利用CT扫描对粗砂土中甲烷水合物形成过程中水分迁移特征的分析

多孔介质中甲烷水合物的形成及分解实验研究,对于了解多年冻土中天然气水合物的赋存有重要意义.通过X射线扫描系统对粗砂土中甲烷水合物的形成及分解过程中反应釜内水分的空间变化进行分析,结果表明:粗砂土中甲烷水合物的形成和分解过程中,CT数在反应釜内有明显的空间变化特征,且这个空间变化特征与甲烷水合物在粗砂土中形成、分解过程中水分的迁移是密切相关的.通过对不同阶段CT扫描所获得图像CT值的空间变化特征进行分析,可以看出:在甲烷水合物的生成过程中,反应釜内下半部分的水分会向上半部分迁移,以弥补上半部分水分的不足;在甲烷水合物分解过程中,分解所释放出来的水分会由反应釜上半部分向下半部分回迁,最终达到自然分布.     

水汽补给下砂土水分迁移规律及冻胀特性研究

利用自主研发的水分迁移和冻胀试验装备,研究了不同初始含水率、冷端温度、干密度对砂土水分迁移规律的影响,分析了三因素作用下砂土水平冻胀力和冻胀量的变化规律,确定了冻结锋面位置。研究表明：初始含水率和冷端温度对砂土的水分迁移和冻胀效果影响明显;初始含水率从0%增加至10%,试样含水率峰值增大了5.00倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.5 cm高度处。冷端温度从?5 ℃降低至?15 ℃,试样含水率峰值增大了4.38倍,水平冻胀力和冻胀量不断增大,冻结锋面位置上移至2.6 cm高度处。干密度对试样水分迁移和冻胀特性影响相对不明显,整体呈现出在较小干密度下,试样含水率、水平冻胀力和冻胀量增幅稍大的趋势,冻结锋面集中在2.2～2.5 cm高度处。针对不同影响因素提出了水平冻胀力和冻胀量预测公式,为认识水汽补给下砂土水分迁移规律及合理预防冻胀提供参考。     

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。     

基于热力学基础上的非饱和砂土本构模型-理论研究

热力学是一种普适理论,因此非饱和砂土的变化过程必然也遵循热力学原理。利用热力学原理可以从更普遍的情况(条件)和更一般的视角审视非饱和土的水力-力学性质。本文基于热力学理论并考虑砂土的剪胀-各向异性以及塑性耗散之间的关系,建立固-液两相耦合的非饱和砂土本构模型的理论框架,更深入地揭示非饱和砂土复杂的行为和性质。     

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.     

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。     

不同土壤转换函数预测砂土非饱和导水率的对比分析

以现有的4种土壤转换函数(Pedotransfer Functions, PTFs)(包括ROSETTA、RAWLS、CAMPBELL和VAUCLIN)为例,将其用于土壤水力性质数据库UNSODA中56个典型砂土样本的非饱和导水率预测,对4种PTFs的预测结果进行了误差分析,探讨了饱和导水率对非饱和导水率预测的影响。结果表明,当同种PTFs预测的饱和导水率作为输入时,在4种PTFs中VAUCLIN的预测精度最高,其次为ROSETTA和RAWLS,CAMPBELL的误差最大;当实测饱和导水率作为输入时,RAWLS、CAMPBELL和ROSETTA的预测精度有了不同程度提高,但VAUCLIN的预测误差反而有所增大;饱和导水率对非饱和导水率预测的影响较大,实测饱和导水率作为输入时CAMPBELL预测的非饱和导水率与实测值最为接近。     

氮类污染物在土壤中迁移转化规律试验研究

在分析氮物质迁移过程的基础上,借助于土柱物理模型试验装置,试验研究了氮类污染物在土壤中迁移转化规律,得到了NH₄+-N、NO₃--N在土柱内的时空变化过程。在分析实测资料后,建立了考虑氮的迁移和转化的数学模型。根据实测资料和数学模型的数值解,运用最优化技术率定模型参数,参数验证结果与独立的实测值吻合良好。     

岩土非饱和性对毒性金属镉在包气带中迁移转化的影响

本文在大量实验研究基础上，揭示了岩土非饱和性对毒性金属镉在包气带中迁移转化的影响特征，阐述了产生这种特征的作用机理，提出了岩土处于亏缺水分状态下和非亏缺水分状态下吸附作用机理不同的观点，指出了这一研究成果的应用前景。     

An experimental investigation of LNAPL migration in an unsaturated/saturated sand

Accidental spills of hydrocarbons, such as Light Non-Aqueous Phase Liquids (LNAPLs), are one of the most common sources of subsurface contamination. Migration of LNAPL in a porous medium is influenced by various factors such as the number of fluids present in the unsaturated/saturated zones and the proportion of pores occupied by each fluid. The results for relationship between matric suction and degree of saturation are presented in this paper for water–air, water–LNAPL and LNAPL–air systems in a sand. A simple and reliable setup using Buchner funnel was designed to obtain these relations. It was found that the relationship between matric suction head and degree of saturation is hysteretic for all the fluid systems (water–air, water–LNAPL and LNAPL–air). Furthermore, the amount of hysteresis depended upon the fluid system, with the maximum hysteresis occurring for water–air system. The results suggest that the amount of trapped air depends upon the reversal degree of saturation from drying to wetting.     

