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。      

非饱和粉土路基内水分迁移规律试验研究

动载作用下非饱和粉土路基内部的水分迁移规律,对研究重载铁路在浸水状态下的路基稳定具有重要意义。基于范德堡原理,利用土样的电阻率特性,研制出一套基于GDS动三轴仪的非饱和土样含水率分布规律测试系统。利用该系统开展浸水动三轴试验,并对试验过程中非饱和试样的分层含水率进行连续测试,探究土样的初始压实度、动载的动应力幅值对非饱和土样内部水分迁移的影响规律。结果表明：该测试系统可在动三轴试验过程中对非饱和试样的分层含水率进行实时、无损、连续地测定,测试结果的最大误差为0.7%;非饱和土样在动载作用下随其含水率逐渐增大,土样的初始压实度对电阻率的影响程度减弱,接近饱和含水率时可忽略;土样初始压实度、含水率与土体电阻率具有确定的函数表达式,并具有良好的相关性及唯一性。结合试验结果分析认为：降雨及动荷载共同作用下,路基内水分在某一深度土体积聚,该区域孔隙水压力增大,强度降低,导致翻浆冒泥病害的发生;路基压实度及列车轴重增大,均会抑制路基内水分向下部迁移,有助于路基的稳定,但轴重增加,可能导致路基的失稳,当轴重大于临界动应力时,路基将发生破坏。     

大气作用下浅层非饱和黄土温度变化及其影响因素研究

为了研究大气作用下西北地区浅层非饱和黄土温度场的变化规律及其影响因素。填筑一维土柱模型,在室外自然条件中做大气循环作用下的蒸发模型试验。试验结果表明:在0~10 cm深度范围内,土体温度随深度的增加而降低,在土样表层5~10 cm处温度最低;在相同的外界条件下,土体初始体积含水率越高、压实度越大,导热系数越大,温度变化幅度越大。随着深度增加和蒸发时间增长,压实度和含水率引起的导热差异叠加,使得同一深度处不同压实度和不同含水率土体的温差增大;土体初始体积含水率和压实度均对温度的迁移产生影响,相对于随压实度的变化,土体体积含水率的改变对土体温度迁移影响更显著;随着蒸发时间的增加,温度由表及里逐渐升高,在深度方向上温度先减小后增大。不同深度处土体温度增长曲线大致为"S"型递增曲线,可分为蒸发3阶段。     

多年冻土活动层浅层包气带水-汽-热耦合运移规律

活动层水热状态直接影响多年冻土和寒区工程的稳定性。已有研究大多基于附面层理论研究冻土温度场变化,较少研究液态水和水汽运移过程及其对冻土温度场的影响。结合多年冻土活动层包气带水-热耦合迁移的物理过程和内在机制,以温度和含水率为基本变量,建立了考虑液态水和水汽相变、水分对流传热和水汽运移的土壤-地表-大气能量平衡及土壤内部水热变化的耦合模型,分析了真实野外气象条件下活动层液态水和水汽运移规律。计算结果表明:白天温度梯度水分向土壤内部运移,夜间温度梯度水分向土壤表层运移;暖季温度梯度水分以向土壤内部运移为主,冷季温度梯度水分以向地表运移为主;就全年而言,活动层各个深度处水汽运移作用大于15%,水势梯度水汽运移极小可以忽略不计,特别是浅层土壤在无降雨状态下,水分运移以温度梯度水汽运移为主;水势梯度液态水通量受降雨影响明显,在降雨事件期间和之后,液态水和水汽下渗占主导地位,降雨降低表层土壤温度、减小土壤热传导通量,有利于土壤热稳定性。     

冻结作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

通过室内大尺寸非饱和黄土冻结作用下水分迁移试验,开展了土体密度、含水量、冻结温度、冻结方式对非饱和黄土水分迁移影响的研究.试验结果表明:冻结过程中土样温度变化分为3个阶段:急剧降温阶段,缓慢降温阶段,稳定阶段; 干密度越大,稳定冻结锋面的水分迁移量越大,但冻结区的整体水分增量越小; 初始含水量越大,水分迁移量越大,并且在冻结锋面处含水量增幅越大; 在未冻结区,从邻近冻结锋面到暖端,含水量先增大后减小,初始含水量越小,这种现象越明显.此现象是冻结界面抽吸力、温度梯度和基质吸力梯度共同作用的结果.冻结方式直接影响已冻结区的含水量分布和水分迁移总量.     

