Unified numerical study of shallow foundation on structured soft clay under unconsolidated and consolidated-undrained loadings

Abstract

Based on a new elasto-plastic constitutive model, this paper presents a soil–water coupled numerical prediction of the bearing capacity for shallow foundation constructed on Ballina soft clay for unconsolidated undrained (UU) and consolidated undrained (CU) conditions. This elasto-plastic constitutive Shanghai model has an advantage of describing the mechanical behaviour of over-consolidated and structured soil under different loading and drainage conditions, by using one set of material parameter. In this paper, the Shanghai model used for both UU and CU conditions has the same initial parameters obtained from laboratory test results. The loading conditions and consolidation stages vary based on construction details. The predicted bearing pressure-settlement responses for UU and CU, approves the field observation. The phenomenon of gaining the bearing capacity due to consolidation is captured and explained by the use of soil–water coupled numerical analysis with a new elasto-plastic model. The stress strain behaviour, stress paths and the decay of the structure of elements at different depths presented in this study, reveal the mechanism for the difference between UU and CU conditions to understand the foundation behaviour. Effect of the initial degree of soil structure on the bearing capacity is also addressed. Overall, this approach provides the integrated solution for the shallow foundation design problems under short and long-term loadings.     

毛乌素沙地锦鸡儿（Caragana）根系微域细菌群落多样性特征

基于16S rRNA高通量基因测序技术,对毛乌素沙地小叶锦鸡儿（Caragana microphylla)、柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）根系微域（即根系、根际土、根区土、灌丛间空白土）间的细菌群落多样性和结构差异性进行表征。本研究对各根系微域间细菌群落的Alpha多样性指数进行了单因素方差分析以及基于OTU水平的PCA分析,探究其在根系微域间Alpha和Beta多样性的层级变化,证实了有关植物根系微域生态位分化的报道,并发现锦鸡儿属植物根系微域间细菌群落的多样性和结构组成随着4个微域类型由外及内呈现出显著的层级差异性（P<0.05）。通过对优势细菌群组的结构组成分析,发现锦鸡儿属植物对特定细菌群组具有显著的向根系内筛选富集的作用（P<0.05）。这种植物通过根系微域对特定细菌群组的逐级筛选富集作用,是导致锦鸡儿属植物灌丛下不同生态位间细菌群落结构和组成发生层级变异的主要原因。     

生物土壤结皮铁代谢微生物组成及其功能基因对演替的响应

采用微生物宏基因组学微阵列GeoChip 5.0技术,选择腾格里沙漠东南缘沙坡头地区不同年代人工固沙植被区的生物土壤结皮（BSC）为对象,分析BSC演替过程中参与铁代谢的功能微生物组成及其功能基因变化特征,研究微生物铁代谢对BSC演替的响应及调控。结果表明：真菌参与铁吸收和转运过程,古菌参与铁转运和贮存过程,细菌则在铁代谢吸收、转运和贮存过程中均起主要调控作用。门水平上,BSC铁代谢功能微生物组成变化对演替的响应不敏感,BSC铁代谢微生物主要为变形菌门（Proteobacteria）。BSC铁代谢功能基因多样性的显著提高和三类铁代谢过程基因信号强度达到最高水平需要经过61 a的演替。调控BSC铁吸收过程的主要功能基因为亚铁氧化酶编码基因iro;调控原核生物铁转运过程的主要功能基因,为羟基苯甲酰丝氨酸铁外膜转运体编码基因cirA和Fe（Ⅱ）转运蛋白编码基因feoB,真菌铁转运过程主要依靠含铁细胞转运体和铁氧化酶高亲和力的作用;调控铁贮存过程的主要功能基因为固定相类核蛋白编码基因dps。在BSC演替阶段末期,上述铁代谢功能基因强度的显著增加促进了微生物的铁代谢潜能。干旱、半干旱荒漠生态系统植被恢复过程中微生物铁代谢潜能的恢复需要较长时间。     

降雨量、土壤蓄水量对流动沙地土壤水分深层渗漏的影响

土壤水分深层渗漏是陆地近地层水分循环的重要环节。利用土壤水分深层渗漏记录仪对毛乌素沙地典型流动沙丘不同深度土层的土壤渗漏水量连续进行两年定点监测。结果表明：（1）2016年生长季（4月1日至10月31日）降水量为2017年的1.93倍,但50、100、200 cm沙层的渗漏水量分别是2017年同期的4.53、5.53,5.22倍。同时,渗漏水量与降雨量及土壤蓄水量的波峰较一致。（2）强降雨对深层渗漏水量的影响较大,土壤蓄水量的变化也与深层渗漏水量密切相关;降雨量较小时,土壤蓄水量与深层渗漏水量之间的关系更为密切。在连续降雨过程中,越往深处,渗漏的产生通常是多次降雨过程累积的结果,将土壤蓄水量作为中间变量,能更好地分析土壤深层渗漏过程。（3）当天蓄水量与次日渗漏水量的相关系数较高,土层越深,深层渗漏水量与土壤蓄水量的相关系数增加,二者之间的线性拟合的R²也相应增加。     

