膨胀土壤标准吸湿含水率及其试验方法

提出了土壤标准吸湿含水率的概念，说明了其物理意义，并给出了试验标准。通过试验结果可以看出，土壤标准吸湿含水率与膨胀土的蒙脱石含量、阳离子交换量、比表面积之间是线性相关的，反映了膨胀土的本质属性。土壤标准吸湿含水率不仅在膨胀土的分类中，而且在细粒材料的表面物理性质方面具有很大的应用前景。     

基于频域反射的细粒土压实度检测方法与误差评估

压实度是道路、房建、水利等工程领域评价土体压实质量的重要参数,与土体含水率和电导率密切相关。而频域反射技术(frequency domain reflectometry,FDR)可用于快速测定土体含水率和电导率。首先利用频域反射技术分别对多种压实状态下红黏土、膨胀土和黄土的含水率、电导率进行测量;然后对含水率测值进行室内标定,得到3种土的含水率标定曲线;通过偏最小二乘回归分析方法(partial least squares regression,PLSR)建立了3种土体的压实度-含水率-电导率之间的经验关系,并与实测值进行了对比分析;再根据扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)和压汞法(mercury intrusion porosimetry,MIP)试验结果分析了其微观机制;最后对拟合公式得到的压实度预测值进行随机试样验证,建立与实测值的误差评估体系,结果表明基于压实度-含水率-电导率之间的关系而提出的拟合公式预测压实度的精度较高。相关研究可为道路、房建、水利等工程中土体压实度的快速检测提供参考。     

TDR测定土壤含水量的标定研究

探讨了TDR测定土壤含水量的原理,并对黑河上游阿柔试验样地取土样进行了土壤体积含水量测定的室内标定试验,得出相关性较好的TDR测定土壤体积含水量的关系式.结果表明:通过室内土样同填建立的,TDR测定的体积含水量与土壤实际含水量相关性很好,可以利用TDR精确的测定土壤含水量,为黑河遥感项目提供精确的地面土壤水分数据,为遥感反演和验证提供基础数据.所得到 的标定结果对于具有相同土质的黑河中游土壤具有参考价值.     

时域反射仪（TDR）测定土壤含水量标定曲线评价与方案推荐

时域反射仪（Time Domain Reflectometry）可用于室内和田间快速、 准确、 自动测定土壤含水量, 是目前应用最广泛的土壤含水量测定方法之一。适宜的土壤含水量标定曲线（即土壤表观介电常数和土壤含水量之间的关系）是TDR准确测定土壤含水量的关键。目前文献中存在大量的土壤含水量标定曲线, 但尚未有研究对这些标定曲线进行系统的验证和分析评价。因此, 它们的准确性和适用范围尚不明晰, 严重影响到与土壤含水量测定相关的研究。通过查阅大量国内外文献, 收集整理了一系列土壤含水量标定曲线的经验公式（19个）和半经验半物理模型（5个）, 并利用大量的文献实测数据对其进行综合评价。同时运用均方根差（RMSE）, 平均误差（AD）, 纳什效率系数（NSE）等三个指标对比分析和评价这些标定曲线的准确性和可靠性。研究结果表明： 经验公式中Topp、 Roth（1992）2、 Jacobosen、 Yoshikawa2、 Alharathi模型和半经验模型中Malicki1公式及其修订模型综合性能较好。研究成果可为利用TDR准确测定土壤含水量及土壤含水量标定曲线的选择提供参考和指导。     

