土-水特征曲线滞后阻塞模型

基于Young-Laplace方程利用土-水特征曲线估算孔隙分布,借鉴非饱和渗流统计模型,建立了土-水特征曲线的滞后模型。在某一基质吸力下对应的毛细半径上限的毛细水对更大孔隙半径的毛细水具有阻塞作用,阻塞概率与孔隙分布函数直接相关。孔隙分布函数自身属性体现了土体孔隙空间分布的非均匀性。该模型显示：在高基质吸力与低基质吸力阶段,脱湿曲线与吸湿曲线趋近相等;中等基质吸力阶段,脱湿曲线饱和度高于吸湿曲线饱和度,两者的差值存在一个明显的峰值。并采用实例验证了该模型的可靠性,发现该模型对中、细粒土预测效果较好,而砂类土因孔隙分布不符合假设,导致存在较大误差。对于砂类土等特征尺寸较大的土质,引入阻塞概率修正系数,发现最佳修正系数与土-水特征曲线半对数坐标下的土-水特征曲线最大斜率呈反比例关系。     

确定田间土壤水力传导率的分形方法

采用了一种简便易行的分形方法来间接估计水力传导率函数,即根据土壤粒径分布曲线确定孔隙表面分形维数,将其作为分形水力传导率模型的参数来预测整个压力水头范围内的水力传导率.利用UNSODA数据库中217个样本的实测资料对模型进行检验,结果表明分形方法预测的水力传导率其精度明显高于根据水分特征曲线利用统计孔径分布模型的估计结果.     

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.     

土水特征曲线的通用数学模型研究

土水特征曲线对于研究非饱和土的物理力学特性至关重要。根据土水特征曲线可以确定非饱和土的强度、体应变和渗透系数 ,甚至可以确定地下水面以上水份分布。由于土体物理力学特性的差异 ,导致描述其土水特征曲线的数学模型也各不相同。因此 ,建立土水特征曲线的通用数学表达式 ,显得尤为必要。本文对土水特征曲线数学模型进行了研究 ,依据这些模型的数学表达式形式 ,将其划分为 4种类型。分别由这 4种类型的数学模型推导出具有统一表达式形式的土水特征曲线通用数学模型 ,并运用陕北高原黄土土水特征曲线试验数据对通用数学模型进行了研究     

基于孔隙胀缩的土−水特征曲线滞后增量模型

土体孔隙比对土?水特征曲线（SWCC）具有重要影响。试验研究表明,土体在经历不同水力荷载路径后,孔隙发生胀缩致使SWCC产生滞后现象。基于这一发现,假设孔隙胀缩可致使SWCC曲线及扫描曲线产生滞后现象,并以轴平移技术为例解释了土体孔隙在水力载荷作用下胀缩的细观行为。在此基础上,将由变截面毛细管模型定义的孔隙等效半径与Fredlund-Xing方程相结合,通过将孔径控制参数?d简化为常量,推导得到了考虑孔隙胀缩并能反映滞后效应的非饱和土SWCC增量方程。该模型仅需通过主干燥及任意一条扫描曲线确定模型参数,即可预测其他扫描曲线。最后,通过5组试验数据验证了该模型对不同类型土的适用性且该模型具有预测高阶扫描曲线的能力。     

基于分形理论的SWCC边界曲线滞后效应模型研究

微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。     

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。     

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...     

基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

根据数字图像制备分析技术得到大孔隙数目、大小和形状等特征数据,用分形理论计算孔隙分形维数,并对两类不同质地土壤的孔隙分形维数进行分析比较,应用基于孔隙分形维数的大孔隙分形模型,建立了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的预测模型。结果表明,孔隙分形维数D_v可定量描述不同质地土壤结构,其模型预测精度优于颗粒大小分布估计的分形模型,可用于实际问题的研究。     

用土的分形结构确定土的水份特征曲线

运用筛析法和比重计法，分析了宁夏膨胀土的颗粒分布，发现粒径介于0．002～0．1mm的粒度分布是分形的，分维介于2．46～2．67；运用上孔隙分布的分维确定水份特征曲线，得到了很好的结果。此外，还探讨了粒度分形分布的机制。     

土-水特征曲线的分形特性及其分析拟合

为了建立一种参数有明确物理意义的土-水特征曲线拟合方法,基于分形理论,给出了一种直接通过土-水特征曲线实测数据求解分维数的计算方法,建议了一种土-水特征曲线拟合分析的分形模型。为验证所建议拟合方法的合理性,采用液压千斤顶制作了7个不同干密度黏性土试样,利用压力板仪测量了土-水特征曲线。基于土-水特征曲线实测值计算了分维数,在此基础之上对土-水特征曲线实测数据进行分析拟合。结果表明：分维数计算及拟合分析时,7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间,从而证明了土-水特征曲线具有良好的分形特性,建议的拟合方法效果较好。此外,研究发现,分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加,据此建议了一种不同压实度下的土-水特征曲线预测方法,其预测结果与实测值吻合较好。     

分形渗透模型在饱和冻土中的应用

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。     

Fractal models for predicting soil hydraulic properties: a review

Modern hydrological models require information on hydraulic conductivity and soil-water retention characteristics. The high cost and large spatial variability of measurements makes the prediction of these properties a viable alternative. Fractal models describe hierarchical systems and are suitable to model soil structure and soil hydraulic properties. Deterministic fractals are often used to model porous media in which scaling of mass, pore space, pore surface and the size-distribution of fragments are all characterized by a single fractal dimension. Experimental evidence shows fractal scaling of these properties between upper and lower limits of scale, but typically there is no coincidence in the values of the fractal dimensions characterizing different properties. This poses a problem in the evaluation of the contrasting approaches used to model soil-water retention and hydraulic conductivity. Fractal models of the soil-water retention curve that use a single fractal dimension often deviate from measurements at saturation and at dryness. More accurate models should consider scaling domains each characterized by a fractal dimension with different morphological interpretations. Models of unsaturated hydraulic conductivity incorporate fractal dimensions characterizing scaling of different properties including parameters representing connectivity. Further research is needed to clarify the morphological properties influencing the different scaling domains in the soil-water retention curve and unsaturated hydraulic conductivity. Methods to functionally characterize a porous medium using fractal approaches are likely to improve the predictability of soil hydraulic properties.     

