数值模拟。研究结果表明,植被根系的加筋作用和植被的蒸发、蒸腾作用是从两个不同的方面维持边坡稳定的,并且在降雨过程中的发挥过程有着先后的顺序。根系的加筋作用增强了土体的强度,植被的蒸发、蒸腾作用阻止了土体强度的进一步衰减。此外,植被覆盖下土体的吸湿与脱湿过程应采用不同的渗透曲线,由于植被防护在施工后未长成的一段时间内十分脆弱,所以对生长期内的植被根系力学特性进行研究具有重要意义。项目研究成果可为膨胀土地区堑坡植被防护设计和施工的发展和应用提供有益参考。     

干湿循环作用下膨胀土裂隙演化规律试验研究

对南阳膨胀土在反复干湿循环作用下的裂隙演化规律进行了室内试验研究。试验中采用烘干法模拟脱湿过程,采用抽气饱和法模拟饱和过程。在脱湿过程中,定时对土样进行称重、定点拍照,以记录裂隙发育状况。利用矢量图技术对裂隙照片进行矢量化处理,以提取裂隙的各种几何要素,继而进行裂隙度计算。裂隙度变化规律分析结果表明,影响裂隙张开程度的关键因素并非土体含水率,而是含水率梯度,而脱湿速率的空间分布、土块渗透特性以及土块尺寸大小则是决定含水率梯度大小的关键因素;膨胀土裂隙在干湿循环的作用下会逐步发育,主要体现在裂隙总面积与总长度的增加,但此作用有限,裂隙的发育达到一定程度以后便会因为土块尺寸过小而停止;反复干湿循环会使土体产生范性变形,该范性变形与完整土块的胀缩特性并无直接联系,其主要成因是裂隙的发育与土体完整性的破坏,裂隙越发育,土体范性变形量越大     

降雨-蒸发条件下土体开裂临界含水率演变规律研究

为研究降雨-蒸发过程中土体裂隙发展演化规律,依托裂土边坡足尺模型试验,测量土体表层含水率,采用图像矢量化技术提取裂隙率,对土体裂隙域及基质域开裂含水率演变规律进行了研究,基于非饱和土水平应变增量本构模型推导并计算了土体基质域临界开裂基质吸力及含水率。研究结果表明,降雨-蒸发过程中土体开裂具有可重复特征,且裂隙率随降雨-蒸发次数增加总体呈增加趋势;土体裂隙域开裂含水率随降雨-蒸发次数增加而增加,基质域与之相反;基质吸力对裂隙的开裂扩展既可有抑制作用,也可产生促进作用;基于均质各向同性非饱和土应变增量本构模型计算得到的土体基质域开裂含水率范围与实测值较为接近,且该模型能较好地解释裂隙域与土体基质域开裂含水率的变化规律。     

高温干燥-室温加湿循环作用下压实黄土体变和电阻率特征

工程地质环境中,高温加速土体干燥,降雨浸湿土体。干湿循环导致土体劣化易引起基础设施和建筑物损害。所以,有必要研究干湿循环对压实黄土体变特性的影响以评价地基和路基等的稳定性。本研究制备了初始含水量为11%,不同干密度(1.5 g·cm^-3、1.6 g·cm^-3和1.7 g·cm^-3)的3组试样。试样在80℃下干燥,然后室温下浸入去离子水中饱和,直达预定的干湿循环次数。同时,用数字LCR仪测量土样电阻率,以表征土样的结构变化。采集干燥状态试样表面图像,以分析裂隙开展情况。干湿循环结束后,进行饱和土样的恒应变速率(CRS)试验,获取压缩曲线并确定压实黄土的变形参数。结果表明,随着干湿循环次数的增加,土样电阻率逐渐增大,并且裂隙比增大。无竖向压力下,开始从非饱和状态高温干燥引起土样收缩,随后室温饱和使土样膨胀;之后,从饱和状态高温干燥引起土样膨胀,随后室温下饱和土样引起其收缩。另外,随干湿循环次数增加,弹性压缩指数增加,对于较低密度土样塑性压缩指数减小而屈服应力增大,对于较高密度土样塑性压缩指数呈现增大趋势而屈服应力减小。本研究...     

