基于变截面孔隙模型描述岩土介质的渗透及持水特性

为研究孔隙变截面特征对岩土介质渗透及持水特性的影响,先构建了圆柱形孔喉–大孔隙联合体组成的变截面孔隙模型。其次,假定孔径分布服从分形分布,基于构建的变截面孔隙模型推得岩土介质的饱和渗透系数函数、相对渗透系数函数及滞回持水曲线的理论表达式。最后,利用已有文献中4种砂岩、8种土的饱和–非饱和渗透试验以及3种土的减、增湿持水试验(含一种黏土的补充持水试验)结果分别验证了理论表达式在表征饱和渗透率与孔隙率关系、相对渗透系数与有效饱和度关系以及滞回持水特性时的有效性,通过计算饱和渗透率及相对渗透系数的预测值与其实测值之间的均方根偏差,发现理论表达式在描述4种砂岩和8种土的饱和–非饱和渗透特性时优于Kozeny-Carman公式和Assouline模型。     

干密度对黄土渗透系数的影响

非饱和渗透系数是研究非饱和土入渗规律的重要参数,同时也是研究边坡失稳和地基浸湿变形的重要基础。本文采用变水头法测量原状黄土和重塑黄土饱和渗透系数,基于ChildsCollis-Geroge模型,结合土水特征曲线和饱和渗透系数,详细探讨了原状黄土、不同干密度非饱和重塑黄土体积含水率与渗透系数的关系和规律。结果表明,原状黄土的饱和渗透系数远小于重塑样,重塑土样饱和渗透系数随着干密度的增大而减小;黄土非饱和渗透系数减小趋势随着干密度增大而减小,但在残余含水率附近,不同干密度下试样的渗透性基本相同。     

赣南某稀土矿体渗透性试验研究

以赣南某离子型稀土矿为研究对象,基于Van Genuchten模型,结合饱和渗透系数,利用土水特征曲线对不同干密度重塑矿的非饱和渗透系数进行预测。在此基础上,探讨了干密度对离子型稀土重塑矿渗透性的影响,结果发现:干密度对重塑矿样非饱和渗透系数变化曲线的位置和形态有很大影响,非饱和渗透系数随干密度的减小而增大,随基质吸力的增大而减小,干密度对低吸力段的非饱和渗透系数影响较大,对高吸力段的非饱和渗透系数影响较小,而基质吸力对非饱和渗透系数的整个变化过程都有重要影响。     

考虑干密度和压实含水率影响的弱膨胀土土水特征曲线研究

通过采用常规压力板仪对压实含水率、制样干密度、土样结构等3种因素对非饱和弱膨胀土土水特征曲线的影响进行研究,通过采用Van Genuchten模型、Fredlund-Xing模型,通过最小二乘法对所测土水特征曲线进行拟合,着重分析了土样孔隙结构对土水特征曲线的影响。结果表明,常用的土水特征曲线模型Van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型均可较好地对压实膨胀土样和原状样土水特征曲线进行拟合,但对于石灰改性膨胀土Fredlund-Xing模型的拟合效果较好。     

初始干密度对非饱和土变形及强度影响的试验研究

通过压力板仪测定并对比分析了不同初始干密度下粉质黏土的土水特征曲线;使用GDS非饱和土三轴仪,进行了不同初始干密度、不同基质吸力下非饱和粉质黏土的强度试验。结果表明:van Genuchten模型可以较好拟合不同初始干密度粉质黏土土水特征曲线;试样进气值与初始干密度呈正相关,持水能力和水稳定性随初始干密度的增大逐渐增大;相同初始干密度的非饱和粉质黏土强度随基质吸力的增大而增大,随着基质吸力的增大,基质吸力对试样抗剪强度的贡献值逐渐变小。不同初始干密度的试样体积变化均随着基质吸力的增大而减小,且初始干密度越大,不同基质吸力试样体变越接近一致。重塑非饱和粉质黏土的应力-应变关系可以用双曲线模型来描述,试样切线模量随基质吸力的增大而增大。     

玄武岩残积土土-水特征曲线试验研究

利用非饱和土固结仪测得不同竖向应力及干密度下的玄武岩残积土土-水特征曲线,采用Van Genuchten模型对试验所得的土-水特征曲线进行拟合,比较和分析加压固结后,土体干密度、应力状态的改变对其土-水特征曲线的影响。结果表明:VG模型对所得数据的拟合度较高,适合玄武岩残积土土-水特征曲线的建模;竖向应力越大,土体水分越不容易排出,曲线越平缓,进气值、残余含水率与竖向应力呈正相关,当竖向应力超过400 k Pa时,竖向应力的增加对土-水特征曲线的影响减小;随着干密度的增大,残余含水率增大,土体的持水能力增强;竖向应力对土-水特征曲线的影响主要通过改变土体的干密度来实现,而土体应力状态的改变对土-水特征曲线的影响较小。     

