测定非饱和土土-水特征曲线的溢出水校正称量法

在利用压力板仪测定非饱和土的土-水特征曲线时,常用的取样称量法、溢出水称量法分别存在实测试样质量与实际试样质量不相等、实测排水量与实际排水量不相等等问题,从而造成试验结果失真。为此,溢出水校正称量法被引入用来消除取样称量法及溢出水称量法中存在的问题。通过取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的对比研究发现,在同一基质吸力作用下,由取样称量法、溢出水称量法确定的试样饱和度均小于由溢出水校正称量法确定的试样饱和度,并对该现象进行了解释。随后,对取样称量法、溢出水称量法、溢出水校正称量法的适用范围进行了探讨。     

基于动态多步流动原理的快速测定SWCC方法及压力板仪改装研究

对以轴平移技术为原理的压力板测试系统进行改进,增加了数据自动采集系统,储水冲刷系统和气泡体积测量系统。解决了陶土板底部气泡体积测量问题。本次试验与常规平衡态测试非饱和土土-水特征曲线方法不同,在改进的压力板仪测试系统上对粉土试样开展动态多步流动实验。根据在Origin建立的非饱和土饱和度时间演化模型方程,对实测数据进行非线性拟合得出未知参数容水率C和特征时间τ,最终得到平衡状态下的土-水特征曲线的脱湿曲线。与常规平衡状态下测得的土-水特征曲线进行对比后能较好地重合。此方法在改进的压力板仪测试系统上测得一条脱湿曲线的时间为5d左右,具有较高准确性,与常规平衡态测试方法相比可以大大节省时间,方便快捷。     

两种快速测定非饱和土水力学参数方法的对比分析

非饱和土水力学参数包括土-水特征曲线和渗透函数是非饱和土研究的重要内容。鉴于传统的测试方法耗时较长,提出了能够快速测定非饱和土水力学参数的一步流动方法和动态多步流动方法,并利用联合测试系统分别开展流动试验。通过对比分析,这两种方法得到的试样平衡态土-水特征曲线均与实测值接近,并且有效地避免了由于测试时间较长高压气体通过水流在陶土板背面析出的问题。一步流动方法比动态多步流动方法需要的时间短,但反算得到的土-水特征曲线与实测值的接近程度不如动态多步流动方法,因此,动态多步流动方法要优于一步流动方法。     

测定非饱和土水力参数的一步流动方法研究

详细介绍了改进的常流速联合测试系统,该系统增加了气泡冲刷和量测装置,能够冲刷试验过程中溢出陶土板的气泡并测量气泡的体积,进而对溢出水量进行修正,使测量值更加接近于真值。使用该系统对试样进行一步脱湿、吸湿流动试验,得出溢出水量随时间变化的关系曲线,利用HYDRUS-1D水分运移模型对该曲线进行拟合并得出相关参数。根据这些参数,反算得出试样脱湿段和吸湿段的土-水特征曲线和渗透函数并和实测数据进行对比。结果表明,该方法能很好的拟合实测溢出水量随时间变化的关系曲线,通过模型得出的土-水特征曲线和实测值比较接近,证实了该方法的可靠性。并且,与传统的测试方法相比,该方法能够节约大量的时间。因此,通过一步流动试验测定非饱和土-水力学参数的方法是可行的。     

非饱和土土-水特征曲线预估方法研究

在Wei等[1]基于多相孔隙介质非平衡渗流理论提出的多孔介质热动力学混合物理论模型的基础上,建立了一个能描述不考虑土骨架变形的非饱和土土-水特征曲线动态模型。依据非饱和土土-水特征曲线动态模型,推导出不考虑土骨架变形的气-水两相非饱和土的饱和度演化方程。利用饱和度演化方程并结合多步流动瞬态试验的成果,通过数值反演,提出了一种能利用多步流动瞬态试验数据快速确定非饱和土土-水特征曲线的方法。通过对低液限粉土及低液限黏土的多步流动瞬态试验研究发现,饱和度演化方程能较好地模拟非饱和土在小基质吸力步长变化下饱和度的变化规律。此外,通过对多步流动瞬态试验试样饱和度的模拟确定的非饱和土土-水特征曲线与联合测试系统测得的土-水特征曲线的结果较为一致。     