膨胀土边坡渗透变形的表面裂隙图像特征分析

膨胀土在我国分布广泛。由于其具有涨缩特性,膨胀土边坡在干湿循环条件下易失稳形成滑坡,造成严重的地质灾害。裂隙的发育-扩展-贯通则是膨胀土边坡失稳致灾的前提,因此,准确把握裂隙的发育机制、图像特征,进而推演膨胀土滑坡的形成过程,是一条重要的预警途径。本文以安徽淠史杭灌区膨胀土边坡为研究对象,进行“降雨+自重”条件下的原位试验,对失稳过程中的土体表层裂隙图像特征进行系统研究,重点分析裂隙度、裂隙几何特征参数的变化与边坡失稳之间的关系。研究结果表明：通过土体表层裂隙图像的综合分析,进行边坡危险性评价,具有可行性;针对该地区膨胀土边坡,起始裂隙度处于0.19～0.03范围,后续裂隙度相较初始状态增加范围处于0.5%～1%,且沿软弱结构面存在的横向裂隙发育为主控裂隙时,边坡出现异常,应提出预警。     

气候影响下膨胀土工程性质的原位响应特征试验研究

以广西膨胀土为研究对象,考虑气象因素的影响,通过现场试验对膨胀土的胀缩变形、变形模量与渗透特性进行了原位跟踪测试。结果表明,较小的降雨量就可以使表层土体的含水率和膨胀状态达到极限。对降雨过程而言,自然状态下膨胀土雨水入渗的影响深度是有限的;膨胀土变形模量随含水率的增加以幂函数的形式逐渐降低;当含水率较低、裂隙较发育时,土体的渗透性会大大提高,而植被的存在也会较大幅度地改善土体渗透性,为深入认识膨胀土边坡的灾变机制提供了依据。     

根系和裂隙对土体水力和力学特性影响数值模拟

为探究根系和裂隙对土体水力及力学特性的影响,利用有限元软件计算降雨过程中裂隙和根土间隙对渗流场的影响,并以渗流计算结果为基础,分析降雨对根系固土作用的影响,采用分区强度折减法对降雨前后根?土复合体进行直剪试验模拟,同时考虑了侧根倾角的影响。结果表明,裂隙和根土间隙为雨水入渗提供优先通道,降雨影响深度随裂隙深度增加而增加;有根系时降雨影响深度由主根深度决定,侧根倾角对其影响较小,考虑根土间隙影响的降雨影响深度相较于无根系工况增加了93.3%;根系能显著提高土体的抗剪强度,相对于垂直主根方向的不同倾角,侧根增加土体抗剪强度由大至小依次为60o、45o、30o侧根和无根系;雨水入渗降低了土体强度,同时削弱了根系固土作用,使得降雨后根-土复合体抗剪强度大幅降低,是许多植被覆盖边坡仍发生浅层滑动原因之一。     

增湿-减湿作用下黄土裂隙演化规律研究

黄土内部存在各种裂隙,增湿-减湿作用导致原状黄土内部裂隙不断发展演化,因此研究在增湿-减湿作用下黄土裂隙发育演化规律具有非常重要的意义。以陕北延安地区某边坡黄土为研究对象,通过CT扫描技术获得了增湿-减湿作用下土样细观结构变化图,得到了土样CT数ME及SD值随土样增湿-减湿作用的变化曲线。研究结果表明:随着土体湿度的增加,土体内部损伤速率缓慢增加,当含水率超过土样塑限后,土体内部损伤速率加快,含水率超过一定值时,速度又减缓,CT数的均值和方差随含水率变化皆呈反“S”曲线;随着干湿循环次数的增加,土样微裂纹逐渐发育,表现为伸长变宽,呈不规则的分叉、甚至贯通;4次干湿循环后,土样裂隙裂缝基本成了网状,土样较破碎,此时CT数的均值和方差变化不大;干湿循环幅度越大,土样内部损伤程度也越大,土样内部节理裂隙发展也就越快。     