冻融循环作用下路基结构水热汽迁移规律研究

在冻融循环环境下,路基结构内水分迁移是导致道路冻胀、融沉变形的主要原因。为了探究冻融循环条件下路基结构的水热汽迁移规律,模拟了实际工程的路基结构,基于半透膜材料开展了冻融循环条件下的水、汽分离的水分迁移试验,通过监测试样的水热变化、荧光素上升图像、补水量和集水量变化曲线,得到了水分迁移规律,进而分析了土的孔隙结构、升降温速率和温度梯度等因素对水汽迁移和液态水流出特征的影响。试验结果表明,在土水势作用下,马氏瓶的水分首先以水-汽混合的形式在土柱中向上迁移,达到一定高度后,转变为以水汽的形式向上迁移。非饱和土柱的水汽会透过半透膜向碎石层和控温板底迁移,在整个冻融循环过程中,水汽向碎石层和控温板底的迁移量呈现线性增加的趋势,表明水汽迁移在水分聚集过程中的作用不可忽视。碎石层和控温板底液态水的流出主要集中在每个冻融周期的两个阶段,第一阶段为降温阶段,以冷凝水为主;第二阶段为融化阶段,以融化水为主,融化水占一个冻融周期液态水流出量的70%以上。粉质黏土孔隙较小导致水汽迁移主要受体积含气率的影响,随着粉质黏土土柱含水率的增加,水汽迁移量呈减小趋势。而砂土的孔隙较大,水汽迁移主要受水汽扩散增强因子的...     

非饱和土中热−湿−盐耦合作用的稳态分析

以多孔介质理论为基础,研究了稳态条件下非饱和土中温度?水分?盐分多场耦合问题。考虑非饱和土的孔隙被液态水、溶解的盐分、水蒸气和干燥气体等填充,在质量和能量守恒的基础上获得了非饱和土中水分、气体、盐分的质量守恒方程以及能量守恒方程。考虑一维稳态问题,选取温度、孔隙气压、孔隙水压和盐溶液浓度以及它们的导数作为状态变量,得到了问题的状态方程组。在给定的边界条件下,采用打靶法求解了该强耦合的非线性变系数微分方程组,通过与已有的试验结果相比较,验证了模型的有效性。基于数值算例,参数分析了含水率、温度边界、孔隙率等条件对非饱和土中温度场、水分场和盐分场分布的影响规律。     

确定渗析平衡时间的数值模拟方法

渗析法是一种测量非饱和土基质吸力的重要方法,而测量结果是否准确,控制渗析的时间非常重要。基于有限元数值分析软件SEEP/W,建立渗析法的数值模型,分析渗析的试验过程,研究溶液吸力、土样水力参数、初始重力含水率、初始干密度以及土样大小等因素对吸湿条件下非饱和黏土渗析平衡时间的影响。结果表明,随着渗析时间的增加,土样与溶液之间的吸力差逐渐变小,渗析过程变慢;试验用土样不宜过大,对于较小土样,多数条件下土样的渗析平衡时间约为1.5~8.0 d;当溶液吸力较大或土体饱和渗透系数较小时,渗析平衡时间大大增加;渗析平衡时间随土-水特征参数a、n、饱和渗透系数、初始含水率及干密度的增大而减小,随饱和体积含水率的增加而增加。     

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     

水蒸气增湿非饱和黄土热湿迁移规律研究

温度梯度、含水率梯度和压力梯度对非饱和土体中的水热迁移有重要影响。用非饱和黄土填筑室内模型,通入0.10MPa高温水蒸气,研究蒸汽压梯度、温度梯度和含水率梯度耦合作用下的水热迁移规律。结果表明:在水蒸气迁移范围之内,土体的升温速率、增湿速率和增湿程度较大,以蒸汽传热和压力梯度驱动的水蒸气增湿为主。而在水蒸气未到位置,以温度梯度引起的热传导和含水率梯度与温度梯度耦合驱动的水热迁移为主;水蒸气迁移时,受土颗粒阻碍和蒸汽压消散的影响,土体升温速率、增湿速率和温度传导速率均随径向距离的增大而减小,且增湿速率小于升温速率;水蒸气增湿土体的最大含水率接近最优含水率,增湿效果较好,可有效提高一定范围内土体的压实性能;基于模型试验边界条件,确定含湿毛细多孔介质中二维热湿迁移方程的一组代数显式特解,并以20 cm测点为例,将温度和含水率实测值和计算值进行对比分析。研究结果可为非饱和黄土水-汽-热耦合传输规律和水蒸气增湿新技术研究提供理论支持。     

温度影响下的非饱和黄土水分迁移问题探讨

对非饱和黄土土样的实验结果揭示出,对于初始含水量均布的土样,在两端施加温差后,冷端的含水量增大,热端含水量减小。在温度差作用下,温度差越大,土体密度越小,水分迁移特征越明显,土样两端含水量差越大。当初始含水量较大和较小时,温度差引起的含水量差均较小;当初始含水量适中时,温度差引起的含水量差值较大。基于实验结果,考虑含水量和密度的影响,得到温度梯度引起含水量梯度的表述关系式,计算和实测结果验证了该表述式的可靠性。据此得到了考虑温度影响的非饱和黄土水势的表述式,该式考虑了土体密度、温度梯度、含水量和含水量梯度对水势的综合影响,对实验土样的计算结果反映了水分的稳态分布。     