气体压力和孔隙对垃圾土体气体渗透系数影响的研究

垃圾土的非饱和气体渗透系数是填埋场气体运移分析和抽气井设计的重要参数,孔隙比、有机物含量、饱和度等是影响垃圾土渗透特性的主要因素。通过研制的垃圾土非饱和渗透试验仪,进行了不同影响因素下的非饱和垃圾土气体渗透试验,发现渗透系数随渗透压力呈现非线性特性,可以用Forchheimer非达西渗流方程较好地拟合。孔隙比增加,渗透系数增大,非达西系数Ba逐渐减小,分界点的气体压力减小;有机物含量越高,渗透系数越小,分界点气体压力越大;片状分布有机物使有效连通的渗透路径减少是垃圾体气体渗透特性降低的原因;饱和度越高,垃圾土的渗透系数越小,分界点气体压力越大;在试验的有效孔隙范围内,渗透系数、分界点气体压力与有效孔隙呈现较好的相关关系、非达西系数变化不大。     

考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数模型

 相对渗透系数是土体非饱和渗流分析的重要参数,Mualem统计模型在土体相对渗透系数预测中得到广泛应用。然而,Mualem统计模型假定土体具有刚性的孔隙结构,因而无法反映变形对非饱和渗透系数的影响。笔者最近提出的变形土土水特征曲线模型为基础,建立考虑变形效应的非饱和土相对渗透系数的修正Mualem统计模型。修正模型引入某一饱和度条件下被水充满的平均孔隙半径这一参量,来反映有效饱和度及土体变形过程中孔隙形态变化对其非饱和渗透特性的影响。采用4种不同类型土体的非饱和渗透试验数据对修正模型进行验证。结果表明,修正模型给出的相对渗透系数预测值与实测值的均根误差相比Mualem统计模型减小27%,说明修正模型对于变形条件下土体的相对渗透系数具有更强的预测能力。研究成果为非饱和土渗流规律以及水–力耦合数值模拟等研究提供了更为可靠的理论模型。     

土在全含水率范围内持水及非饱和渗透特性的模型描述

传统的持水及非饱和渗透系数模型在较高含水率范围预测较好,而在较低含水率范围预测较差。一方面引入分界点将用体积含水率表示的持水曲线分为毛细阶段和吸附阶段,当土比分界点干燥时假定残余体积含水率与基质吸力的关系,改进Van Genuchten模型在较低体积含水率范围的适用性,将其推广至全体积含水率范围。另一方面,引入修正系数改进表征等径球体颗粒集合体内薄膜流动的非饱和渗透系数模型,并将非饱和渗透系数表示为毛细流动和薄膜流动对其贡献之和,以实现其在全体积含水率范围内从毛细流动到薄膜流动的光滑过渡。最后利用已有文献中6种壤土在较高、较低体积含水率范围内的持水以及非饱和渗透试验结果验证了修正持水及非饱和渗透系数模型的准确性,结果表明：这2种修正模型在全体积含水率范围内较传统模型的预测效果更好。     

非饱和土渗透系数的一种测量方法和预测公式

总结了非饱和土渗透系数的各种测量方法和预测模型。在此基础上,提出一种直接测量瞬态渗透系数的方法和预测模型。这一测量方法采用多步溢出法测量土水特征曲线,同时实时测量渗透流量和土样的含水率。在试验过程中,把气压强增量分为两个部分:一部分克服渗透阻力,驱赶水分运动,另一部分平衡静水平衡条件下的表面张力,转化为基质势,从而根据达西定律公式求出瞬态渗透系数。另一方面,利用孔隙水的平衡微分方程,引进雷诺层流理论来解释土体渗透产生的土骨架和孔隙水之间的相互作用力,推导出了非饱和土渗透系数的理论公式,该公式只有一个参数,可以通过讨论不同孔隙率、饱和渗透系数与土水作用力系数之间的关系拟合得到,从而预测出非饱和土渗透系数。通过与试验结果的对比,证实了所提出的测量方法和预测模型的正确性。     

