土−水特征曲线测量过程中孔隙分布的演化规律探讨

测量了在宽广吸力范围内原状样和压实样的脱湿持水曲线,对比分析了单双峰结构持水性能的差异;并利用压汞试验测试两种土样在脱湿过程的孔隙分布,分析了两者的差异并探讨了脱湿过程孔隙的演化规律;在考虑收缩变形的基础上,基于孔隙分布曲线确定了土?水特征曲线的基本参数。试验结果表明：原状样在宽广吸力范围内基本上呈单峰孔隙结构;饱和压实样具有单峰孔隙结构,随着吸力的增加,双峰结构越来越明显,当吸力达到很大时,演化成完全双峰孔隙结构。原状样的持水曲线为经典的S形,而压实样的持水曲线在过渡段出现了水平台阶状;低吸力段,压实样的持水曲线低于原状样,而高吸力段,两者的持水曲线基本重合。基于孔隙分布曲线确定了控制持水曲线进气值和残余值的孔径,并计算出对应的吸力值,其值更符合实际物理意义。     

Hydromechanical characteristics and microstructure of unsaturated loess under high suctionEI北大核心

联合压力板仪和蒸汽平衡法在全吸力范围内对原状与重塑黄土进行持水特性试验,使用非饱和三轴仪对高吸力下的原状与重塑黄土进行剪切试验,同时采用扫描电镜仪(scanning electron microscope,SEM)和压汞仪(mercury injection apparatus,MIP)进行微观试验,探讨了非饱和黄土结构性差异对其水力力学特性的影响。试验结果表明:随着吸力的增大,原状和重塑土的饱和度、含水率均减小,孔隙比稍有减小。由于原状及重塑黄土的初始孔隙比基本一致,因此两者压汞试验总进汞量接近。由扫描电镜和压汞试验得到的原状及重塑黄土的孔隙结构形态及优势孔径范围不一样,结构性有所差异,导致土-水特征曲线在不同吸力范围内呈现不一样的规律。原状和重塑土的应力-应变关系多呈软化现象,吸力为3.29 MPa的重塑土呈硬化现象。且随着吸力的增大,原状和重塑土的黏聚力和峰值强度均明显增加,体变由剪缩趋向剪胀现象。由于原状土具备一定结构性,胶结作用较强,其黏聚力的增幅会大于重塑土,峰值强度也高于重塑土,而两者的内摩擦角基本一致。     

孔径分布对软黏土渗透特性的影响分析

用单向固结仪对取自不同地区的三种软黏土原状样和重塑样分别开展了固结渗透试验,得到不同土样的固结曲线和压缩曲线,推算土样在不同固结压力下的渗透系数。试验结果表明:相同应力时,土体的结构性使原状样的渗透系数明显大于相应重塑样的渗透系数,且随着固结压力的增大,两者的差距逐渐减小;原状样和重塑样的渗透系数与孔隙比的变化模式基本一致,但同一孔隙比下原状样的渗透系数大于相应的重塑样的渗透系数,比较浦东软黏土原状样和重塑样在相近孔隙比下的孔径分布曲线后确认:这是由于它们的孔径大小及分布存在明显差异引起的,且通过比较相同孔隙比下原状样和重塑样的大孔隙体积含量可合理地解释上述试验结果。最后,用简单表述土体的孔径大小及分布(土体的组构)的参考孔隙比e*10对多种软黏土的渗透指数Ck进行整理后,发现多种软黏土的原状样和重塑样均为一条相关度极高的ck-e*10直线,说明用参考孔隙比e*10可很好地反映土体的组构对软黏土渗透特性的影响。     

击实黄土孔隙结构对土水特征的影响分析

土水特征曲线是非饱和土的基本土物理-力学关系,即将含水率这一物理参数转化为土粒间力的作用,土水特征曲线受土的结构控制。为了探讨击实黄土孔隙结构对土水特征曲线的影响,本文在3种不同的初始含水率（小于最优含水率8%、最优含水率17%和大于最优含水率19%）下制备不同结构的击实黄土试样,分别用压汞试验测其孔隙分布曲线,用滤纸法测其土水特征曲线,并用扫面电镜获得其微观结构图像。对以上测试结果的分析表明,3种击实土样的孔隙分布曲线在相应的大孔径范围内相差较大,在小孔径范围内趋于一致;土水特征曲线在低吸力区差异较大,小于最优含水率的击实黄土土水特征曲线最陡;在高吸力区,3种击实土样的土水特征曲线趋于一致,这与孔隙分布特征一致。对比孔隙密度分布曲线与土水特征区曲线发现,土的土水特征受孔隙分布的控制,孔隙密度越大,土水特征曲线的斜率越陡。SEM图像也显示出3种击实土样的结构特点,小于最优含水率的土样有较多架空孔隙,优势孔径最大;高于最优含水率的土样,大孔隙减少,小孔隙增多,优势孔径最小。而最优含水率的击实黄土的孔隙分布较均匀,优势孔径覆盖范围大。     

