层状土毛细水上升过程中Lucas-Washburn模型评价及修正

受界面效应影响,毛细水在层状土中运移规律还难以用描述均质土中水分运移规律的Lucas-Washburn（LW）渗吸模型进行描述。基于此,本文设计了层状土室内模型试验,采用分布式的主动加热光纤法（简称AHFO）监测毛细水上升过程。根据AHFO测试结果,进一步对LW模型进行了修正,提出了适用于描述层状土中毛细水上升规律的ILW模型,并对ILW模型进行了试验验证。试验结果表明:（1）当毛细水湿润锋抵达“黏土（下部）-砂土（上部）”界面时,会产生“毛细屏障作用”,从而导致上部砂土中毛细水含水率急剧下降;（2）“毛细屏障作用”由砂土和黏土中的基质吸力不均衡造成,基质吸力大小由含水率决定;（3）当毛细水湿润锋抵达“砂土（下部）-黏土（上部）”界面时,在界面处出现“反毛细屏障作用”,从而导致上部黏土层中的含水率比相邻下部砂土层含水率更高;（4）虽然常见的LW模型可准确预测均质土中毛细水上升高度及速率,但受“毛细屏障作用”和“反毛细屏障作用”影响,LW模型在层状土中失效;（5）相比LW模型,ILW模型精度更高,能够更加准确地描述层状土中毛细水上升规律。     

非饱和含黏土砂毛细上升试验研究

采用MP406水分传感器、WM-1负压计和DT80数据记录仪等设备,开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。研究表明：初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响,本套系统可测定毛细上升的实际高度,在土样渗透系数未知的情况下可对不同土样测定其毛细上升的最大高度;可根据湿润锋运动速度、土样含水率变化和吸力变化数值,确定非饱和土渗水系数,从而避免了渗透系数确定费时、费力的困难;可由吸力预测试样的渗水系数,只需测定该土的土-水特征曲线或进行吸力量测即可确定出该土在这一吸力下的渗水系数;并拟合出不同初始含水率试样的湿润锋随时间变化规律     

非饱和土路基毛细作用的数值与解析方法研究

通过建立非饱和土毛细作用的孔隙分布的分形模型,推导获得了非饱和土毛细水的最大上升高度,同时基于Richards水分运动微分方程,引入边界及初始条件,基于Laplace变换,得到了毛细作用下非饱和土路基湿度变化的解析解;同时引入算例,将所提出的解析方法计算结果与未简化参数的数值计算结果进行了对比分析;最后考虑不同因素的影响进行了非饱和土路基毛细作用下的湿度变化分析。分析结果表明：解析求解获得的路基湿度变化趋势和未进行参数简化的数值法求解结果基本一致,证明解析解法是合理可信的;路基填筑的初始含水率越大,填土的初始吸力越小,毛细水上升的高度及湿度变化量也相应越小;透水性能较好的路基填土毛细水上升速度较快,但上升高度较小,毛细水可以在较短时间内上升到最大高度;路基的填土类型不同,路基在毛细作用下的湿度变化状态也不同,需要针对不同的填土路基进行相应的防排水措施。     

湿度对盐溶液在壁画地仗中的毛细迁移影响研究

盐溶液在地仗中毛细迁移引起的盐分迁移、富集已成为壁画病害发生的重要原因。研究不同湿度条件下盐溶液在模拟地仗中的毛细迁移过程对可溶盐再分布的影响。分析不同湿度条件下毛细上升高度随时间的变化关系,含水率和电导率随高度变化关系,毛细饱和后试样表面变化情况及可溶盐含量随试样高度的分布。试验结果表明,空气相对湿度越低,毛细上升过程中水分向空气中迁移越多,水分难以向上迁移。试样的含水率随高度呈递减趋势,而电导率随试样高度增加而增大。可溶盐在毛细水上升过程中发生结晶分异,毛细前锋以NaCl结晶富集为主,亚前锋以Na2SO4结晶富集为主。其研究结果可以为壁画盐害的防治提供基础科学依据。     