动荷载作用下结构性软土微结构变化的分形研究

为探讨天津滨海新区典型结构性软土的动力特性,采用动三轴试验和压汞试验,对交通荷载作用下结构性软土微观结构变化进行了研究。取原状土和动荷载作用后的土样进行压汞测试,用分形理论对压汞测试数据进行分析,探讨孔隙分布特征,提出孔径划分的方法,给出了卓越频率与土体孔隙变化的规律。研究结果表明：在动荷载作用后,天津滨海新区典型软土的孔隙分布发生改变,可分为3种类型;利用Menger海绵模型研究交通荷载作用下结构性软土的孔隙分布特性是可行的;用孔隙分维数可实现对卓越频率的预测以及路基土体变形行为的机制分析。     

分形多孔介质孔隙微结构参数与渗透率的分维关系

根据分形几何理论的基本概念,就无序分形多孔介质孔隙率φ和渗透率K与多孔介质结构分数维数Df的关系进行了推导,利用Sierpinski固相分形体(Solid mass fractal)与孔相分形体(Pore mass fractal)概念对分形多孔介质微结构特征、孔隙累积数量-尺寸分布和孔隙率φ等参数及其物理关系给予了详细论述,定量地分析和讨论了基于不同模型的渗透率-分形维数关系与它们的差异.     

基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究

为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律, 以重塑黄土为研究对象, 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征, 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布, 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加, 特别是经历6次冻融作用后, 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续, 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时, 黄土孔隙呈现显著的分形特性, 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形, 在不同的尺度范围内, 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。     

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。     

祁连山南北麓明长城夯土抗剪强度指标与分维值相关关系

夯土是具有明显时代、地域、工艺和取材属性的土体,其抗剪性能评价和参数获取是干旱、半干旱地区夯土遗址稳定性评价和控制领域所面临的基础性问题。选取了分布于祁连山南北两麓的我国规模最大的线性遗址明长城18处段落的原状夯土作为研究样本,在建造地点、年代和工艺调查的基础上,采用直接剪切试验、土-水特征曲线测试、颗粒分析试验、相关与回归拟合分析对夯土抗剪强度指标、孔隙和颗粒特征及其联系进行了系统的研究。研究结果表明：18处不同属地夯土依据黏聚力和内摩擦角的取值大小可划分为抗剪性能弱型和抗剪性能强型,颗粒及孔隙的组成与分布具有良好分形特征;黏聚力和内摩擦角值与粒度分维值和孔隙分维值存在量化对应关系,以分维值为变量建立数学模型预测的抗剪强度指标与实测值的误差不超过7.5%,为有效获取抗剪参数和评价抗剪性能提供了新途径。     

碳封存砂岩储层的孔隙迂曲度分形特征研究

目前“双碳”减排的背景下,砂岩咸水层是最具潜力的二氧化碳封存介质,其孔隙结构特征决定了流体的运移及封存效率,对其进行研究具有重要的科学意义。分形维数常用于定量表征砂岩孔隙结构在三维空间中的分布规律,但以往对砂岩孔隙迂曲度分形特征进行研究时,多依赖于孔隙率、平均孔隙半径、平均迂曲度等特征值计算分形维数,并不能很好的反映岩石孔隙排列分布及孔隙连接的非均质性。文章将砂岩孔隙结构概化为具有迂曲度的毛细管,首先通过核磁共振成像（MRI）技术获取岩石片层图像,以盒维数法获得孔径分布分形维数;随后以孔径分布分形维数为目标值,结合不同迂曲度下的毛细管数量与孔径的分形标量关系,迭代计算迂曲度分形维数。与传统的分形维数计算方法相比,该研究确定的迂曲度分形维数更能体现岩石内部不同孔隙排列方式引起的迂曲度差异。     

Fractal Characteristics of Coal Pores Based on Classic Geometry and Thermodynamics Models

To better understand the characteristics of coal pores and their influence on coal reservoirs, coal pores in eight main coalfields of North China were analyzed by mercury porosimetry and scanning electron microscopy (SEM). Fractal characteristics of coal pores (size distribution and structure) were researched using two fractal models: classic geometry and thermodynamics. These two models establish the relationship between fractal dimensions and coal pores characteristics. New results include: (1) SEM imaging and fractal analysis show that coal reservoirs generally have very high heterogeneity; (2) coal pore structures have fractal characteristics and fractal dimensions characteristic of pore structures are controlled by the composition (e.g., ash, moisture, volatile component) and pore parameters (e.g., pore diameter, micro pores content) of coals; (3) the fractal dimensions (D1 and D2) of coal pores have good correlations with the heterogeneity of coal pore structures. Larger fractal dimensions correlate to higher heterogeneity of pore structures. The fractal dimensions (D1 and D2) have strong negative linear correlations with the sorted coefficient of coals (R2=0.719 and 0.639, respectively) that shows the heterogeneity of coal pores; (4) fractal dimension D1 and petrologic permeability of coals have a strong negative exponential correlation (R2=0.82). However, fractal dimension D2 and petrologic permeability of coals have no obvious correlation; and (5) the model of classic geometry is more accurate for fractal characterization of coal pores in coal reservoirs than that of thermodynamics by optimization.