宁东煤矿区地裂缝对植被生态环境的影响

地裂缝地质灾害是植被生态地质环境破坏的一种重要的方式,查明地裂缝对植被生态环境影响的方式、程度、范围等对于宁东煤矿区植被生态环境保护具有重要意义。土壤水分是评价地裂缝是否影响植被生态的重要指标,地裂缝的存在加剧了植被赖以生存的土壤水分的散失,因此,选取典型植被区、土壤岩性结构区的煤矿采空区开展原位试验,分别动态监测裂缝边缘、远离裂缝区包气带剖面不同埋深的土壤水分,结合气象要素分析,以达到研究地裂缝对植被生态环境影响的目的。结果表明:(1)土壤水分散失空间上水分优先自裂缝裸露面散失,其次才会自地表散失;(2)土壤水分散失时间呈动态变化,同气温呈正相关关系,其中,7月最大,呈现2个蒸发面,8月次之,呈现1个蒸发面;(3)受土壤岩性的影响,随着土壤埋深增加,土壤含水率呈"S"形变化特征,不同岩性持水性大小顺序是:风积沙黄土根植土粉土;该结论对于宁东煤矿区植被生态地质环境保护具有重要指导意义。     

干湿循环下石灰改良膨胀土离心模型试验研究

为研究南宁石灰改良膨胀土高铁路堤在干湿循环作用下的工程特性,运用相似原理,以室内离心模型试验为主要手段,对路堤模型进行三次干湿循环试验,探究土压力、吸力、含水率、温度等随时间、深度及干湿循环次数变化的规律。研究表明:在离心模型试验中,自行推导建立的蒸发相似关系对蒸发时间和强度的控制适用可行,效果良好;路堤边坡变形与含水率变化密切相关,蒸发过程中产生少量裂缝,最大宽度不足2 mm,降雨过程裂缝消失;三次干湿循环后路堤整体变形不明显;土压力、吸力、含水率、温度随时间和深度等具有明显的变化规律,随深度增加大气影响减弱,试验测得其影响深度为8.0 m。研究结果可为现场石灰改良膨胀土高铁路堤施工提供一定参考,具有良好的工程应用价值。     

干密度和温度对冻结膨胀土单轴压缩特性影响的试验研究北大核心CSCD

膨胀土是一种特殊的黏土,具有明显的胀缩性和多裂隙性,在寒区渠道工程中极易诱发各种冻害。单轴压缩特性是冻土物理力学特性的重要分支,为研究冻结膨胀土的单轴压缩特性,开展了不同干密度和温度下冻结膨胀土单轴压缩试验。试验结果表明:随着干密度的增加,各温度工况下试样的应力-应变关系曲线均由弱应变软化转为应变硬化形态,且试验温度越高,曲线的软化特征越显著。不同温度工况下试样的破坏模式差异明显。当试验温度为-2℃时,试样破坏时其表面出现明显的局部坍塌与剥落,而-5℃、-10℃和-15℃工况下试样的最终破坏形态均为“鼓状”破坏,试样表面无明显的裂缝和剪切面。冻结膨胀土试样的单轴抗压强度随干密度的增加而线性增大,亦随温度的降低而增大,但在不同的温度区间内增幅不同,其变化幅度主要与试样内部含冰量密切相关。此外,试样的弹性模量随着干密度的增大和温度的降低均线性增大。     

黄土中水分迁移规律现场试验研究

黄土地区降雨诱发滑坡是不争的事实,但黄土地区地下水位很深,降雨入渗地面后如何运移,与地下水有无直接联系,目前还不是很清楚。为此设计了人工滴水试验模拟天然降雨条件,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,观测人工滴水入渗过程中不同深度土体含水率随时间的变化情况,以确定其入渗影响深度。监测结果显示：降雨量为3.82 mm/d (小雨)时,0.5 m内土体含水率变化明显,0.5 m以下土层含水率几乎没有变化;降雨量为10.31 mm/d(中雨)时,1 m内土体含水率有所增加;降雨量达25.21 mm/d(大雨)时,1 m内土体含水率增长明显,1.0～1.6 m范围内有微弱增长;随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。这说明在干旱的黄土地区,若无明显入水通道,短期内降雨的入渗深度有限,很难到达地下水位;但深部古土壤层的观测结果表明,即使在其上部黄土中含水率变化极其微弱的情况下,古土壤中的含水率上升明显,表明黄土中非饱和渗流或水汽迁移是存在的。通过试验还表明,陇东黄土高原地区土壤中水分循环主要发生在浅层0.7 m以内的蒸发带。降雨入渗到蒸发带以内,若无后续降雨补给,则向上蒸发排泄;若入渗至蒸发带以下,则不受蒸发影响,得以继续向下迁移;当遇到不透水面时,会在层面附近富集,有限元模拟也较好地反映了这一规律。     

