岩质边坡生态防护客土持水性与渗透性耦合作用试验研究

对于岩质边坡而言,生态边坡防护技术的关键在于植被的形成。为保证植物的生长,客土应同时具备良好的持水性 与渗透性。文章通过室内渗透实验以及蒸发实验研究了不同黄土、硅藻土、秸秆配比条件下渗透性及持水性的耦合关系。 结果表明硅藻土与秸秆的添加能有效降低混合土密度,有利于减小混合物的自重应力、提高边坡稳定性。硅藻土和秸秆单 独掺入时混合土的渗透系数呈指数形式增加,在同等材料用量时,硅藻土对于渗透系数的提高更有效,但当硅藻土和秸秆 以相近的比例掺入时,彼此之间没有形成相互增益,而是此消彼长。硅藻土及秸秆的添加均能增加混合土的持水性,但总 体上使用硅藻土的效果优于秸秆。添加硅藻土、秸秆能够延长土壤的定常蒸发阶段,极大提高了黄土的抗旱能力。     

铅污染对黄土宏观持水性能和微观结构演化的影响研究

垃圾填埋场渗滤液中的重金属与土体发生物理化学反应,可能导致土体微观结构的改变,重金属等有毒物质得以扩散、运移,威胁人体健康和周边环境。为探究重金属污染对黄土宏观持水性及微观结构的影响,采用轴平移技术测得铅污染黄土的土-水特征曲线。通过扫描电子显微镜（SEM）、压汞（MIP）、X射线衍射（XRD）和Zeta电位试验,阐明细观结构变化特征。结果表明：铅污染黄土的进气值随铅离子浓度的增加而减小,当铅污染浓度由0 mg/kg增加至2 000 mg/kg时,进气值从19.18 kPa下降至12.12 kPa;铅污染导致持水性能降低,渗透系数随铅离子浓度的增加而增加,饱和渗透系数从7.92×10–8 m/s增加到3.73×10–7 m/s;铅污染引起的物理化学反应及Zeta电位的降低导致絮凝结构形成,小孔隙占比减小,中孔隙占比增加;铅污染引起的微观结构演化与宏观持水性和渗透性具有良好的对应关系。该研究结果可为重金属污染场地非饱和渗流及溶质运移等问题的研究提供重要参数。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

污泥掺入生活垃圾后的力学特性试验研究

填埋是污泥消化处置的方法之一,由于污泥的工程特性较特殊,填埋会引发很多环境岩土工程问题。考虑到填埋工程会进行分层碾压铺填,在标准击实试验的击实功下制备试样,通过污泥与垃圾土混合后的直接剪切试验、渗透特性试验,考虑淋滤液和降解产气压力共同影响,进行边坡稳定分析。结果表明：污泥和垃圾混合后的强度比垃圾土的强度低,比污泥的强度高,改善了污泥的强度特性;污泥掺入垃圾后的渗透系数与垃圾土的渗透系数相当,没有劣化垃圾土的渗透特性,但比污泥的渗透系数有显著提高;随着污泥掺量的增加,边坡安全系数会先提高后降低,因此,应结合试验和稳定计算结果,确定实际工程的污泥掺入比;考虑降解产气对边坡稳定的影响,安全系数会降低约15%～20%。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

双聚材料改良黄土持水性及生态效应研究

黄土的强水敏性问题是黄土地区生态修复的难点。选取双聚材料,开展崩解试验、变水头渗透试验、土水特征曲线试验以及植物生长生理指标测试等,探讨了双聚材料对重塑黄土工程性能的持水性和生态效应的影响,结合X射线衍射（XRD）、压汞和扫描电子显微镜（SEM）等微观试验,从成分、孔隙分布和颗粒结构等方面综合分析了其加固机理。研究结果表明:双聚材料的掺加能有效提高土样的抗崩解性,耐崩解系数随材料增加而增大。双聚材料能有效增强材料的持水性能,表现为渗透系数减小,土水特征曲线整体上移。双聚材料的掺加能有效提高植物生长和抗旱能力,表现为根冠比更大、根长更长以及超氧化物歧化酶（SOD）值受干旱影响变化量更小。双聚材料的添加并无新物质生成,其作用主要是增强颗粒间联结,生成大量黏聚体,孔隙分布由中孔隙向大孔隙和微小孔隙转化。双聚材料中含有大量极性活性基团酰胺基（—CONH2）吸附架桥使得土颗粒团聚,羟基（—OH）和羧基（—COOH）附着于表面形成保护膜,由团聚粒至团聚体层层包裹促进土壤稳定。     