非饱和黄土电阻率和含水率间关系试验研究

通过土壤电阻率和土壤含水率的关系,可以将高密度电法测得的土壤电阻率剖面快速转化为含水率剖面,对于土壤含水率的连续性监测具有重要意义。笔者以甘肃永靖黑方台非饱和黄土为研究对象,采用四电极法进行了室内一维电阻率试验,分析了电阻率的时间特性,提高了黄土电阻率测试的精度,建立了黑方台黄土电阻率与其含水率之间的关系。结果表明,同一干密度条件下,在黄土吸湿和脱湿过程中,黄土的含水率与电阻率呈指数关系,脱湿和吸湿过程均具有较好的相关性,在含水率不断增加的过程中,土体的电阻率逐渐减小。在不同干密度条件下,黄土的电阻率和含水率具有较好的相关性,且随着含水率的增大,电阻率值逐渐减小直至趋于稳定,随着干密度的增大,土体对水分的敏感性有所降低。     

基于光纤光栅的土体含水率快速测定试验研究

土体含水率与其强度、变形和渗透特性密切相关。快速测定原位土体的含水率是地基基础工程中的一个重要课题。针对现有测量方法在实时性等方面的不足,本文首次提出了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）技术快速测定土体含水率的方法。该方法利用落球对埋设在砂土中的FBG应变传感器施加冲击荷载,获得传感器在冲击过程中的应变状态及其变化规律,在此基础上提出了峰值应变的概念;通过控制变量法,对不同含水率的砂土进行多组室内试验。试验结果表明:峰值应变随着含水率的增加而近似线性减小,因此可通过经验方程估算出土体含水率。最后分析了该方法中可能的误差来源及减小误差的方法。     

时间域反射法用于滑坡监测的试验研究

依据时间域反射测试技术（TDR）的基本原理,提出了TDR技术在滑坡监测中的野外工作方法。为了更好地了解电缆的变化规律,进行了室内试验。结合实际应用,给出了TDR监测滑坡的野外应用实例。通过对室内模拟试验和野外应用试验数据的分析、对比,讨论了TDR监测滑坡的实际应用效果和有效性。研究结果表明,与传统的滑坡监测方法相比较,TDR用于滑坡监测的技术方法比较新颖,具有节省时间、成本低廉、定位准确等特点。由此可见,TDR用于滑坡监测,能够实现快速、实时、连续监测。     

不同含水率条件下土壤中赤霉酸自然衰减规律研究

作为一种施用范围广、用量大的微毒农药,赤霉酸（GA3）的高溶解度会造成其在土壤中的弱吸附和强迁移并伴随强烈的自然衰减,且受到间歇性灌溉过程中变化土壤含水率的影响,因此有必要系统研究不同含水率条件下土壤中GA3的自然衰减规律。通过设置10%、20%、30%的3种土壤含水率,研究了不同土壤含水率条件下GA3的自然衰减规律,分析了土壤微生物对GA3自然衰减过程的影响,定性识别了GA3自然衰减产物。结果表明：（1）实验结束（34 d）时初始含水率为10%、20%和30%的灭菌组和未灭菌组土壤中GA3的自然衰减率分别为87.77%、89.70%、90.70%和87.70%、94.47%、95.87%,其自然衰减半衰期分别为12.38,12.16,12.60 d和8.56,6.80,7.07 d;（2）含水率对灭菌组土壤GA3的自然衰减速率无显著影响,未灭菌组在不同土壤含水率条件下GA3自然衰减速率有差异（20%土壤含水率最大）;（3）在水解作用的基础上,土壤微生物降解进一步促进了GA3的自然衰减,且生物降解贡献率为39.62%±7.58%;（4）GA3主要自然衰减产物为异构赤霉酸与赤霉烯酸（其中异构赤霉酸占比更大）,未来需要进一步关注GA3自然衰减产物在环境中的生物毒性与环境风险。上述研究结果有助于进一步深入理解农业生产过程土壤中GA3的环境行为,并为其环境毒性及潜在风险评估与管控提供数据支撑。     