非饱和黏土质砂的渗气规律试验研究

为了探讨非饱和黏土质砂的渗气规律,对常规三轴仪进行了改造,使其能够进行非饱和土渗气性量测,改进后的渗气装置具有构造简单、制样方便、试样均匀性好、加载系统稳定、可用量测的气压力梯度范围较大、提高了量测精度等优点,并解决了量测空气体积困难的问题和渗气试验气体从刚性壁和试样边缘流出的问题。使用该套仪器研究了不同干密度和不同含水率条件下气体流速与渗透系数随压力梯度变化的规律,分析了气体流速、渗气系数同含水率和干密度之间的依存关系,建立了渗气系数与含水率和干密度之间的函数关系。研究结果表明：试样在所研究的含水率、干密度范围,非饱和黏土质砂中气体流动可用达西定律描述。     

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     

A comparative study of suction stress between sand and silt under unsaturated conditions

The purpose of this study is to estimate and compare suction stress between sand and silt sampled from the coast of Korea. The water content and matric suction of sand (Joomunjin) and silt (Saemangeum) were first examined using an automated soil–water characteristic curve (SWCC) apparatus based on the axis translation technique. SWCCs were then estimated from the test results using the van Genuchten (1980) model. At equal matric suction, the corresponding water content of silt was higher than that of sand. Moreover, the saturated water content and air-entry value (AEV) of silt were larger than those of sand. Using the fitting SWCC parameters, suction stress characteristic curves (SSCCs) were estimated according to the method proposed by Lu and Likos (2006). The SSCC behavior for sand and silt was different and significantly depended on the material properties, particularly pore size and pore size distribution. For sand, the suction stress exhibited rapid variation with changes in matric suction, but for silt, the suction stress approached a constant value as the matric suction increased. In addition, when the matric suction was smaller than the AEV of soil, the suction stress was equal to the magnitude of the matric suction. In contrast, when the matric suction exceeded the AEV of soil, suction stress had a nonlinear shape with respect to the matric suction.     

非饱和路基土水分运移的室内试验研究

模拟路基填土的实际情况,研究设计了不同表面辐射温度和降雨强度的非饱和土水分运移的室内试验方法。通过测定土样在相应边界条件下土体不同深度位置的含水率随时间的变化,揭示了温度、压实度、降雨强度3个因素对非饱和土水分运移影响的规律,据此探讨了路基填土的水分运移规律,认为提高压实度能显著减少水分运移变化。     

非饱和含黏砂土的广义土-水特征曲线试验研究

利用非饱和土4联固结仪和非饱和三轴仪,解决了用压力板仪测试土-水特征曲线无法考虑体变、净竖向压力和净平均应力影响的问题,进行了考虑净竖向压力和净平均应力影响的土-水特征曲线研究,对未考虑净竖向压力或净平均应力的土-水特征曲线同考虑净竖向压力或净平均应力的广义土-水特征曲线的试验结果得出,净竖向压力或净平均应力是影响非饱和土土-水特征曲线的重要因素,试验结果与理论公式稳合较好,并结合非饱和理论和试验结果,拟合了可以反映净竖向压力或净平均应力影响的广义土-水特征曲线公式,与试验结果吻合较好。     

降雨入渗下非饱和坡残积土湿润锋运移试验研究

我国东南沿海地区丘陵山地发育,降雨入渗到土体中的水分是导致滑坡灾害频发的关键因素。以福建省泉州市德化县地质灾害点为主要研究对象,考察典型地质灾害点具有代表性的坡积土与花岗岩残积土的渗透特性。利用自行研制的土体入渗装置,分别在降雨强度为15、30、60mm/h条件下,考虑降雨历时一致(180min)与过程降雨量一致(90mm)两种工况开展一维土柱入渗试验,得到相应的各个土柱含水率、湿润锋、入渗率随时间变化的响应规律。试验结果表明:(1)土体渗透系数越大、雨强越大,土体湿润蔓延距离越深、速度越快。(2)降雨入渗过程中,土体含水率由浅及深逐次对降雨进行响应。不同雨强对含水率的影响主要体现在第一次响应时间以及饱和速度上,雨强越大,响应时间越快,饱和速度也越快。(3)提出可表征在不同雨强作用下,德化县马坪滑坡与崩土岭滑坡的湿润锋入渗公式。该研究成果对台风暴雨型滑坡的孕灾机制分析以及精细化监测预警具有重要的理论及实际意义。     

A micro-investigation of unsaturated sand in mini-triaxial compression based on micro-CT image analysis

Acta Geotechnica - The mechanical behaviours of unsaturated soils are highly related to the water content and pore water and air distributions. Under the context of climate change, geo-disasters...