盐分影响重塑黄土渗透性的微观机制试验研究

“治沟造地”修建水库,导致土地盐渍化,而盐渍土的渗透性是影响工程设计、施工安全的重要因素,因此阐明不同盐分含量及类型条件下的重塑黄土渗透性至关重要。通过制备不同盐分含量的钠、钙盐重塑黄土试样,开展一系列室内变水头饱和渗透试验,探析重塑黄土渗透系数随盐分含量的变化规律。结果表明：随盐分含量增加,重塑黄土饱和渗透系数逐渐减小,两者呈负指数相关,含盐重塑黄土渗透系数与不含盐重塑黄土相比均有不同程度减小;同一盐分含量条件下,钙盐黄土的渗透系数小于钠盐黄土的渗透系数。采用核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）技术,测取重塑黄土的孔隙水赋存状态与孔隙结构随盐分含量与类型的变化;当盐分含量小于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态与孔隙结构的变化使重塑黄土渗透系数迅速减小;当盐分含量大于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态变化使重塑黄土渗透性增加,而孔隙结构变化使重塑黄土渗透性减小且对渗透性的影响占主导,因此重塑黄土的渗透系数缓慢减小;同一盐分含量条件下,钙盐重塑黄土的孔隙水赋存状态和孔隙结构的变化比钠盐重塑黄土更显著。     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

聚丙烯纤维加筋黄土抗侵蚀性能试验研究

以聚丙烯纤维加筋黄土在黄土边坡坡面防护中的应用推广为研究背景,探讨了聚丙烯纤维加筋黄土的抗侵蚀性能及坡面防护效果。基于室内试验,研究了纤维长度和纤维掺量对加筋黄土抗剪强度、抗崩解性和渗透系数的影响规律,并基于试验获得的加筋黄土最佳配合比,开展降雨冲刷模型试验。结果表明:聚丙烯纤维的掺入可有效提高黄土的抗剪强度和抗崩解性,随着纤维掺量的增加和长度的增长,加筋黄土的黏聚力和崩解速率均呈现出先减小后增大的变化趋势,当纤维长度为15mm、掺量为0.5%时,加筋土的抗剪强度和抗崩解性达到最优,相比于素黄土,加筋黄土的黏聚力提升了135.3%、崩解速率降低了91.7%;纤维的掺入提升了黄土的渗透系数,聚丙烯纤维加筋黄土的饱和渗透系数随着纤维掺量的增加而增大,随着纤维长度的增大而减小;聚丙烯纤维加筋黄土的坡面防护效果明显,当边坡坡比分别为1:1.5、1:1、1:0.75时,相比于无防护边坡,其冲刷速率分别降低了90%、90.4%和87.3%,累计冲刷量分别降低了85%、85.5%和83.6%。     

马兰黄土渗气率与饱和渗透系数的关系研究

利用改进的ZC-2015型渗气仪和TST-55型渗透仪进行马兰黄土渗气和饱和渗透试验,确定稳定渗气率对应的稳定渗径,进而探讨渗气率ka和饱和渗透系数Kw的关系。研究结果表明: ka不仅能描述非饱和土孔隙和结构特征,也能用于预测Kw。气体渗气率随着渗径的增大而减小,最终趋于稳定,原状和重塑黄土的稳定渗径均约8 cm。ka和Kw间呈明显的双对数线性关系,不同深度的原状风干黄土和不同粒组的重塑土的lgka和lgKw间的相关性都比较明显,但原状风干黄土和重塑土之间的拟合公式有很大差异。另外,黏粒含量较高时,重塑土拟合直线的斜率β和截距α明显增大。不同含水率下,重塑土拟合公式有很大的差异,当含水率较大时,随着干密度的增大,ka的变化程度比Kw大,拟合直线的斜率β和截距α都有明显的减小。     

Effects of straw mulching on soil evaporation during the soil thawing period in a cold region in northeastern China

To study the effect of straw mulching on soil water evaporation, it is necessary to measure soil water evaporation under different conditions of straw mulching during the soil thawing period. A field experiment was conducted in winter, and soil evaporation was measured using a microlysimeter on bare land (LD) and 4500 (GF4500), 9000 (GF9000) and 13500 \(\hbox {kg/hm}^{2}\) (GF13500) straw mulch. The influence of different quantities of straw mulch on soil water evaporation during the thawing period was analyzed using the Mallat algorithm, statistical analysis and information cost function. The results showed that straw mulching could delay the thawing of the surface soil by 3–6 d, decrease the speed at which the surface soil thaws by 0.40–0.80 cm/d, delay the peak soil liquid water content, increase the soil liquid water content, reduce the cumulative evaporation by 2.70–7.40 mm in the thawing period, increase the range of soil evaporation by 0.04–0.10 mm in the early stage of the thawing period, and reduce the range of soil evaporation by 0.25–0.90 mm in the late stage of the thawing period. Straw mulching could reduce the range of and variation in soil evaporation and can reduce the effect of random factors on soil evaporation. When the amount of straw mulch exceeded 9000 \(\hbox {kg/hm}^{2}\), the effect of increasing the amount of straw mulch on daily soil water evaporation was small.     