典型黄土滑坡滑带土不同含水率下蠕变特性试验研究

黄土斜坡在受到降雨、人工灌溉、河流水浸润等作用后容易发生蠕变,最终发生滑坡,有时甚至会造成灾难性事故。以往研究中对不同含水率下黄土滑坡滑带土的蠕变性质研究较少,更缺乏定量化的规律分析。以榆林市色草湾村黄土滑坡滑带土为例,进行了一系列三轴蠕变试验,得到了黄土不同含水率下(w=10%、12%、14%、16%、18%,w表示含水率)的应力-应变-时间曲线与应力-应变等时曲线,分析了含水率对黄土蠕变特性的影响,并利用等时曲线法求取了黄土的长期强度,得出如下结论:(1)含水率越大,样品蠕变破坏所需的偏应力越小,轴向应变也越大,含水率增大后自由水厚度增大,土颗粒间胶结程度减小,且水膜会对土颗粒起润滑作用易于其错动滑移;(2)含水率越大,施加每级荷载后样品蠕变曲线达到稳定状态所需时间越长,水分的增加会使土体结构完整性降低,在应力的作用下土体内部结构调整相对缓慢,固结和蠕变过程中孔隙水压力消散需要的时间也越长;(3)通过分析黄土试样蠕变破坏表面形态发现,含水率较小时,蠕变破坏后的试样有明显的剪切破坏面,当试样含水率越大时,越容易发生横向鼓胀,表现出塑性破坏特征,表明含水率较大时,水的软化作用大于水对于...     

不同土壤含水率情况下透明塑膜覆盖增温效应的研究

透明型膜覆盖后,土-气界面热平衡状况发生变化,使得覆盖后产生增温效应.通过边界层热平衡分析,建立了一维热传导数学模型,模型中考虑覆盖层的光学特性,忽略土壤水分运动对土壤温度分布的影响,经与土柱实验数据检验,表明模型具有良好的精度且塑膜覆盖对土壤热状况有强烈的影响.着重探讨了表土含水率不同所产生的热效应的差异.     

基于C-DTS的土壤含水率分布式测定方法研究

主动加热光纤布拉格光栅法(Actively Heated Fiber-Optic method based on Fiber Bragg grating method,AHFO-FBG method)因具有体积小、测温精度高、准分布式测量、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点,近年来成为含水率测量技术的研究热点。研究该技术的率定方法对提高含水率测量的精准性和适用性是十分关键的,但现有研究中均未涉及到此内容。因此,本文采用自主研发的AHFO-FBG传感器对黄土开展了一系列率定试验,研究了ΔT_max和ΔT_cum两种率定方法的含水率率定结果,对此两种方法进行了对比分析。同时,进一步探究了不同加热时长和不同加热功率对ΔT_max法和ΔT_cum法率定结果的影响。研究结果表明：ΔT_max和ΔT_cum法均可得到良好的含水率率定结果,ΔT_max法的RMSE比ΔT_cum法高0.001 m³·m^-3,ΔT_cum法的测量优势不是很显著。在相同加热功率下,ΔT_max法和ΔT_cum法均在较短加热时间下的测量误差较小,且加热时间越短,ΔT_cum法较ΔT_max法的优势越明显;在相同加热时间下,低功率(5~10 W·m^-1)时ΔT_max法的RMSE较小,高功率(15~35 W·m^-1)时ΔT_cum法的RMSE较小,且适当的增加热功率有助于减少含水率率定误差。研究成果为AHFO-FBG技术实现土体含水率的精确测量和进一步应用提供了依据。     

高含水量冻粉黏土应力-应变曲线特性的试验研究

为研究青藏高原粉质黏土在高含水量条件下的应力-应变特性,本文对粉质黏土试样开展了较高含水量（15%,30%,50%）、不同温度（-2℃,-4℃）及围压（0.5,1.0,2.0,4.0 MPa）条件下的三轴剪切试验,分析了冻粉黏土试样应力-应变曲线的形态和强度规律,并给出了机理性解释。试验结果表明:冻粉黏土试样的应力-应变曲线均为应变软化型。高含水量下（50%）,试样的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。随着含水量的增大,试样的破坏过程渐呈脆性。试样强度方面,含水量的增大使冻粉黏土强度呈先减小后增大的规律,即存在一个强度最不利含水量。此最不利含水量主要是由于土骨架与冰相的组合使系统处于“最弱结构”以及各组分在承受荷载时的主次地位变换而引起的。围压增大使冻粉黏土强度线性降低,但降低幅度不大。结合Mohr-Coulomb准则的分析表明,黏聚力是冻粉黏土强度的主要指标,其值在最不利含水量时取得最小值,围压对冻粉黏土强度的削弱作用也在此时得以突显。     