Coupling numerical simulation with remotely sensed information for the study of frozen soil dynamics

The acquisition of spatial-temporal information of frozen soil is fundamental for the study of frozen soil dynamics and its feedback to climate change in cold regions. With advancement of remote sensing and better understanding of frozen soil dynamics, discrimination of freeze and thaw status of surface soil based on passive microwave remote sensing and numerical simulation of frozen soil processes under water and heat transfer principles provides valuable means for regional and global frozen soil dynamic monitoring and systematic spatial-temporal responses to global change. However, as an important data source of frozen soil processes, remotely sensed information has not yet been fully utilized in the numerical simulation of frozen soil processes. Although great progress has been made in remote sensing and frozen soil physics, yet few frozen soil research has been done on the application of remotely sensed information in association with the numerical model for frozen soil process studies. In the present study, a distributed numerical model for frozen soil dynamic studies based on coupled water-heat transferring theory in association with remotely sensed frozen soil datasets was developed. In order to reduce the uncertainty of the simulation, the remotely sensed frozen soil information was used to monitor and modify relevant parameters in the process of model simulation. The remotely sensed information and numerically simulated spatial-temporal frozen soil processes were validated by in-situ field observations in cold regions near the town of Naqu on the East-Central Tibetan Plateau. The results suggest that the overall accuracy of the algorithm for discriminating freeze and thaw status of surface soil based on passive microwave remote sensing was more than 95%. These results provided an accurate initial freeze and thaw status of surface soil for coupling and calibrating the numerical model of this study. The numerically simulated frozen soil processes demonstrated good performance of the distributed numerical model based on the coupled water-heat transferring theory. The relatively larger uncertainties of the numerical model were found in alternating periods between freezing and thawing of surface soil. The average accuracy increased by about 5% after integrating remotely sensed information on the surface soil. The simulation accuracy was significantly improved, especially in transition periods between freezing and thawing of the surface soil.     

中国耕地土壤相对湿度时空分异

以全国653个农业气象站1993-2013年耕地的土壤相对湿度数据为基础,运用地统计方法,分析中国耕地土壤相对湿度时空分异特征与规律。结果表明:自1993年以来全国耕地的土壤相对湿度呈现波动上升趋势。全国耕地的土壤相对湿度普遍大于60%,分布区域自4月中旬开始随夏季风推移不断向北向西扩大,自10月下旬开始向东、南方向缩小。耕地土壤相对湿度值随土壤深度的增加而增加。年际尺度上,耕地的土壤相对湿度在夏秋季上升速度最快,变化幅度随土层深度增加而变小。土壤相对湿度与降水量存在较强的正相关关系,与潜在蒸发量、气温普遍存在较强的负相关关系。土壤相对湿度与各气象要素的相关性随深度加深而减弱。春、夏、秋季气象因素对旱地土壤相对湿度影响较大,冬季气象因素对水田影响更大。     

1980—2015年风蚀影响下中国北方土壤有机质与养分流失时空特征

中国北方干旱/半干旱区是全球主要的沙尘源区之一,风蚀造成的沙尘排放可导致大量的土壤有机质（SOM）与养分流失,并通过传输与沉降过程对其进行空间再分配,对空气质量、气候变化、植被生长及生物地球化学过程等具有重要影响。本文利用WRF/Chem（Weather Research Forecasting with Chemistry）v3.7.1大气化学传输模型,对1980—2015年间中国北方沙尘排放及其引起的SOM、全氮（TN）与全磷（TP）的时空变化过程进行了精细化模拟,探究了中国北方风蚀引起的SOM、TN与TP养分流失的时空变化特征。结果表明：① 1980—2015年来平均每年约有66.59 Tg的沙尘颗粒排放至大气;② 沙尘排放具有较大的时空差异,沙尘排放源区主要集中在新疆东部、内蒙古西部的巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠等地区;③ 每年因沙尘排放引起的SOM、TN和TP流失量分别约为0.07 Tg、0.004 Tg和0.005 Tg;④ 1980—2015年间中国北方沙尘排放及其引起的SOM、TN与TP的流失量具有较强的年际波动,未呈现显著的趋势性变化特征。本研究对于认知风蚀在碳循环与养分循环过程中的作用,以及对深入了解中国北方的土地退化机理具有重要意义。     