双向冻结-单向融化土压缩性及水分迁移试验研究

通过室内冻融试验,研究双向冻结-单向融化作用下不同冻前含水率和干密度对青藏粉黏土压缩特性的影响及水分迁移的变化规律。试验结果表明：（1）大梯度冻融作用使低密度土压缩性减小,使高密度土压缩性增大;而小梯度冻融作用使低、高密度土的压缩性均减小;（2）随着冻前含水率的增加,大梯度冻融作用使土体压缩性增大,但变化幅度逐渐减小,小梯度冻融作用的土体压缩性变化并不明显;（3）随着冻结梯度的增加,不同干密度融土相对压缩系数均呈现先减小后增加的变化趋势,不同冻前含水率融土相对压缩系数总体呈增大趋势;（4）温度梯度冻结后,试样含水率分布从上冷端到下冷端呈增大-减小-增大的变化规律,随着冻结温度梯度的减小,试样中部含水率先增大后减小。     

Experimental study on unfrozen water content and soil matric potential of Qinghai-Tibetan silty clay

A new soil moisture content sensor coupled with a new matric potential sensor that can operate in the subfreezing environment was used to measure the moisture content and soil matric potential dynamics of Qinghai-Tibetan silty clay. Combined with nuclear magnetic resonance (NMR) technique and thermal resistor temperature probe, the characteristics of unfrozen water content and soil matric potential, and their relationships with temperature were analyzed. The results show that initial water content has an impact on the freezing point and unfrozen water content. The decrease in the initial water content results in a depression in the freezing point. The Qinghai-Tibetan silty clay has more similar unfrozen water content characteristic to clay than to silt. There is approximately 3% of unfrozen water content retained when the soil temperature drops to −15°C. The change of soil matric potential with temperature is similar to that of the unfrozen water content. The matric potential value of the saturated silty clay is approximately −200 kPa when the soil temperature drops to −20°C. The measured matric potentials are significantly lower than the calculated theoretical values based on the freezing point depression. Moisture migration experiment indicates that soil matric potential controls the direction of moisture movement and moisture redistribution (including ice and liquid water) during the soil freezing.     

冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究北大核心CSCD

冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。     

封闭系统单向冻结淤泥质黏土水分迁移特性研究

高含水率饱和淤泥质软黏土在封闭系统中由冻结引起的土体内部水分迁移是影响其冻胀速率的重要因素。为揭示冷端温度对沿海软黏土水分迁移特性的影响,采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5~-20 ℃冷端温度条件下开展了封闭系统单向冻结试验,测定了试样冻胀量及沿着温度梯度方向的试样温度,得到了冻结锋面高度随冻结时间的发展规律、引起水分迁移的临界温度梯度、水分迁移入流通量及入流速率。结果表明:试样冻结锋面高度是关于冻结时间的函数,其拟合公式形如X(t)=t(at+b)-1;冻结区内温度梯度降低至临界温度梯度是水分迁移起始的判据,随着冷端温度的降低,临界温度梯度线性增大;水分入流速率随冻结时间的延长先增大后减小,水分入流通量-冻结时间曲线随冷端温度的降低由“S型”逐渐趋于线性;结合临界温度梯度-冷端温度关系式和冻结锋面高度-冻结时间拟合公式,可预测某一冷端温度条件下封闭系统单向冻结过程中试样内部水分迁移的起始时刻。以上试验结果有助于推进封闭系统单向冻结过程中高含水率软土水分迁移特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法施工中冻胀量预警提供重要参考依据。     

石灰改良高液限土强度特性的函数模型研究

针对广西荔玉高速路基沿线产生的大量高液限土弃方问题,采用生石灰对高液限土进行改良处理。选取弃土场的高液限土,分别配制不同初始含水率、不同石灰掺量的试样进行侧限压缩试验和快剪试验,采用基本初等数学函数模型拟合不同饱和状态、不同初始含水率下石灰掺量对试件压缩特性和抗剪强度影响。结果表明:(1)高液限土的压缩系数随石灰掺量增加呈指数形式减小;(2)不同饱和状态试件的黏聚力和内摩擦角随石灰掺量增加呈二次函数形式变化;(3)高液限土具有水敏性,饱和素土试件最大抗剪强度对应的含水率较击实试验最大干密度对应的含水率高3%～6%;(4)当初始含水率不高于26.73%时,建议石灰掺量不低于6%,否则改良高液限土的石灰掺量不低于8%,可在满足经济性的前提下达到较好的改良效果。     

喀斯特溶槽岩-土界面优势流及其对土壤水分动态的影响

通过对两个典型溶槽剖面的野外入渗实验,结合对入渗锋面的红外成像和染色示踪,分析溶槽中土壤湿润锋运移受岩—土界面优势流、初始水分状态（干湿程度和不均匀分布）及植被根系的影响程度。其结果表明:岩—土界面优势流增加入渗锋面到达处的土壤含水率是溶槽中部的1.1～14.5倍,但岩—土界面优势流形成的侧向水势梯度可降低优势流锋面下移;初始入渗中表土湿润锋运移主要受植被根系大孔隙优势流的影响,岩—土界面优势流作用不显著,但随着入渗深度的加大,岩—土界面优势流侧向弥散对湿润锋运移和土壤水分的影响加强。