高吸水材料改善高含水率淤泥流动性的试验研究

城市疏浚和建设过程中产生的高含水率淤泥具有高流动性的典型特点,导致此类淤泥运输、周转都极为不便。开展了利用高吸水材料改善淤泥流动性的试验,研究结果表明,淤泥的流动性随着含水率的升高而显著上升,曲线拟合结果显示两者之间近似成二次函数关系。通过添加较少量的高吸水材料就可以使淤泥的流动性迅速降低到非常利于运输和周转的程度;引入“净流动值”定量地描述高吸水材料对淤泥流动性的改善效果,不同初始含水率的淤泥在添加一定比例的高吸水材料后其“净流动值”降低比例处于相同水平;高吸水材料对淤泥流动性的改善效果在极短时间内可以得到显著体现,未进行充分搅拌混合的情况下淤泥流动值改善就已接近最优值,搅拌的持续时间和强度对淤泥流动性改善效果并无明显影响,工程应用时的工作耗时和工作强度将会明显降低。     

岩溶(土洞)塌陷TDR监测试验研究

结合土洞的分布和形成演化的特点,采用具有分布式特点的同轴电缆时域反射(TDR)技术开展岩溶土洞监测研究。通过室内同轴电缆的抗拉、胶结同轴电缆的抗折等试验,以及在建高速公路上铺设方法的对比,得到以下结论:TDR用于野外岩溶土洞发育区的监测是可行的,但要求同轴电缆的拉断荷载低于200N,水泥砂浆的配比在1∶3～1∶4之间,且梁式胶结同轴电缆铺设方法较好。     

An experimental study on the remediation of phenanthrene in soil using ultrasound and soil washing

A series of laboratory experiments were carried out in this study to investigate the remediation of phenanthrene contaminated soil using ultrasound and soil washing. The results indicated that ultrasound and soil washing could significantly enhance the remediation efficiency of each other. The performance of the combined ultrasonic and soil washing process was then investigated, and the impacts of four experimental variables including the initial concentration of phenanthrene in soil, sonication time, pH of washing solution, and washing flow rate were examined using an orthogonal experimental design method. The analysis of variance (ANOVA) of experimental results revealed that the initial phenanthrene concentration, sonication time and soil washing flow rate showed significant effects (P ≤ 0.05) on the remediation efficiency. A pseudo-first-order kinetics model was developed for describing the remediation process, and a maximum remediation efficiency of 69.5% was observed in the study after 20 min of treatment under the experimental conditions. Therefore, the results indicate that the combined ultrasonic and soil washing process could represent a promising technology for the effective remediation of phenanthrene contaminated soil.     

基于FBG技术的土体含水率测量方法试验

亲水橡胶是一种水敏性高分子聚合物,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,同时其弹性、强度和持水能力保持不变。通过胶黏封装方法,将亲水橡胶与光纤耦合,利用FBG光纤传感技术,精确测量由于亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩导致的光纤拉伸和压缩形变,当橡胶与土体含水率达到动态平衡时,可以通过测量光纤形变得到土体含水率。通过试验验证了亲水橡胶体变与其含水率之间的线性相关性,且在反复试验中亲水橡胶吸水、失水的能力基本保持不变,表明亲水橡胶可以作为含水率感测的换能材料;建立了FBG传感器中心波长与亲水橡胶含水率之间的对应关系;通过对黏土含水率的测试,发现该含水率传感器的FBG中心波长与黏土试样含水率呈分段线性关系,表明利用该传感器监测土体含水率的方法具有可行性,不仅可以实现含水率的原位监测,而且还能得到含水率的空间分布及其随时间的实时变化情况,为土体工程性质的评价、地质灾害的预测预报提供依据,具有广泛的应用前景。     