上海软黏土的孔径分布试验研究

为研究结构性对软黏土变形特性的影响,对上海软黏土原状样和不同制样方式得到的重塑样、泥浆样和压实样开展了压缩试验和压汞试验,确认固结压力和制样方式对软黏土的孔径大小及分布具有重要影响。试验结果表明:上海软黏土原状样的孔径分布为单峰孔径分布,孔径大小主要分布在0.01~1.00?m之间;结构性对孔径分布影响较大,随着固结压力的增大,大孔隙和中孔隙逐渐向小孔隙转化,尤其是固结压力大于结构屈服应力后,这种现象更加明显;不同制样方法得到的重塑样、泥浆样和压实样,在饱和状态下的孔径分布均为单峰孔径分布,但不同制样方式得到的土样孔径分布差别较大,压实样的孔径相对较大,泥浆样的孔径分布较为集中;随着固结压力的增大,不同制样方法在相近孔隙比下的土样孔径分布差别虽然有所减小,但仍无法达到相同或接近,即固结压力无法消除制样方式对土体孔径分布的影响。用简单表示组构的参考孔隙比对不同土样的压缩曲线进行归一化整理,得到4种土样的压缩曲线可归一化为一条相关度极高的直线,说明参考孔隙比用于简单表述土体的组构是合理、有效的。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

广吸力范围内压实红黏土的强度特性

为了研究广吸力范围内红黏土的强度特性,采用经压力板法饱和,对盐溶液蒸汽平衡法吸力平衡后的非饱和桂林红黏土样进行一系列常含水率直剪试验。高吸力时土–水特征曲线不受土体密度的影响,故等含水率试验可以认为是等吸力试验。试验结果表明,随着平衡吸力的增加,非饱和红黏土的抗剪强度与黏聚力均先增大后减小,吸力为7 MPa左右时出现抗剪强度的最大值;当吸力超过7 MPa后内摩擦角基本保持不变,说明高吸力阶段吸力增大引起的强度变化是由黏聚力的变化引起的;吸力超过70 MPa后随着吸力的增加,强度变化较小。最后结合压汞试验的结果,从孔隙大小分布的角度解释了红黏土在广吸力范围内的强度特性。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

全吸力范围的盐渍土持水特性的试验研究

盐渍土中含有大量易溶盐,含水率和吸力变化对其工程性质产生重要影响。现有针对盐渍土持水特性的研究较少,尚未得到全吸力范围内统一、明确的土-水特征曲线试验觃律。采用压力板法、蒸汽平衡法和冷镜露点法3种方法测量盐渍土的基质吸力和总吸力,幵通过试验手段探究压实度和含盐量对盐渍土持水特性的影响觃律。试验结果表明:在低吸力阶段,随着压实度的增加,土样的饱和体积含水率降低,进气值提高;持水能力随着压实度和孔隙溶液浓度的增加而提高,幵且低压实度时孔隙溶液浓度对基质吸力影响明显。在高吸力阶段,含盐量较高时压实度对土样土-水特征曲线的影响明显,幵且土体的持水能力随含盐量增加而增强。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

初始孔隙比对高吸力下非饱和土土水特性的影响

在我国西北干旱半干旱地区,处于高吸力范围内的非饱和土广泛存在于各种岩土工程中。非饱和土土水特性的研究是非饱和土渗流、强度与变形研究的基础。为研究高吸力下不同初始孔隙比非饱和土的土水特性,以一种粉土试样作为研究对象,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法控制土试样的吸力,利用阿基米德原理量测不规则土试样的体积,通过修正的Van-Gen...     

化学溶液作用下基于压实膨润土孔隙结构演化的土水特征模型研究

在高放废弃物深地质处置库复杂的地下水环境影响下,缓冲/回填材料微观孔隙结构的改变通常会大大影响其水力性质.为探究这种影响,众多学者从不同理论出发,建立了相应的土水特征模型.然而,针对这些模型的对比研究较少,且缺少将模型应用于考虑化学影响的情况.在压实膨润土微观结构分析的基础上,基于分形理论和双孔理论,分别构建了压实膨润...     

