弱透水层饱和粘性土中水分渗透规律研究

本文利用渗压仪,对弱透水层一饱和粘性土类的原状土样,进行不同水头差作用下的渗透试验,获得水在弱透水层不同孔隙类型中的渗透规律:V—I关系曲线及V—I关系方程等,为地下水资源评价提供了理论依据,具有重要的理论与实际意义。     

黏性土弱透水层压实作用:原理、技术及其水文地质意义

弱透水层与含水层相互作用是国际水文地质学界关注的热点问题,特别是黏性土弱透水层与孔隙含水层的相互作用。近年来,在自然沉积、过量开采地下水、现代化农业机械与建筑业重型机械应用等自然与人为活动影响下,黏土弱透水层会发生有效应力增加、孔隙结构变形和孔隙度减少、渗透性降低、溶解氧和贮水能力减少以及侧向和垂向排水等的压实作用,导致地下水污染、地面沉降等环境问题的发生。本文重点介绍了黏性土弱透水层压实作用的原理,分析了地下水系统中4种不同状态下沉积物压实与孔隙流体压力的关系,基于压实物理模拟和数值模拟两个方面对压实作用的研究方法与技术进行了系统总结,随后探讨了压实作用下黏性土弱透水层对地下水水量与水质的影响,并对此研究的发展趋势及其在地球科学、环境科学等研究领域的潜在应用提出了展望。     

江汉平原第四系弱透水层渗透系数求算方法

弱透水层的渗透系数是区域地下水流系统划分和关键带水-土-生作用的重要参数.结合江汉平原关键带调查采集1:5万杨林尾-陆溪口图幅钻孔52组不同深度、不同岩性的原状土样,利用改进的渗透仪进行室内渗透实验,对粘性土样的渗透系数和粒度特征参数进行经验公式修正.发现研究区沉积物渗透系数与含水岩组埋深和岩性有关.浅层孔隙潜水含水岩组以粉质粘土、粘土为主,沉积环境稳定,渗透系数约10-9 m/s,变异系数为1.56;中深层承压含水岩组夹有多层粘土和粉砂,呈现多旋回分布的典型河湖交互作用的沉积环境,渗透系数为10-10~10-6 m/s,变异系数为2.04,变异性较大.利用有效孔隙比e_u与黏粒含量P的显著二项式关系,修正预测粘性土渗透系数的太沙基经验公式,预测值与室内实测数据基本吻合,二者比值均小于10,验证了太沙基修正公式在河湖相平原区的适用性.      

海州湾弱透水层孔隙水的化学特征与盐分演变

为查明海岸带弱透水层孔隙水的盐分来源与演变机制,在连云港海州湾钻探采集了4个钻孔的粘性土柱,采用压榨法采集孔隙水,测定了孔隙水化学-同位素组分,建立了二维剖面孔隙水全新世以来的溶质运移数值模型.由陆向海孔隙水的总溶解固体由0.9增加到41.4 g/L,垂向上浅层高、深层低.孔隙水Cl/Br比为170～533(均值267),⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值为0.709 3～0.711 6,Cl^-与δ¹⁸O呈正相关关系,表明孔隙咸水为海相成因,同时还受到硅酸盐矿物风化和阳离子交换作用影响.全新世弱透水层孔隙水为10～5 ka BP海侵时期的古海水,向下入渗造成更新世孔隙水咸化.4 ka BP海退后,孔隙水接受淡水补给,但古海水并未被完全驱替.近海岸处孔隙水受持续蒸发影响而形成盐水.数值模拟表明海侵-海退事件是控制弱透水层孔隙水盐分演变的主要因素,海侵时海水以“指状”模式向下入侵,造成了咸淡水的不均匀分布.     

黏土矿物对软土结合水特征及力学性质影响的定量分析

黏土矿物对软土结合水特征及力学性质的影响尤为重要,但国内研究多侧重于宏观物理力学性质层面。在微观层面探讨黏土矿物对软土工程性质的影响为此研究重点,利用X射线衍射仪(XRD)测得各地软土的矿物成分,并用同步热分析仪对各地软土进行热重分析(TG)和微商热重法分析(DTG)。试验结果显示,软土的黏土矿物含量与其吸附水含量正相关,其中蒙脱石含量对软土吸水性影响巨大;软土的TG与DTG曲线与其所含黏土矿物类型、含量有关,失重曲线在一定程度上可以体现软土中黏土矿物类型,DTG曲线中的失重谷对软土中的矿物类型起到一定的指示作用。     

