一种预测砂土土-水特征曲线的简化方法

土-水特征曲线是非饱和土力学中最基本的参数之一,可用于预测非饱和土的各种性质。但是,测量土-水特征曲线耗时费事。为了解决这一问题,提出使用一点测量法和土的颗分参数相结合的方法预测Van Genuchten模型的3个参数。通过Van Genuchten模型的3个参数与43组(编号1～43)砂土的基本物理参数进行相关性分析,得出计算这3个参数的方程,进而通过一点测量法确定这3个参数的具体取值。结果表明：参数a_V与组合参数(P_{1 000}/P₅₀₀)呈指数函数关系,参数m_V与1/n_V呈指数函数关系。敏感性分析揭示了SWCC一点测量法选取的测量点的基质吸力应在1～10 kPa之间。采用4组(编号44～47)砂土数据验证了提出的预测砂土土-水特征曲线的方法。结果显示,其R~2=0.959,表明所提出的方法能够很好地预测SWCC。     

非饱和原状残积土土水特征曲线研究

利用压力板仪装置开展不同竖向应力、不同干湿循环次数和不同类型原状土(残积黏性土和残积砂质黏性土)的SWCC曲线试验研究, 比较和分析未考虑体积变化和考虑体积变化的土体SWCC滞回圈面积以及进气值和出气值的变化规律。研究结果表明传统方法获取的SWCC曲线会高估土体抵御变形的能力, 试验条件变化引起土体内部结构调整是SWCC曲线发生变化的内在原因; 高应力水平条件下, 土体孔隙变化显著, 导致吸湿过程SWCC变化明显, 吸湿和脱湿路径时SWCC形状的不平等变化促使彼此间更为接近, 这种变化会减小SWCC滞后性随有效应力水平的变化。最后, 根据试验数据对3类SWCC修正公式进行拟合优度分析, 结合模型参数的简洁性, 得出修正VG模型最符合闽东南地区原状残积土的SWCC建模。研究成果可为残积土边坡的工程特性及治理提供有意义的参考。     

考虑初始孔隙比影响的单/双峰土-水特征曲线模型研究

土样内部的孔隙结构可以分为单峰、双峰甚至多峰孔径分布。双峰孔隙结构土体的土-水特征曲线（SWCC）通常为双峰形态。现有的双峰SWCC模型大部分为单峰SWCC模型经过分段或叠加的方式所得,两段SWCC交点处的相关参数往往难以准确确定,而且很少有模型考虑孔隙比对双峰土水特性的影响。首先,详细分析和论述了广吸力范围内不同初始孔隙比土试样单/双峰SWCC的特点。其次,基于上述土水特性的分析,以及吸附水和毛细水两种不同的作用机制,结合开尔文方程推导出指数函数形式的吸附项方程,毛细项方程则以修正的Fredlund和Xing SWCC模型为基础。最后,提出一个考虑初始孔隙比影响的单/双峰SWCC模型,并利用不同类型土单/双峰SWCC的实测数据验证了模型的有效性。     

非饱和膨胀土的土-水特征曲线研究

在干旱和半干旱地区 ,土体中含水量的变化常会引发各种工程问题。研究表明 ,非饱和土的工程性质不仅取决于土的组成、结构和应力状态 ,还与土中的吸力密切相关。非饱和土的土 -水特征曲线表达了土体中含水量与吸力的关系 ,是非饱和土研究的重要内容之一。     

基于VG模型确定土水特征曲线基本参数

土水特征曲线基本参数(进气值、残余吸力值和反弯点的斜率等)在非饱和土的强度理论、渗流理论以及体变特性等方面都是非常重要的参数,常常通过传统画图法来确定,其精确度难以保证。以洛川标准剖面4层原状黄土为研究对象,基于VG模型提出单峰和双峰SWCC基本参数的确定方法;采用滤纸法测得SWCC数据点,基于VG模型进行最优化拟合,获取拟合参数,利用单峰和双峰SWCC数据点验证该方法的可行性;进行自然状态下的水分蒸发试验,根据质量含水率与蒸发时间的关系确定蒸发残余饱和度Srzf,依据Sr1、Sr2(Sr1和Sr2分别由确定残余状态的两种方法得到)与Srzf的相对误差值,比较了两种确定残余状态的方法。结果表明:对于单峰和双峰SWCC曲线,该方法都可以得到合理的基本参数并有效地确定其残余状态。     