土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究

土体-大气相互作用是指在多种气象要素共同驱动下,地表浅层土体与大气之间进行物质交换与能量传递的复杂过程.受全球气候变化影响,近年来极端气候事件频发.土体的工程性质在日益严峻的气候环境下发生剧烈变化,产生了大量滑坡灾害,给岩土和地质工程领域带来许多新挑战.系统总结了降雨、气温、空气湿度、风以及太阳辐射5个主要气象要素影响边坡稳定性的机制,分析了土体龟裂、地表植被和土体-大气相互作用之间的关联效应.通过介绍各因素在改变边坡稳定性过程中发挥的作用,构建了一个包括气象要素、土体龟裂以及地表植被的土体-大气相互作用分析体系.该体系为今后土体-大气相互作用下土质边坡稳定性研究确定了关键研究问题,所揭示的作用机理可为今后同类研究提供参考.针对该课题的研究现状,笔者提出了今后的研究方向和重点,包括土体-植被-大气相互作用的理论模型、气候作用下冻土坡体失稳机理、极端气候工程地质作用的生态调控措施三个方面.      

Transfer of moisture through the unsaturated zone in the tropical forest using the neutron probe

Knowledge of moisture content is crucial in assessing spatial and temporal movement of water through the unsaturated zone. Moisture storage is also important for monitoring the soil water balance and for validation of water balance models. The purpose of this work was to determine and analyse moisture content profiles at point locations in the unsaturated zone of a lateritic soil around Nsimi, south of Cameroon. Neutron probe has been connected to a set of tensiometers in an area of 60 ha. A comparative study between a site covered with vegetation and a site uncovered was conducted to assess the influence of vegetation in the process of moisture transfers. The results showed that the spatial distribution of moisture profiles varied according to the site and the texture of the soil, with in general increasing of moisture from the surface horizon toward the deeper layers. The mean values of moisture varied fromθ_m = 0,397 cm³/cm³ on barren site, against 0 = 0,429 cm³/cm³ in vegetation. Values of suction were generally strong in surface and at depth, but weak in the intermediate layers.     

Numerical Simulation of Moisture Movement in Unsaturated Expansive Soil Slope Suffering Permeation

INTRODUCTION Theinfiltrationandevaporationofwaterinasoil slopeareofparamountimportanceindetermining slopestability.Previousengineeringcasesandstud ieshaveshownthatrainwaterisoftenamajorfactor intheslopefailureofexpansivesoils.Expansivesoils intropicalandsubtropicalzonesareoftenunsaturat ed,andsoilslopesareinastablestateinnormalcli mateconditionsbecauseofthehighsuctionandshear strengthofthesoilmass.However,oncepermeation happensrainwaterwillinfiltrateintothesoilmasswhichleadstoanincreasein…     

膨胀土干湿循环胀缩裂隙的定量分析

为研究膨胀土在降雨与蒸发过程中的胀缩裂隙演化规律,对原状膨胀土进行干湿循环的CT扫描试验。利用Matlab软件编写程序对土体CT图进行三维体重建以及裂隙信息的提取,从定性与定量的维度研究土体三维空间裂隙与干湿循环之间的关系。定性研究发现,裂隙发育开始于土体内部初始孔洞与微纹裂等薄弱处,并扩展延伸,形成裂隙面、裂隙体,最后形成复杂的三维裂隙网络;随着干湿循环的进行,裂隙面积和体积逐渐增加,最后趋于稳定。定量研究发现,裂隙面积沿试样轴向的分布具有明显的周期性规律,随着干湿循环的进行,周期逐渐减小,振幅A先增加后减小;裂隙开展分为3个阶段,即裂隙酝酿期、裂隙快速发育期和裂隙平稳发展期,而裂隙发育主要发生在裂隙快速发育期。得出了试样径向裂隙面积、轴向高度与累计干缩体变之间的近似关系,以裂隙体积定义了符合Logistic函数变化规律的扰动函数,可以预测裂隙在试样局部的发展及分布情况,为裂隙膨胀土的渗透特性以及整体与局部的应力、应变研究提供参考。