饱水黏性土释水响应压力规律分析

利用亲水性各异的饱和黏性土,开展不同压力条件下的压密试验,确定试验条件下黏性土中弱结水释水过程对外界应力的响应关系;依据响应关系,研究饱和黏性土中弱结合水的释水机理与规律;再根据土体孔隙比与压力之间对应关系,构建出饱和黏性土中亲水性、孔隙比与弱结合水之间的函数关系。研究表明:土体中弱结合水排出只受土体亲水性大小与孔隙比大小影响,不受其他因素制约;外界压力通过改变土体中的孔隙比大小,从而间接影响到土体中弱结合水排出,导致排水总体积大于土体压缩总体积,两者的差值随外界压力增加而呈非线性关系增大,与孔隙比呈自然对数关系。     

应力历史对弱透水层参数影响试验研究

弱透水层储存的地下水是地下水资源的重要组成部分,弱透水层水文地质参数对地下水资源管理与评价以及地面沉降等具有重要意义。通过室内试验对定降深条件下弱透水层水流运移规律进行了研究,并探讨了弱透水层释水过程中的变形规律和释水规律。试验结果表明,在相邻含水层定降深条件下,弱透水层固结变形滞后于相邻含水层的降深变化,且变形速度逐渐变小并趋于零。基于室内试验,利用配线法求得弱透水层不同应力状态下的水文地质参数,对比分析,大变形和小变形试验中土层的渗透系数变化不大,但贮水率明显变小,土层的固结系数变大。因此,土层的应力历史对土层的渗透系数影响不大,而对贮水率有较大的影响。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

衡水地面沉降区黏性土体渗透特征研究

弱透水层或(和)弱透水性夹层中低渗透性黏土体的存在是地面沉降赖以形成的物质基础,其渗透特征是影响地面沉降评价、模拟与预测的最基本参数之一。本文以华北平原衡水沉降中心区的钻孔黏性土样为对象,利用高压三轴渗透试验仪进行了土样的渗透试验。结果表明:黏性土体的渗透系数随土体埋深和渗透压力增加而呈现总体逐渐减小的趋势,在时间上总体表现为开始时迅速减小而后逐渐趋于稳定的特点,但是由于地下水位季节性波动或者地下水大量被抽取,部分地层黏土其渗透系数与总体趋势有所差异。最后文章结合电镜扫描试验及分形技术分析了土体微观结构对其渗透特征的控制作用。     

含弱透水层岸坡地下水渗流特征的数值分析

库岸滑坡同坡体内地下水渗流场的动态变化具有密切的关系。传统的饱和土渗流分析方法无法正确描述水位升降过程中岸坡内孔压场的动态变化规律。从饱和-非饱和非稳定渗流理论出发,选取典型的岩土体的渗流参数,对含有弱透水夹层的理想层状岸坡进行有限元数值分析,得到水位升降过程中岸坡内孔隙水的渗流规律。同时,也得到了坡体内基质吸力和体积含水率随库水位升降变化的历时曲线。分析表明,岩土体的饱和渗透系数、土水特征曲线以及坡体的结构特征等共同决定了水位升降过程中岸坡内孔隙水压力和浸润线的分布。模拟结果可为库岸尤其是含弱透水层边坡的稳定性评价及岸坡的排水加固提供参考依据。     

软弱夹层粘粒含量与抗剪强度参数的关系分析

分析表明,赋存环境相同、粘土矿物成分以伊利石为主的软弱夹层,在相同稠度状态下粘粒含量与抗剪强度参数具有很好的相关性。通过现场和大量的室内试验成果,建立了各种稠度状态下粘粒含量和抗剪强度参数之间的相关关系式,揭示了在研究粘粒含量对抗剪强度参数影响时,还应当考虑软弱夹层所处的天然状态。结合《温凝土重力坝设计规范》中提出的用粒度成分定量指标选取软弱结构面抗剪强度参数,对软弱夹层抗剪强度参数取值问题进行了探讨。     