辽西风积土路基土水特征曲线试验研究

基于土水特征曲线对工程性质的重要性,利用SDSWCC压力板仪和GDS饱和-非饱和应力路径三轴试验系统,详细研究了不同干密度、干湿循环次数和净平均应力对辽西风积土土水特征曲线的影响,并采用常用的3种模型,使用数学方法对所测数据进行拟合。试验结果表明,低基质吸力阶段,干密度、干湿循环和应力作用对风积土土水特征曲线影响显著:干密度更大时,土体内部孔隙率降低,饱和含水率降低,进气值升高,持水性能更好;干湿循环作用下,随着循环次数的增加,饱和含水率增高,失水速率变大,进气值降低,持水性能减弱,但3次干湿循环后趋于稳定;应力作用下土体发生收缩变形,密度变大,其产生的影响规律与干密度相似。高基质吸力阶段,三者的影响均很小。曲线拟合分析表明,Van Genuchten模型的拟合精度最高,能够更好地描述和预测辽西风积土的土水特征曲线。研究结果揭示了辽西风积土力学、工程性质与其它地域土体的一致规律,以及风积土自身独有的特性,为广泛开展的风积土路基、桥基等工程提供了判定风积土性质的参考和依据。     

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     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

利用Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线

利用Van Genuchten模型对用砂性漏斗测量中砂的吸湿过程和脱湿过程土壤水分特征曲线进行拟合,结果表明实测曲线和拟合曲线吻合很好,并得出Van Genuchten模型中的残余含水量、特性参数α和n,模拟计算表明,中砂有αw=1.69αd的关系,为研究水分和污染物在非饱和土壤中运移问题提供土壤水分运动键参数.     

考虑循环温度驱动的土−水特征曲线滞后模型

在温度、水头等边界条件往复变化时,土体内的水分迁移过程会出现滞后效应。为了模拟非饱和土在经历温度循环时水力特性,提出了一个能够反映滞后效应的经验模型,该模型假定各扫面线的曲线形态与对应边界线相似,因此利用土−水特征曲线中两条边界线的方程,无需引入新的参数,即可得到任意状态出发的扫描线方程。以高岭土为介质,设计了循环温度驱动下的土柱试验,在不透水的土柱内,利用水浴加热的方式使土样一端进行升降温循环。试验结果表明,升温后孔隙水会从高温端向低温端迁移,温度降低到初始状态后,含水率的分布不会完全恢复到初始状态,而是表现出一定的滞后效应。利用该滞后模型进行数值计算,可以较好地反映试验过程中滞后效应对土体含水率变化的影响,并结合已有的砂土、粉土试验结果,验证了该模型的有效性。该模型计算方法简单,易于通过程序实现,可应用于地质处置、供热管道设计等工程问题。     

用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数

描述土壤水分特征曲线的Van Genuchten方程是一个非线性复杂方程,采用传统的方法对方程参数进行估计往往因为计算复杂和人为因素的影响,而使估计结果带有较大的误差。遗传算法是当前处理一般非线性数学模型优化的一种新的优秀方法。为此,采用实数编码多子种群遗传算法对方程的参数进行优化估计。算例结果表明用遗传算法优化估计Van Genuchten方程参数具有求解速度快、计算精度和自动化程度高、人为干扰因素小、通用性强等优点。因此,遗传算法可作为计算Van Genuchten方程参数的一种新方法。     

Simulation and assessment of soil temperature and moisture in seasonally frozen soil regions of the Tibetan Plateau based on SHAW model北大核心CSCD