基于土水特征曲线预测多孔介质毛细上升过程

多孔介质中毛细吸力作为其重要物性参数,有着重要的工程应用背景。本文结合Gardner模型的土水特征曲线和Micro-CT(Micro computerized tomography)断层扫描仪获取的多孔介质的结构形态参数,根据吸力和饱和度的拟合关系,建立了一维非饱和毛细上升模型。同时,采用有限差分方法对多孔介质非饱和毛细水上升模型进行非稳态求解,获取不同时刻湿度场和毛细吸力的分布情况,并给出了一种量化多孔介质毛细上升过程的理论方法。为验证该方法的有效性,本文在室内以窄筛分洗砂作为研究对象,通过室内试验测定其毛细吸渗上升过程及稳定时的湿度分布。结果证实,模拟结果和实测结果整体上具有较高的吻合性。本文提出的多孔介质毛细上升的预测方法具有可行性,可用于预测砂土的毛细水上升高度和湿度场的分布状态。     

基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析

非饱和土的渗透系数函数测量难度大、耗时长,湿润锋前法(WFM)可在短时间内测得渗透系数函数(HF),但依赖肉眼识别的湿润锋,存在一定的局限性,且该方法的测量精度尚不明确,有待验证。文中针对湿润锋前进法进行研究,探讨初始含水率、湿润锋阀值、降雨入渗速率、传感器位置等因素对湿润锋前进法的测量精度的影响。采用Seep/W软件模拟均质土柱的入渗过程,分析湿润锋前进法数据,计算土体的渗透系数,将其和输入的渗透系数（可认为是真实解）进行比较,对湿润锋前进法的计算精度进行评估,并讨论误差的来源。分析结果表明,湿润锋前进法能够获得比较精确的计算结果;使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率,突破了原始湿润锋前进法存在“肉眼观察”的局限性,大大拓展了该方法的适用性;传感器间距对湿润锋前进法渗透系数函数计算精度没有直接影响;初始含水率越低,降雨入渗速率越大,渗透系数函数范围跨度越大。基于文中的分析结果,对湿润锋前进法的试验设计时,建议采用30～50 cm的土柱进行试验,传感器的数量建议为3～4,可以采用任意初始含水率进行试验接近干燥更好,为避免表面积水,建议降雨强度小于饱和渗透系数。     

湿度影响下莫高窟壁画地仗层吸附水及吸力变化特征研究

莫高窟气候干燥,窟内壁画地仗层常处于低含水率、高吸力的状态,受到洞窟环境湿度波动的影响较大。为了进一步了解湿度影响下地仗层土体中吸附水以及吸力变化特征,本文通过蒸汽吸附法测试莫高窟不同地仗层高吸力段内的土水特征曲线,并且根据测试结果分析土体中由于范德华力与毛细凝聚作用产生的不同吸力的变化特征;同时进一步利用蒸汽吸附法测试了含NaCl地仗层土水特征曲线并探讨水汽吸附过程中渗透吸力特征;此外利用热重分析方法测试地仗层土体中在范德华力与毛细凝聚作用下所吸附水分的特征。结果表明:地仗层水汽吸附过程中土体内大部分基质吸力来自于毛细凝聚作用,土颗粒分子间范德华力仅在含水率极低的情况下为土体提供比较明显的吸力,湿度影响下地仗层水汽吸附过程中土体内渗透吸力仅在外界环境湿度大于地仗层中盐分的潮解临界湿度时才比较明显;地仗层土体所吸附的水分大部分以弱结合水形式存在,并且地仗层中澄板土含量越高,弱结合水临界含水率越大。结论可以为湿度影响下的壁画病害机理以及地仗层中水汽运移等问题的研究提供理论基础。     