净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响

为了研究净平均应力对非饱和重塑黄土渗水系数的影响,本文借助考虑净平均应力影响的广义土水特征曲线,应用间接方法预估渗水系数。对重塑黄土试样进行了四个控制净平均应力为常数而基质吸力逐步增大的三轴收缩试验。采用Van Genuchten模型对试验获取的土–水特征曲线进行拟合,通过拟合的连续曲线预测了不同净平均应力下非饱和重塑黄土的渗水系数。结果表明:净平均应力对土–水特征曲线的影响有明显规律,同一基质吸力下,净平均应力越大,试样的体积含水率越小,在一定吸力范围内,体积含水率与取对数基质吸力的关系曲线近似呈直线;渗水系数随基质吸力的增大而减小,同一基质吸力下,净平均应力越大渗水系数越小,较低净平均应力下基质吸力与取对数渗水系数的关系曲线近似呈直线,随着净平均应力的增加,关系曲线变为明显的折线。所得的成果为预测黄土地区高填方的增湿变形、降雨入渗下的边坡稳定性评价等方面提供了科学依据。     

非饱和Q3黄土渗气特性试验研究

 为研究非饱和原状和重塑Q3黄土渗气系数的变化规律及其两者的差异,以改进的三轴渗气仪为手段,进行一系列考虑干密度、含水率和各向异性等因素影响的渗气试验。研究结果表明：根据Fick定律和Darcy定律推导的渗气系数计算公式,在较低压力下两者计算结果差别不大,而在较高压力下,Darcy定律计算结果要优于Fick定律;非饱和原状黄土中气体流动遵循Darcy定律,原状黄土渗气系数随着干密度和含水率的增大而减小,且最优含水率以后变化较为明显;由于原状Q3黄土各向异性,竖向原状试样渗气系数始终大于同一埋深横向试样的渗气系数;相同干密度条件下,含水率对重塑黄土渗气系数的影响要比原状黄土大。根据试验结果提出考虑干密度、充气孔隙度(饱和度)和各向异性等因素影响的原状黄土渗气系数计算公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

高温后上海软黏土的土-水特性及微观机理试验研究

土-水特征曲线(SWCC)是揭示非饱和土性状的主要本构关系,但对于100℃以上高温环境下软黏土的土-水特性研究很少。针对上海软黏土的常温(20℃)土样和105℃,150℃和200℃等高温加热4 h后的土样,采用气相法研究了高温作用后上海软黏土的土-水特征曲线随温度的变化,同时,通过扫描电镜(SEM)试验研究了高温后软黏土的土-水特性随温度变化的微观机理。试验结果表明100℃以上高温环境下上海软黏土的土-水特征曲线随温度升高呈逐渐下降趋势,说明随温度升高软黏土的持水能力下降,吸力降低,进气值减小。分析各温度下土样的SEM图像发现,土的总孔隙数量减少,但少量孔隙的孔径增大,从微观特征上说明了土-水特性随温度升高的变化趋势和变化机理。说明,孔隙数量和孔隙结构随温度升高发生的变化是导致软黏土的土-水特性随温度升高而变化的根本原因。     

考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数方程

基于饱和度随孔隙比变化的增量关系以及利用非饱和土土水特征曲线（SWCC）预测渗透系数的方法,建立了一种考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数间接预测方法。在非饱和土SWCC方程基础上,该方法只需增加一个参数,即可对某一种土在不同初始孔隙比条件下的相对渗透系数进行预测,通过与试验结果的对比,证实了所建立的预测模型的正确性。     

抗疏力固化剂改性黄土工程性质及其改性机制

 将抗疏力固化剂运用到黄土加固中,并对比水泥、石灰改性黄土性质,探究抗疏力固化剂改性机制。通过强度试验、崩解试验、渗透试验探索改性土工程性质。通过开展水滴入渗、X衍射、电镜扫描、压汞等试验分别分析土样土颗粒表面能、矿物成分、微观结构、孔隙充填情况以探究改性机制。试验结果表明：抗疏力固化剂改性黄土强度、抗崩解性显著提高,渗透性略有降低。水滴入渗试验显示抗疏力改性黄土土颗粒表面自由能极大降低,斥水性明显优于水泥、石灰改性土;不同抗疏力固化剂添量土样X衍射图谱中物象群峰基本相同;SEM图像显示随抗疏力固化剂掺量提高,黄土中粉土颗排列方式基本不变,细小黏附物发生凝聚,附着物略有增多;压汞数据显示抗疏力改性黄土中大、中、小孔隙体积均略有减小,微孔隙明显增多。初步得出抗疏力改性黄土的机制在于：降低土颗粒表面能以提高阻水、抗水性;抗疏力物质包裹土颗粒及细小黏土颗粒发生凝聚来连结土颗粒,强化骨架颗粒连结强度;抗疏力材料膨胀挤密作用较弱,改性黄土通透性好。抗疏力固化剂在改善黄土力学性质、水理性质的基础上,还一定程度上解决了传统固化剂在提高阻水性的同时通透性降低的矛盾。     