浅层包气带地温与含水量昼夜动态的实验研究

西北荒漠化地区,包气带中的水分除来自大气降水外,还来自凝结水。凝结水对维持荒漠地区的植被生态环境起到至关重要的作用,而凝结水的形成机制又反映在包气带地温与含水量的昼夜动态过程中。文中报告了室外沙坑浅层包气带地温与含水量观测的实验结果。土壤含水量变化采用原位测试的方法观测,避免了传统称重法产生的干扰和不确定性。实验中对深度0~30cm范围的土壤温度进行了高密度观测。结果表明,温度梯度对水汽的运移起到主控作用,温度梯度方向向下,土壤含水量增加,反之,含水量减少。通过热传导方程对土壤中的传热过程进行分析,得到傅立叶级数表示的温度波方程,用于预测不同深度土壤响应地表条件而产生的温度变化。实验中还对近地表微气象以及土壤负压等因素进行了观测。     

Predicting moisture content of soil from thermal properties using artificial neural network

Monitoring of soil moisture contents is an important practice for irrigation water management. The benefit of periodic soil water content data includes improved irrigation scheduling in order to optimize water usage for improved crop productivity. However, the in situ equipment for measuring soil water contents have high maintenance and operation cost and are highly affected by neighboring soil conditions, and some have overwhelming calibration and data interpretation, whereas the common standard laboratory procedure requires much effort and can be time-consuming for large dataset. The objective of this study is to evaluate the applicability of artificial neural network (ANN) to predict moisture content of soil using available or measured thermal properties (thermal conductivity, thermal diffusivity, specific heat, and temperature) of soil. We used both multilayered perception (MLP) and radial basis function (RBF) types of ANN. The study area is a farmland situated within the premises of the University of Ibadan campus. Thermal properties were measured with KD2 Pro at 42 points along seven transects. Soil samples were also collected at these points to determine their moisture contents in the laboratory. ANN analysis carried out effectively predicted the soil moisture content with very low root-mean-square error (RMSE) and high correlation coefficient (R) of approximately 0.9 for the two methods evaluated. The overall results suggest that ANN can be incorporated to predict the moisture content of soil in this area where thermal properties are known.     

渠坡非饱和膨胀土含水率与强度关系试验研究

南水北调中线渠首段渠坡土主要为膨胀土,渠坡膨胀土含水率的变化会影响坡体稳定性。为了探究含水率变化对渠坡稳定性影响的具体特征,对采集自南水北调中线渠首段的渠坡膨胀土进行了滴定直剪试验,获得了渠坡膨胀土抗剪强度指标与含水率的关系曲线,试验结果表明：抗剪强度随含水率增加而明显衰减,衰减过程先快后慢;试样初始含水率越低,黏聚力下降越慢,内摩擦角下降越快,不同初始含水率试样的抗剪强度均在增湿至30%左右时产生拐点,此时衰减速率降低并趋于稳定。设计进行了土-水特征曲线法和瞬时剖面法导水率测试试验,获得了非饱和渠坡膨胀土导水率随含水率变化的曲线,试验结果表明：含水率越低,导水率越小,导水率变化速率越快;反之,导水率变化速率越慢,土体含水率趋于稳定。研究成果可用于膨胀土渠坡稳定性与坡体地下水位关系的定量分析,应用在实际工程中可以更有效地获取渠坡非饱和土体中含水率和抗剪强度的分布特征,并获得含水率和抗剪强度随时间的变化规律,为引入土体空间动态抗剪强度分析,建立更准确的膨胀土渠坡稳定性评价模型奠定基础。