全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线研究

高放废物（HLW）深地质处置中,在膨润土中添加一定比例的石英砂能优化缓冲/回填材料的性能。利用水汽平衡法,对高庙子压实膨润土-砂混合物在不同温度、掺砂率和干密度条件下的土-水特征曲线（SWCCs）进行试验研究,分析温度、掺砂率与干密度对混合物土-水特征曲线的影响。试验结果表明,随着温度升高,混合物的持水能力明显下降;在试验控制吸力范围内,低吸力段掺砂率对土-水特征曲线影响明显,高吸力段掺砂率对混合物土-水特征曲线的影响逐渐降低;干密度对混合物的土-水特征曲线基本没有影响。根据试验数据建立了不同温度和掺砂率条件下膨润土-砂缓冲/回填材料土-水特征曲线的经验公式,可用来预测不同温度和掺砂率条件下的膨润土-砂混合型缓冲/回填材料土-水特征曲线     

Insights into the water retention behaviour of GMZ bentonite pellet mixture

Bentonite pellets are recognized as good buffer/backfill materials for sealing technological voids in high-level radioactive waste (HLW) repository. Compared to that of a traditional compacted bentonite block, one of the most important particularities of this material is the initially discrete pellets and the inevitable heterogeneous porosity formed, leading to a distinctive water retention behaviour. In this paper, water retention and mercury intrusion porosimetry (MIP) tests were conducted on pellet mixture (constant volume), single pellet (free swelling) and compacted block (constant volume) of GMZ bentonite, water retention properties and pore structure evolutions of the specimens were comparatively investigated. Results show that the water retention properties of the three specimens are almost similar to each other in the high suction range (>?10 MPa), while the water retention capacity of pellet mixture is lower than those of the compacted block and single pellet in the low suction range (<?10 MPa). Based on the capillary water retention theory (the Young–Laplace equation), a new concept ‘saturated void ratio’ that was positively related to water content and dependent on pore size distribution of the specimen was defined. Then, according to the product of saturated void ratio and water density in saturated void, differences of water retention properties for the three specimens at low suctions were explained. Meanwhile, MIP tests indicate that as suction decreases, the micro- and macrovoid ratios of pellet mixture and compacted block decrease as the mesovoid ratio increases, while all the void ratios of single pellets increase. This could be explained that upon wetting, water is successively adsorbed into the inter-layer, inter-particle and inter-pellet voids, leading to the subdivision of particles and swelling of aggregates and pellets. Under constant volume condition, aggregates and pellets tend to swell and fill into the inter-aggregates or inter-pellets voids. While under free swelling condition, the particles and aggregates in a single pellet tend to swell outward rather than squeezing into the inter-aggregate voids, leading to the expansion of the pores and even formation of cracks. Results including the effects of initial conditions (initial dry density and fabric) and constraint conditions (constant volume or free swelling) on the water retention capacity and pore structure evolution reached in this work are of great importance in designing of engineering barrier systems for the HLW repository.

     

南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制

采用蒸汽平衡法测定了4种温度(T=5、25、40、60℃)条件下Whatman No.42滤纸的率定曲线,建立了考虑温度影响的双线性率定曲线方程,发现滤纸的持水性能随温度升高而降低,且温度对率定曲线高吸力段滤纸持水性能的影响要弱于低吸力段。在此基础上,以南宁膨胀土为研究对象,使用滤纸法测定了不同温度作用下膨胀土试样的土-水特征曲线。试验结果表明,随着温度的升高,膨胀土持水性能下降,但温度的影响幅度会随着吸力的增大而减弱,当基质吸力达到40MPa时,不同温度下试样的体积含水率并没有明显变化,即此时温度对膨胀土的持水性能变化几乎无影响。为解释上述宏观现象,选取部分试样进行了压汞试验和吸附结合水试验,并根据试验结果从土体中各相及各相界面相互耦合作用的物理机制角度阐述了南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制。     

Soil–Water Characteristic Curves Obtained for a Colluvial and Lateritic Soil Profile Considering the Macro and Micro Porosity

This study aims to determine and to model the relationship of matric suction versus water content, known as soil?Cwater characteristic curve (SWCC), for a tropical soil profile at the southeastern Brazil. This soil profile consists of a colluvial, lateritic silty clay, with thickness of about 6.5?m. The filter paper and pressure plate techniques were used to determine the SWCC. Specimens were trimmed from the undisturbed soil samples collected along soil profile depth and submitted to drying paths. Impregnated thin-layer plates and a petrographic microscope were used to examine the structure and mineralogical composition of the soil samples. Mercury intrusion porosimetry tests were performed on some soil samples to obtain the frequency histogram of the pores. SWCC with bimodal pore-size distribution were obtained by the filter paper technique and SWCC with unimodal pore-size distribution were obtained by the pressure plate technique. The SWCC showed values of air-entry ranging from 1 to 3?kPa, depending on the technique used, resembling soils with macroporosity, as the lateritic soils. Combining both techniques, the SWCC could be fitted by a model that takes into consideration soils with macro and microporosity.     

广西膨胀土的孔隙结构特征

对冻干法制备的广西膨胀土不扰动样进行了微结构测试研究。通过压汞试验结果对膨胀土的孔隙分布进行分形研究表明其具有多重分维特征。对孔隙分布曲线拐点的物理意义进行了探讨,并用扫描电镜照片加以印证,认为可将膨胀土的孔隙划分为大、小、微3类,其中微孔隙为蒙脱石类晶层之间的宽度可变间隙。说明压汞试验无法提供微孔隙的信息,建议今后应重视膨胀土全孔隙分布的研究。