In recent years,more and more attention has been paid to the problem of the cryosphere changes on the Tibetan Plateau,and it has gradually become a hot issue for scholars. Known as the“water tower of Asia”,the Tibetan Plateau is the source of many major rivers in Asia. Under the combined influence of climate change and human activities,water resources on the Tibetan Plateau have undergone profound changes,especially soil water,as an important component of water resources,which plays an important role in regulating vegetation and crop growth,rainfall and runoff. However,global warming leads to the degradation of permafrost and seasonal⁃ ly frozen soil,which affects the original water cycle process and the spatial and temporal pattern of water re⁃ sources by changing the properties of soil water storage and water transport. In the Tibetan Plateau,where there are few data,it is difficult to directly study the soil water cycle process under freezing-thawing by using original data. Therefore,it is an important means to simulate the variation characteristics of soil water and temperature under freezing-thawing in seasonally frozen soil regions of the Tibetan Plateau by using coupling model of soil water and heat. Aiming at the key problem of the difference of soil temperature and moisture characteristics in typical seasonally frozen soil regions under different meteorological conditions,this paper simulated the charac⁃ teristics of soil moisture and temperature change in Maqu,Naqu（Nagqu）and Shiquanhe from 2017 to 2018 by using SHAW（Simultaneous Heat and Water）model and three soil moisture characteristic curve models. The simulation effect and variation characteristics of soil moisture and temperature under different meteorological conditions were analyzed,and the influence of soil moisture characteristic curve model on the simulation effect was studied. The results show that SHAW model can well simulate the temporal variation and vertical distribu⁃ tion of soil temperature and moisture under different meteorological conditions. The simulation effect of soil tem⁃ perature is better than that of soil moisture. The average NSE,R2 and RMSE of soil temperature are 0. 88,0. 96 and 2. 20 ℃,respectively. The mean NSE,R2 and RMSE of soil moisture are 0. 60,0. 72 and 0. 03 m3·m-3,respec⁃ tively. In terms of different meteorological conditions,the simulation effect of soil temperature in relatively dry region was significantly better than that in humid region,while the simulation effect of soil water in relatively hu⁃ mid region was significantly better than that in arid region. From different depths in soil,the simulation effect of soil temperature decreases gradually with the increase of depth,while the simulation effect of soil moisture in the middle and lower layers is better than that in the surface layer. From the view of different soil moisture character⁃ istic curve models,different soil water characteristic curve models have no significant effect on soil temperature simulation effect,but there are significant differences in soil moisture simulation effect. In addition,there are great differences and uncertainties in simulating soil temperature and moisture in different freezing-thawing stag⁃ es. With the increasing trend of climate warming,permafrost and seasonally frozen soil on the Tibetan Plateau may continue to degrade,may change the current water resources pattern,resulting in frequent extreme weather events. Therefore,from the perspective of numerical simulation,this paper verified the applicability of soil moisture and heat coupling model in soil temperature and moisture simulation under different meteorological con⁃ ditions,revealed the influence of precipitation and temperature on soil temperature and moisture simulation at different depths in seasonally frozen soil regions,and analyzed the differences in simulation effects of different soil moisture characteristic curve models. The results provide reference for the study of soil water resources vari⁃ ation under freezing-thawing conditions. © 2023 Chinese Journal of General Practitioners. All rights reserved.     

邯郸地区土壤水入渗规律实验及数值模拟方法研究

在对土壤入渗理论进行总结和分析的基础上,依据邯郸市平原区的水文水情的基本特点,选定2~3处地点进行实验,完成了静态数据的收集和动态数据的观测,确定了实验区土壤质地类型、土壤容重等物理特性,结合实验测定的饱和导水率K、土壤水分特征曲线θ（ h）推算非饱和导水率K（θ）、扩散率 D（θ）等土壤水分运动参数。运用上述数据对Van Genuchten模型加以改进,并运用改进后的模型对实验中的水分变化过程进行数值模拟。结合实测成果和数值模拟成果,对邯郸市平原区已选定实验点土壤水入渗规律进行分析。     

库水上升条件下不同土体类型岸坡渗流场特征

库水位与岸坡体内地下水渗流场的动态变化密切相关。传统的饱和土渗流分析方法无法准确描述水位上升过程中岸坡内渗流场的规律。从饱和-非饱和非稳定渗流理论出发,在室内实验得到基质吸力和体积含水量关系的基础上,通过对实验数据拟合,得出Van Genuchten模型中土水特征参数。以三峡库区典型岸坡为例,模拟库水匀速上升时,坡体为粉质黏土、粉土、砂土和砾石土4种岩土介质类型下的渗流特征,并监测坡面高程为165 m和155 m竖直剖面上的孔隙水压力变化。结果表明：库水位匀速上升过程中岸坡体内浸润线呈     