施肥对新垦绿洲风沙土肥力及碳积累的影响

利用2005年安排在临泽边缘绿洲沙地农田的长期施肥定位试验,研究不同用量有机肥、化肥、有机肥和化肥配施对绿洲沙地土壤肥力及有机碳积累的影响。试验包括高量有机肥单施(M3),氮磷化肥单施(NP3),低、中、高量氮磷钾化肥单施(NPK1,NPK2,NPK3),及低、中、高量氮磷钾化肥配施高、中、低量有机肥9个处理(NPK1M3,NPK2M2,NPK3M1),测定分析10年后不同施肥处理耕层(0~20 cm)土壤物理化学性状特征及有机碳动态。结果表明:施有机肥及有机无机配施处理较单施化肥处理容重下降0.13 g·cm^-3,田间持水量提高6.7%,单施有机肥、有机无机配施较单施化肥,土壤有机碳(SOC)和全氮含量分别提高64.8%、36.3%和64.9%、49.5%。高量施用氮磷化肥和氮磷钾化肥处理全磷含量最高,有机肥及有机无机配施较单施化肥有效氮含量显著增加,有机无机配施及高量施用磷肥土壤有效磷积累明显,高量施用有机肥能显著提升有效钾含量。连续施肥处理10年后,SOC含量提高了1.68~2.84倍,土壤全氮、全磷、碱解氮及有效磷均有一定程度的提高,但单施化肥及有机肥与氮磷化肥配施有效钾含量下降。SOC的积累速率单施化肥、有机无机配施、单施有机肥处理分别为0.27、0.59,0.87 g·kg^-1·a^-1。增施有机肥、适量减少化肥投入、氮磷钾化肥的平衡施用是绿洲沙地农田土壤肥力持续提升的施肥管理对策。     

腾格里沙漠东南缘人工固沙植被区表层土壤有机碳矿化对凋落物添加的响应

土壤有机碳矿化是调控土壤碳库时空格局、土壤碳收支平衡和植物养分供应的重要过程,植物残体和凋落物分解释放CO₂直接影响着土壤有机碳矿化。研究了不同类型凋落物对腾格里沙漠东南缘建植于1956年的人工固沙植被区土壤有机碳矿化过程及其对水分和温度的响应特征。结果表明：凋落物添加显著促进了有机碳矿化,添加柠条锦鸡儿（Caragana korshinskii）、油蒿（Artemisia ordosica）、小画眉草（Eragrostis minor）凋落物后,CO₂-C最大矿化速率分别增大了6.94、5.17、3.46倍,0~5 cm层土壤是5~10 cm层土壤的1.09、1.55、1.22倍;CO₂-C累积释放量分别增加了3.73、3.38、2.34倍,0~5 cm层土壤是5~10 cm层土壤的1.17、1.30、1.57倍。凋落物对有机碳矿化的促进作用与温度和水分密切相关,25℃时,CO₂-C平均释放速率、最大释放速率、累积碳释放量分别是10℃的2.21、3.60、2.21倍,而含水量10%时,CO₂-C平均释放速率、最大释放速率和累积碳释放量分别是含水量5%时的1.25、1.20、1.25倍。相关性分析表明,凋落物碳氮含量、碳氮比、木质素比氮和土壤有机碳以及全氮是影响有机碳矿化的主要因子。凋落添加土壤后潜在可矿化碳表现为柠条锦鸡儿>油蒿>小画眉草>对照。凋落物添加显著促进了有机碳矿化过程及碳周转,植被恢复过程中草本植物凋落物的输入更有利于土壤碳固存,凋落物对土壤碳库的调控作用受土壤理化性质和水热等环境因子的共同作用影响。     

震区植被恢复初期土壤理化性质与土壤呼吸间的关系

为了解地震灾区不同恢复方式下土壤理化性质和土壤呼吸间的关系,选取2种典型气候区(干旱河谷气候区与亚热带季风气候区)为研究区,设置人工恢复、未受损、自然恢复3种恢复方式的固定样地,定期测定土壤呼吸与土壤理化性质(有机碳、全氮、全磷、速效氮、有效磷、容重、孔隙度、电导率和pH值),并分析各因子间的相关关系。结果表明:气候类型显著影响土壤全氮、容重、孔隙度、电导率以及土壤呼吸,表现为干旱河谷气候区显著优于亚热带季风气候区;恢复方式显著影响土壤呼吸速率、有机碳、全氮、全磷、速效氮、有效磷含量、C:P、N:P、容重、孔隙度和电导率,基本表现为未受损样地优于人工恢复样地优于自然恢复样地;二者交互作用显著影响土壤呼吸、土壤物理性质和除全磷、有效磷外主要土壤养分的流失。两种气候区土壤呼吸的影响因子不同,干旱河谷气候区主要为土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、pH值、容重和孔隙度,亚热带季风气候区主要为土壤有机质、全氮、速效氮、容重和孔隙度。本研究为评价和优化西南地区灾后恢复治理措施提供一定科学依据,对其生态安全维护和生态屏障建设提供帮助。