某尾矿坝毛细水带内的坝体材料物理力学特性研究

毛细水的存在将使尾矿坝坝体材料的物理力学特性发生较大变化,这种变化对尾矿坝的安全稳定势必产生影响,而国内外在此方面的研究工作却鲜有报道。为此,开展了某尾矿坝坝体材料现场取样、室内土工试验工作,并采用自制的毛细水带分层取样试验装置开展了长达6个月的毛细水上升测试工作,通过分层取样及土工试验,得到了毛细水带内尾矿砂的物理力学特性,进而系统地研究了毛细水带尾矿砂的含水率、重度、黏聚力、内摩擦角等物理力学指标随毛细水高度的变化特征。研究发现,毛细水带内尾矿砂的含水率和重度均随毛细高度而减小;黏聚力和内摩擦角的变化均随毛细高度和含水率呈先增大后减小的变化规律,其中内摩擦角的变化规律与以往相关研究所得结论并不完全相符,分析指出,这是由于毛细水和尾矿砂颗粒的表面特性所导致的;简要分析了抗剪强度随毛细高度的变化规律,发现其受毛细作用影响较大,呈先增大后减小的变化趋势。研究结果为坝体、边坡等工程的稳定性研究工作提供了一种新思路,为今后建立考虑毛细水作用下尾矿坝稳定性分析方法和理论奠定了基础。     

前期含水率对浅层滑坡降雨入渗及稳定性影响研究

降雨是诱发滑坡的主要因素之一。目前普遍认为,湿润锋下移导致的土体基质吸力减少是降雨影响滑坡失稳的主要原因,而土壤前期含水率是影响湿润锋下移过程的重要因素之一。基于Green-Ampt模型,推导了考虑坡角影响下的滑坡体降雨入渗表达式,同时,结合无限斜坡模型分析了持续稳定的降雨条件下滑坡体稳定性的变化情况,探讨了前期含水率对于降雨过程中浅层滑坡稳定性的影响规律。结果表明:随着降雨的持续进行,浅层滑坡稳定性开始下降较快,之后趋于平缓。前期含水率会影响湿润锋的下移速度,当前期含水率分别为0.32,0.36,0.40时,湿润锋下移速度分别为0.109,0.173,0.42m/h,说明前期含水率越大,湿润锋下移的速度越快;而前期含水率对于浅层滑坡稳定性的影响主要在降雨初期。     

钙质砂中毛细水高度与影响因素试验研究

钙质砂是指富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类的海洋成因的特殊介质,具有形状不规则、多孔隙且富含内孔隙等特点;土体因孔隙特性而存在广泛的毛细现象,植物根茎内的导管有如极细的毛细管,能由此吸收土壤里的水分,故钙质砂地层毛细水上升高度研究对岛礁生态研究有重要的意义。采用竖管法研究级配、粒径、干密度、盐度等因素对钙质砂毛细水上升高度的影响,结果显示：细颗粒含量越多、级配越好的连续级配钙质砂试样毛细水上升高度越高;单一粒径钙质砂试样毛细水上升高度随粒径的增大而减小;随着钙质砂干密度增加,粒径小于0.075 mm时毛细水上升高度逐渐减小,而粒径为0.075～0.250 mm时毛细水上升高度逐渐增大;与淡水相比,在低盐度下NaCl溶液对毛细水上升有抑制作用,海水对毛细水上升有促进但效果微弱。钙质砂中毛细水上升高度随时间变化关系符合双对数坐标下的二次多项式关系,其参量与钙质砂的物理性质以及溶液类型相关。     