非饱和黄土强度参数的试验研究

非饱和土强度理论的研究是非饱和土力学的核心问题。目前公认的非饱和土强度理论是Bishop的单变量理论和Fredlund的双变量理论,二者都引入了基质吸力这一应力参数,只是前者将其归到有效应力中,后者作为独立变量。要得到这两个公式中相关参数需利用控制基质吸力的非饱和土三轴仪或直剪仪测定,控制基质吸力是通过同步增加气压和孔隙水压力保持吸力不变实现的,即所谓的轴平移技术,该项技术一直面临测试周期长的困难和合理性的质疑。鉴于此,本文采用不同含水率的常规三轴CU试验,测定了有效稳态强度参数,得出了吸应力和体积含水率的关系曲线,非饱和强度直接用吸应力函数表达,该强度公式回避了测定基质吸力的问题,便于在工程实际中推广。为了进一步和Bishop及Fredlund的强度公式进行对比,又用张力计测定了同一试样的水土特征曲线,获得了其强度参数。理论上,这3种强度理论对机理的解释不同,但在数学上可以互相转化。从工程应用的角度,基于吸应力的抗剪强度更便于工程应用。     

融合地形和土壤特征的流域蓄水容量模型

以van Genuchten模型表述的土壤水分特征曲线为基础,推导出流域单点缺水量,并结合TOPMODEL模型中地形指数与地下水位关系,建立了反映地形和土壤特征共同影响的蓄水容量模型,通过统计方法从栅格尺度蓄水容量获得流域尺度蓄水容量曲线,取代传统新安江模型中率定的蓄水容量曲线。以淮河流域紫罗山子流域为例,分析地形特征与土壤类型对蓄水容量的影响;并与实测流量过程以及原新安江模型模拟的流量过程对比,表明模型能较好地模拟场次洪水过程。模型将蓄水容量曲线显式表述,减少了新安江模型参数,为无资料地区的水文模拟提供了分析方法。     

土壤添加物对土-水曲线和土体收缩的影响

为探索不同添加物(小麦秸秆、麦壳和植物油渣)对土壤持水性能和土壤收缩特性的影响,定量掺混3种粉末,采用离心机法测定土-水曲线,并对土壤持水能力和土壤收缩特征进行评价。结果发现:各处理土-水曲线形态无差异,van Genuchten模型可用于此条件土-水曲线拟合;3种添加物均可提高土壤容重和土壤含水率并利于保水,且土壤持水能力表现为油渣 >麦秆 >麦壳 >纯土;随着土壤脱水,土体以轴向收缩为主,三直线模型可用于土壤收缩曲线拟合,土体线缩率与吸力和含水率分别满足对数和Logistic函数关系;土体几何收缩量表现为麦壳 <油渣 <麦秆 <纯土,土壤开裂程度表现为油渣 <麦秆 <麦壳 <纯土。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

一种新的土壤冻融特征曲线模型

土壤冻融特征曲线(SFTC)可以描述冻融过程中未冻水含量随负温的变化关系。准确刻画土壤冻融特征曲线对土壤的冻融过程及相关的水热耦合运移研究至关重要。以往研究中土壤冻融特征曲线适用范围较窄,无法满足实际需要。通过类比水分特征曲线,考虑初始含水量和溶质浓度对未冻水含量的影响,提出了一种新的冻融特征曲线模型,经广泛的文献数据验证表明,新模型能准确拟合观测数据,平均纳什效率系数高于0.95。与另外五种土壤冻融特征曲线模型相比,新模型在不同质地、初始含水量、溶质含量的土壤中表现良好。此外,敏感性分析显示,影响模型性能的主要因素为土壤自身物理特性、土壤溶质浓度以及残余水含量。新模型及研究结果有助于更好地理解土壤冻融过程中的水热传输过程,可为气候变化条件下冻融区生产建设和环境研究奠定坚实的理论基础,并为寒区工程相关数值模拟提供参考。