复绿基质客土的水分蒸发试验研究

客土水分循环及水平衡是植被护坡研究的重要问题。以基质客土为对象进行蒸发试验,对距坡面不同深度处的含水率进行测定,观测自然日照下含水率随时间变化情况;采用微型蒸发器测试不同厚度、坡度、温度以及基质配比下的客土水分蒸发量值,以分析影响客土水分蒸发量的因子。结果表明:客土含水率随时间呈现阶段性的变化,其内部不同深度含水率值不同。含保水剂和泥炭的客土达到饱和时间较未添加的试样明显要短,表明其增大了客土的吸水性和吸水速率,但保水剂和泥炭的添加也降低了客土的重度。保水剂含量0%的试样11d累计蒸发量比添加0.2%保水剂客土高21.2mm,说明0.2%的保水剂和12%泥炭含量能明显减小客土蒸发速率,抑制客土水分散失。温度是影响客土蒸发量的直接因素,坡度和厚度通过影响含水量从而影响蒸发量,同时控制着蒸发过程的能量供给,坡度和厚度过大不利于客土自身稳定性,客土边坡坡度不宜大于1︰0.75,厚度控制在10~20cm,能极大增加植被有效持水量。     

黄土边坡降雨冲刷模型试验研究

针对边坡表层受降雨冲刷易引发水土流失并导致滑坡灾害的难题, 以黄土边坡为例, 提出了一种基于减排水理念的生态固坡综合防护方法。采用自主研制的边坡降雨模拟实验装置, 考虑不同改良剂掺量、格构防护形式、雨强、历时、坡比等因素对防护效果的影响, 研究不同因素组合影响下的边坡土体侵蚀规律与演化机理。试验结果表明, 黄土边坡坡面侵蚀可归纳为溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌、滑坡的过程; 随改良剂掺量增加, 改良边坡抗侵蚀能力增强, 综合考虑提出改良剂的最优掺量为3‰; 与素土边坡相比, 3‰改良剂改良边坡受雨强的影响较小; 随降雨历时增加, 改良剂改良效果越明显; 改良剂、框格梁以及两者的综合利用, 均能有效提高边坡抗雨水冲刷与侵蚀能力; 边坡坡度增大至一定程度, 坡体受降雨侵蚀易突然发生整体滑塌, 需进行重点关注; 改良剂主要通过絮凝作用使土颗粒之间镶嵌黏结更紧密, 从而提高黄土的持水性和抗蚀性。     

抗疏力固化剂改性黄土进失水能力研究

抗疏力固化剂在我国黄土加固中运用较少,探究抗疏力固化剂是否有利于维持黄土内部干燥状态很有必要。采用抗疏力固化剂对重塑Q3黄土改性,室内开展水滴入渗试验、柔性壁渗透试验、收缩试验及压力膜仪脱水试验,分别探讨抗疏力固化剂掺量对黄土进水、渗透及失水能力的影响。结果显示,随抗疏力固化剂掺量提高,土样斥水性急剧增大,明显优于粉煤灰、水泥、石灰改性土;渗透系数基本不变,水的流通性基本不变;干缩失水过程改性土样含水率及土-水特征曲线毛细作用区曲线斜率均变化不大,黄土失水能力基本不变。结合电镜及压汞试验结果可知,抗疏力固化剂对黄土中大孔隙、中孔隙体积含量影响较小,从而对黄土中水的流通及失去能力影响较少,证明抗疏力固化剂改性黄土斥水性明显提高,而失水能力基本不变,有利于维持黄土内部的干燥状态。     

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明:土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。      

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。     

大气影响下平顶山膨胀土地表蒸发研究

为探索膨胀土的蒸发特征,对平顶山市区膨胀土进行了不同初始含水量土体的室内和室外蒸发试验研究,测试了蒸发过程中土体含水量在不同深度的变化。对室内、外试验结果及其差异性进行了分析,发现室内和室外土样的蒸发强度差别较大,但是蒸发系数相差不大,蒸发系数与土体含水量、含水量梯度有较强的相关性。地表土体接近饱和时,蒸发系数在1上下波动。随着蒸发的持续,蒸发系数随地表含水量降低而下降,含水量梯度随地表含水量的降低而升高。当地表含水量达到残余含水量时,含水量梯度达到极大值,持续蒸发含水量梯度将继续减小。土体蒸发系数与蒸发历时进行拟合,呈较好的对数关系。