基于竖管法的轻非水相液体毛细上升特性研究

被称为“工业血液”的轻非水相液体(LNAPL)及其衍生物在开采、生产、运输过程中所产生的污染已经成为常见的污染物,目前诸多学者对LNAPL污染进行了广泛研究,但对于LNAPL在土壤中的迁移及毛细作用研究尚不充分。本次试验的目的是通过室内模拟试验分析不同竖管直径条件下LNAPL在不同介质中的毛细上升规律,为研究LNAPL对地下水污染提供一定的理论依据。结果表明：影响毛细上升高度的因素大小依次为：溶液>介质>竖管直径;竖管直径与最大毛细上升高度并不是完全成比例关系,并且对毛细上升高度的影响相对较小;水与柴油在不同介质中毛细上升高度、毛细上升速率变化趋势基本一致,但是具体数值上存在差异,柴油的最大毛细上升高度与水相比降低了40%～50%,柴油的最大毛细上升速率与水相比降低30%～50%。这些特征都能够较好地体现LNAPL在不同介质中的毛细上升规律,在认识LNAPL对地下水的污染以及污染土地修复方面具有重要意义。     

水-力耦合及干湿循环效应对浅层残积土斜坡稳定性的影响

降雨入渗过程中,土体吸力降低,体积明显改变。天然浅层土体长期受到季节性气候变化的影响,因此,开展水-力耦合及干湿交替对浅层残积土坡稳定性影响的数值分析,分析浅层土坡孔隙水压力、湿润锋及安全系数的时空演变规律,并对水-力耦合及干湿交替条件下的浅层土坡失稳破坏机制进行探讨显得尤为必要。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加,水-力耦合分析下孔隙水压力以及湿润锋的迁移速度增加更快,边坡也更易失稳破坏;干湿交替初期,雨水入渗易引起地下水位上升,边坡可因正孔隙水压力的增加而失稳;干湿交替后期,湿润锋的快速推进加剧基质吸力迅速丧失及土体强度下降,边坡安全系数显著降低,发生失稳破坏的时间缩短。因此,可将湿润锋处的安全系数(局部最小值)作为控制边坡长期稳定性的临界值。     

水位波动下路基湿度动态响应及地下防排水模型试验研究

设计加工了室内路基防排水模型试验系统,进行了地下水位波动影响下的路基水分迁移及地下防排水的室内试验研究。通过改变地下水位高度,研究了无任何隔水措施、加入普通砂垫层及新型防排水材料作为地下防排水基层工况下路基湿度的动态响应,评价了公路路基地下防排水基层的防排水效果。试验结果表明,在地下水位的波动影响下,近地下水位的路基湿度不仅随着地下水位的变化作相应的变化,上部土体湿度因毛细作用的存在也有较大幅度的增加,当地下水位较低时,砂垫层起到了较好的防排水效果;而当地下水位较高时,砂垫层内部的毛细水上升高度大于砂垫层的高度,路基湿度产生较大变化;新型的防排水材料能有效阻止毛细水进入路基内部,具有较好的防排水效果。     

压实红黏土水分传输的毛细效应与数值模拟

当路基处于地下水水源丰富且水位较高的区域时,容易受到地下水的毛细上升侵蚀作用。为治理因水分毛细上升而引起的路基病害,需了解其毛细上升规律。在水平吸渗试验原理的基础上略加改进,自制了一套毛细上升试验装置,进行了三种不同初始干密度试样的试验。结果表明,毛细上升高度与含水率的关系类似于土-水特征曲线;试样的干密度越大,在相同的时间内毛细上升高度越小;水分因毛细效应的扩散能力随初始含水率的变化存在一个最优含水率点。最后,利用有限元方法模拟了水分在不同时刻沿着试样高度的分布规律,并对比分析了试验终了时刻的计算值与实测值,二者之间的分布规律比较一致。     

毛细导水布料排水性能及孔隙结构试验研究

本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类:COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4 μm,SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8 μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率多降低了2.19%。在毛细上升高度试验中,COOLMAX的毛细上升高度最大,表明毛细导水材料的吸水能力与其孔隙分布特征有关,孔隙分布越密集,其吸水能力越强。     