考虑干密度影响的人工压实非饱和黄土渗透系数的试验研究

首先室内配制不同干密度的压实黄土土样，采用水平土柱入渗法测得到不同干密度黄土水分扩散率与体积含水量的关系。结果显示：当含水量较大时，干密度对黄土扩散率的影响非常显著；当含水量较小时，土体水分主要以结合水形态存在，干密度对黄土扩散率几乎无影响。然后采用高速离心机法测试得到不同干密度黄土土-水特征曲线，并分析确定非饱和黄土比水容。进一步回归得到黄土水分扩散率与干密度的关系及考虑干密度影响的非饱和黄土渗透系数的确定方法。最后分析非饱和黄土渗透系数随干密度和含水量的变化规律，结果表明，渗透系数随着含水量的增大而单调加速增大，密实黄土的渗透系数对干密度的变化比较敏感。     

伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线拟合模型

新疆伊犁黄土具有湿陷性强烈、易溶盐含量高的特点,描述其非饱和土应力状态中的吸力参量时,须同时考虑总吸力和基质吸力两个参量。为此,通过滤纸法开展了不同含盐量下伊犁黄土的土水特征曲线试验,测量了不同含盐下伊犁黄土的总吸力与基质吸力,计算了不同含盐量下土样中溶液浓度,分析了含盐量对湿陷的影响,基于Gardner模型,提出了可以考虑易溶盐含量影响的伊犁黄土总吸力和基质吸力土水特征曲线的拟合模型。研究结果表明:含盐量对新疆伊犁黄土的基质吸力有一定影响,对总吸力与渗透吸力影响较大;土样溶液浓度随着含盐量的增大而增大,总吸力与溶液浓度之间呈线性关系;随着土样内易溶盐含量的增加,土样湿陷系数明显增大;提出的土水特征曲线模型可以考虑易溶盐含量的影响,可以统一描述伊犁黄土总吸力和基质吸力随含水率、易溶盐含量变化的规律。     

等向应力条件下非饱和原状黄土增湿渗水特性试验研究

渗水系数是非饱和土固结分析的关键参数之一。用自制的非饱和土三轴剪切渗透仪,在无应力及不同等向应力下分别对不同和相同孔隙比的原状黄土进行了直接向试样分级注水使吸力逐渐减小的增湿渗透试验,分析了孔隙比,应力与饱和度及吸力对增湿渗水系数的影响,对比分析了无应力与应力作用下的渗水特性,提出了可以考虑应力与饱和度或吸力影响的非饱和原状黄土增湿渗水的渗透性函数。研究结果表明:孔隙比和应力对渗水系数与饱和度关系及渗水系数与吸力关系皆有影响,吸力较大时对后者几乎没有影响,可近似归一。无应力及不同应力条件下,只要孔隙比相同,则渗水系数与饱和度或吸力关系相同;相对渗水系数与吸力的关系不能归一,同一吸力对应的相对渗水系数随孔隙比的减小或应力的增大而增大,而相对渗水系数与饱和度及吸力比(吸力与脱气值之比)关系皆可以归一。v G-M模型不适用于描述常孔隙比下原状黄土的渗水系数;提出的渗透函数可以预测一定等向应力作用下增湿过程中饱和度增大及吸力减小时原状黄土的渗水系数,预测结果与试验结果吻合较好。     

压实黄土强度及渗透各向异性研究

为揭示各向异性对黄土强度和水分场的影响,通过抗剪强度试验和渗透试验对压实黄土强度和渗透各向异性进行研究。结果表明:压实黄土存在强度各向异性,其垂直方向强度参数大于水平方向;压实黄土粘聚力各向异性随含水率增大而减小,干密度对压实黄土粘聚力各向异性无显著影响;含水率和干密度对压实黄土内摩擦角各向异性均无显著影响;压实黄土存在渗透各向异性,水平方向渗透系数大于垂直方向;压实黄土渗透系数随着干密度、围压的增大而减小,且增大到一定程度后变化趋于平缓;干密度、围压对压实黄土渗透各向异性都有较大影响,随着干密度和围压的增大,压实黄土的渗透各向异性会逐渐削弱。