干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响

采用压力板仪详细研究了不同击实条件对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响,并采用van Genuchten模型对实测试样的土水特征曲线进行了拟合。分别取在初始击实含水率相同的条件下,击实干密度不同的试样以及在击实曲线上同一干密度处对应的不同初始击实含水率的试样,对其进行土水特征曲线测试。结果表明:击实干密度越大,空气进气值越高。击实含水率越大,试样可塑性越好,其空气进气值越大。     

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。     

垃圾土渗透性和持水性的试验研究

通过室内常水头试验测定了垃圾土的饱和渗透系数,通过室内压力板仪试验测得垃圾土的土-水特征曲线。基于土-水特征曲线预测了垃圾土的非饱和渗透系数,并通过室内入渗试验进行了初步验证。常水头试验得到深层、中层和浅层垃圾土的饱和渗透系数分别为3.56×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2 cm/s。土-水特征曲线试验表明,垃圾土饱和含水率和残余含水率较高,进气值很小,土-水特征曲线在低基质吸力时存在陡降段,其中浅层垃圾土的陡于深层垃圾。验证试验表明,预测得到的非饱和渗透系数与实测结果接近,基于土-水特征曲线预测垃圾土非饱和渗透系数的方法基本可行。     

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。     

利用溢出量数据确定非饱和土-水力学参数

在Wei & Muraleetharan基于非饱和土两相流交界面上的动态相容条件提出的多孔介质热动力学混合物理论模型基础上,推导出能描述溢出量与时间关系的溢出量演化方程。根据溢出量演化方程,结合一定变化规律的基质吸力序列,建立了给定基质吸力序列作用下利用多步流动试验瞬态溢出量数据确定非饱和土-水力学参数的方法。通过对低液限粉土、低液限黏土的多步流动试验研究发现,利用瞬态溢出量数据的拟合来确定非饱和土-水力学参数的方法而得到的各基质吸力作用下试样饱和度和渗透系数预估值,与联合测试系统测得的各基质吸力作用下试样的饱和度及渗透系数接近。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

随机单裂隙饱和/非饱和渗透系数研究

裂隙易在降雨作用下诱发滑坡等灾害,裂隙的饱和/非饱和渗透特性是研究此类问题的关键。利用精密数控机床制作随机粗糙裂隙面,并研制了一套仪器进行此随机粗糙裂隙的渗流试验,得到了裂隙的饱和渗透系数,然后通过间接方法预测此裂隙的非饱和渗透系数。研究发现,当裂隙平均开度为0.4 mm时,其饱和渗透系数为0.1 m/s。通过立方定律得到的水力等效隙宽为0.35 mm,小于其平均隙宽。同时裂隙的渗透系数与平均隙宽的平方成正比,这与立方定律的趋势相一致。研究得到了不同隙宽裂隙的非饱和渗透系数函数,当基质吸力小于进气值时,渗透系数为一常数,即为饱和渗透系数;当基质吸力大于进气值时,裂隙板的渗透系数急剧减小。当裂隙板的基质吸力达到其残余含水率对应的吸力值时,裂隙板的渗透系数基本稳定。在此情况下,基质吸力的继续增加对渗透系数的影响非常小,很难使渗透系数减小。     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