上方来水对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响

在防止土壤侵蚀和雨后抑制蒸发的条件下,利用室内模拟降雨试验,研究了上方来水对坡面降雨入渗、湿润锋运移以及土壤水分再分布的影响。结果表明:对于初始含水量很低的土壤,与上方无来水相比,上方来水时降雨入渗过程中入渗率有一个上升的阶段,但平均入渗率反而降低;在降雨入渗初期,由于上方来水的沿程入渗,上方来水对坡面湿润锋运移的影响较大,但随后几乎没有影响,湿润锋的运移主要与基质势梯度有关;土壤水分沿坡面呈"波浪形"分布是坡面径流的波动性、上方来水(径流)的沿程入渗以及侧向沿坡向下流等综合作用的结果。     

斜坡降雨入渗的改进Mein-Larson模型

土壤初始含水率分布是影响湿润锋下移的重要因素之一.传统的降雨入渗模型仅假定初始含水率均匀分布,并没有考虑非均匀分布的情况.以Mein-Larson降雨入渗模型为基础,假定初始含水率随垂直于坡面方向深度呈线性分布,推导了一种新的滑坡降雨入渗函数,弥补了原模型只能用于初始含水率均匀分布情况下的不足.研究结果表明:初始含水率分布对湿润锋下移有较大影响,在初始含水率呈线性分布的情况下,坡体表面含水率越大,含水率随垂直于坡面方向深度的变化率k值越接近零,湿润锋下渗速度越快,当k=0时,新模型退化为Mein-Larson降雨入渗模型,证明Mein-Larson降雨入渗模型是新模型的一个特例.与有限元法得到的结果对比表明,提出的降雨入渗新模型计算的湿润锋下渗深度与数值解结果相接近,证明了该方法的可靠性.      

包气带非水相污染物迁移离心模型研究中的相似比例关系

非水相污染物在包气带中的迁移是一个复杂的物理、化学及生物过程 ,离心模型是解决该问题的有效途径之一。采用理论分析和数值分析的方法 ,对两种湿润历史条件下 ,二相与三相体系中 ,毛细上升高度、达到毛细平衡所需要的时间以及迁移距离等与离心加速度之间的关系进行了研究 ,提出了存在于包气带非水相污染物迁移离心模型研究中的相似比例关系     

低温水入渗条件下土壤水分温度动态变化

自制土槽试验装置,室内模拟低温水在河岸带土壤中非饱和入渗的过程。以填装中细砂为研究对象,进行了3种不同水头下的低温水入渗试验,对低温水在土壤中的入渗过程和水分、温度时空动态作了连续监测,分析了水头对入渗参数、水分场与温度场的影响规律。试验结果表明:在相同时间内,入渗水头越高,湿润锋垂直(水平)运移距离越大,垂直湿润锋的运移速度随入渗时间的增加有逐渐减少的趋势,最后逐渐趋于稳定;水头5 cm作用时入渗率波动较大,稳定时间大于水头25 cm和45 cm作用时土壤达到稳定入渗率所需的时间;入渗水头越高,平均温度下降越快,温度场也更快地达到相对稳态,水头25 cm在低温水入渗420 min后基本上达到稳态,水头45 cm在240 min后基本达到稳态。     

基于最小作用原理的Richards方程变分解

经典的Richards入渗控制方程属于偏微分方程,具有强烈的非线性,难以求得解析解。以入渗时间为最小作用量,基于Richards方程建立关于入渗路径的时间泛函,将考虑重力项的非饱和土垂直入渗问题转化为泛函极值问题,并构造等价的Euler-Lagrange方程进行求解。计算结果表明,扩散系数D（?）与概化湿润锋距离具有函数关系,当扩散系数D（?）形式已知时,可求得最优路径下湿润锋处含水率、较远处湿润锋最小含水率、土壤含水率最大熵分布3个问题,并基于最优路径检验了本研究条件下,Boltzmann变换和线性变换求解Richards方程的精度。求解过程未引进新变量化简Richards方程,不改变原方程结构,因此其解具有普遍性,可作为非饱和土力学计算的一个补充。