南宁膨胀土的体积含水率-等效介电常数关系

体积含水率-介电常数关系是时域反射法（TDR）测量土体体积含水率的理论基础。通过对重塑的南宁膨胀土进行试验,选择经验公式法、边界法及理论模型法模拟其体积含水率-等效介电常数的变化规律。研究发现,南宁膨胀土的实测值落在Hashin-Shtrikman边界和Wiener边界以内,但Hashin-Shtrikman边界具有更小的范围;由于膨胀土的黏性较大,结合水存在显著的影响,Topp公式计算值偏高,但采用考虑三相组分含量的Looyenga公式可反映结合水的影响,从而得到更好的结果;理论模型法的Maxwell-Garnett模型和差分有效介质模型（DEM）需要考虑三相的构成,单独采用气相连续或水相连续的模拟结果均不理想,但如考虑土中水、气分布形态,采用饱和度作为权重函数对单相计算结果进行加权平均后可取得较好的效果。     

上海浅部土层压缩指数与天然含水率的关系

压缩指数Cc是土体变形特征的一个重要指标,一般通过固结试验获得,需要耗费较长的时间以及大量人力物力,因此通过其他基本物理指标（天然含水率wn、初始孔隙比e0、液限wL）来推算压缩指数Cc是一个快捷有效的方法。从上海地区钻孔得到第②～⑥层土的原状土样进行固结试验,并结合多个地点的勘察报告数据,发现wn和e0具有较高的线性相关性,但wn与wL间的相关性不明显。考虑到wn相比e0更容易得到,选用wn来建立与Cc的关系式。研究认为,常用的线性关系不适用于上海黏土中含水率wn大于45%的情况,提出了指数函数式（8）。该函数还可适用于中国东部沿海其他地区的黏土。     

细粒含量对尾矿工程性质影响分析

由长期工程实践和试验研究可知,尾矿的工程性质除与尾矿的矿石成分、筑坝方式以及矿浆的沉积特性有关外,重要的是与尾矿的颗粒粒度组成有关。为了分析上游式尾矿库尾矿经排放、沉积、分选等作用下颗粒组成的变化特征及其对尾矿工程性质的影响规律,通过对上游式尾矿库沉积滩面不同距离处尾矿进行颗粒级配分析、力学性质和渗透性质试验,重点分析了细颗粒含量（颗粒直径小于0.075 mm）对尾矿工程性质的影响规律。研究表明,随着距离上游式尾矿库滩顶长度的增大,尾矿颗粒组成中的细粒含量逐渐增多,颗粒级配情况由一般到良好再到一般,孔隙比也呈现出随之先减小后增大的变化趋势。受原尾矿颗粒组成的影响,尾矿黏聚力随细粒含量的增加呈逐渐增大,而内摩擦角相对变化较小,其渗透系数受细颗粒含量影响较大,随含量增大迅速减小。     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元下限分析

以极限分析下限法理论为基础,应用有限单元思想离散结构物,建立了同时满足平衡条件、应力边界条件、屈服条件和应力间断条件的静力许可应力场,其中孔隙水压力被当作一种类似于重力的外力荷载。引入线性数学规划手段后,得到了考虑孔隙水压力的边坡稳定的下限法数学规划模型,由此可以求出安全系数的下限解及其对应的应力场。最后,以2个经典的土坡为算例,与多种方法的分析结果比较,论证了该方法的正确性。     

考虑孔隙水压力的土坡稳定性的有限元上限分析

基于塑性极限分析的上限定理,考虑孔隙水压力的影响,以结点速度为未知量,根据塑性流动约束条件、速度间断约束条件、速度边界约束条件以及由外功功率与内功功率相等条件得到的目标函数,建立了求解孔隙水压力条件下土坡稳定性的有限元塑性极限分析线性规划数学模型;可求得边坡安全系数的上限值及相应的机动容许位移场;最后对2个经典算例进行了分析,验证了提出方法和程序是正确可行的。     

冲击荷载作用下海积软土的动力释水规律研究

通过真三轴试验,研究冲击荷载作用下海积软土的孔隙水压力、轴向变形等动力响应特征。利用热失重法和理论计算法,分析试验前后软土中结合水含量。研究表明,冲击荷载作用前后含水率变幅为15.6%～23.5%,结合水含量变幅为17.6%～29.4%,体积增大系数为2.1%～9.5%,冲击荷载作用下饱和软土的排水固结作用明显;试验前后软土中结合水含量变化较大,冲击荷载作用下软土的动力释水不同于静力作用下的释水规律;影响软土动力释水的主要因素有初始含水率、结合水含量、孔隙比、土的状态、动荷载大小和加载方式等。最后,总结出冲击荷载作用下海积软土动力释水规律和对工程设计的启示,该研究可为动力排水固结法的设计提供参考。