高水压力作用下裂隙岩体渗透性的变化研究

渗透系数是表征裂隙岩体透水性能的一个重要参数,当水压力较小时,岩体的渗透系数变化不明显,但在高水压力条件下,岩体的渗透系数会发生明显变化,这给我们在进行渗流分析时带来了一定的困难,因为多数情况下是将渗透系数当作定值来计算的。在高压水条件下,基于非达西流方程,推导了裂隙岩体的渗透系数与水压力之间的表达式,并给出了常规压水或低水压力、高压压水时水力劈裂前后渗透系数的计算公式。现场压水试验结果表明,当岩体发生水力劈裂后,渗透系数增加明显,此时可以通过压水量和水压力的变化量来计算裂隙岩体的渗透系数。通过几个抽水蓄能电站的高压压水试验结果验证了裂隙岩体水力劈裂前后渗透系数的变化规律,并与实际裂隙岩体的渗透系数进行了比较,其误差在10%左右,表明本文给出的渗透系数表达式的合理性和准确性,为水利水电工程的渗流分析及渗漏量的计算提供了渗透系数选择的依据。     

三峡库区黄土坡滑坡非饱和水力参数研究

非饱和水力参数在计算滑坡降雨入渗过程与稳定性时是至关重要的材料参数。在三峡库区黄土坡滑坡上进行双环渗透试验,获取黄土坡滑坡表土层的饱和渗透系数。对黄土坡滑坡表土层的含水率和基质吸力进行实时监测,采集了黄土坡滑坡表土层中含水率和基质吸力随时间的变化数据,采用van Genuchten土-水特征曲线模型拟合了4个实时监测剖面的土-水特征曲线及其拟合参数。将饱和渗透系数与土-水特征曲线拟合参数代入van Genuchten渗透系数函数模型,求出了黄土坡滑坡表土层在非饱和条件下的渗透系数函数,为黄土坡滑坡在降雨作用下的稳定性计算提供了可靠的水力参数     

全吸力范围内渗透系数快速测定方法研究

非饱和土渗透系数函数跨越多个数量级,传统的测量方法动辄耗时数月,且难以实现全吸力范围内渗透系数的测量。为了实现全吸力范围内渗透系数的快速测量,将湿润锋前进法与瞬时剖面法相结合（简称联合测定方法）,利用自行研制的土柱入渗装置,开展了不同干密度条件下青海粉质黏土全吸力范围内渗透系数测量试验。试验结果表明：在联合测定方法中,湿润锋前进法适用于高吸力段（基质吸力ψ > 25 kPa）渗透系数的测量,瞬时剖面法则适用于低吸力段（基质吸力ψ ≤25 kPa）渗透系数的测量,且两种方法在吸力重叠范围内渗透系数测量结果基本一致。联合测定方法可将全吸力范围内渗透系数的测量时长压缩至一周左右,且精度良好。此外,还对两种试验方法的误差来源进行了分析与讨论。研究结果表明：联合测定方法能够实现全吸力范围内渗透系数的快速测量,有望使得非饱和土渗透系数的测量成为土力学的常规试验。     

Microstructure and hydraulic conductivity of a compacted lime-treated soil

Under a given compaction energy and procedure, it is known that maximum dry density of a soil is lowered due to lime addition. This modification of maximum dry density could alter the hydraulic conductivity of the soil. The main object of this study was to assess the impact of lime-stabilization on a silt soil microstructure and then on saturated hydraulic conductivity. An investigation at the microscopic level with mercury intrusion porosimetry showed that lime treatment induced the formation of a new small class, with a diameter lower than 3 × 10³ Å in the compacted soil. This class is responsible for the difference in dry density between the treated and the untreated sample after compaction. It is shown that this small pores class was not altered by the compaction water content, the compaction procedure or the dry density. As in untreated soils, only the larger pores were modified by the compaction water content and the compaction procedure in the lime treated samples. The hydraulic conductivity appeared to be only related to the largest pores volume of the tested silt, regardless of lime treatment. Therefore, this study demonstrated that even if addition of lime resulted in a dramatic change of the maximum dry density of the tested silty soil, its effect on hydraulic conductivity is limited.