基于不完全分形理论的土壤水分特征曲线模型

本文将土壤的物理构成分为不具有分形结构的固体颗粒和孔隙以及具有分形结构的团聚体结构，建立了土壤孔隙和粒径分布的不完全分形模型，并与土壤毛管水运动Young-Laplace方程相结合推导出土壤水分特征曲线模型。将模型应用于6种土壤的结果表明，模型所包括的3个参数中分形维数有随土壤黏粒含量的增加而增大的趋势，另2个参数分别为基质势作用下的可释放含水率和特征曲线的形状参数。所提出的水分特征曲线模型能够较好的模拟不同土壤质地和基质势范围下土壤基质势和含水率的特征关系。     

基于分形理论的饱和土孔隙水压力计算模型

孔隙水压力是一种作用于土体孔隙间的应力,其定量分析对于探究土体的抗剪强度等力学性能有着至关重要的作用。传统的孔隙水压力计算方法忽略土体内部孔隙中流体流动及流量变化对孔隙水压力的影响,导致计算结果偏小。为修正此计算误差,基于孔隙数目-尺寸分形模型,推导出土颗粒材料孔隙度与分形维数之间的演化公式,并结合孔隙水流动方程及压力方程推导出饱和土孔隙水压力与分形维数、孔隙水压缩模量及孔隙间流量变化之间的函数关系。并使用此孔隙水压力计算公式对饱和黏土边坡进行数值分析验证公式准确性及实用性。所得公式可用于饱和土体的有效应力及抗剪强度计算修正,并可应用于饱和土体宏观-微观的多尺度液相-固相耦合渗流分析。     

沙波当量粗糙度的分形特性初探

应用分形维数描述不规则沙波床面形态的复杂性,基于室内水槽定床试验资料,建立了沙波当量粗糙度的分形表达式,获得了无量纲沙波当量粗糙度与床面形态分形维数及相对波高之间的关系式,并对公式进行了分析和比较。结果表明:该公式较好地反映了沙波床面三维特征对沙波当量粗糙度的影响,可用于沙波当量粗糙度的预估研究。     

估计不同质地土壤水分特征曲线的分形方法

利用UNSODA V2.0数据库中的分析资料，根据Tyler和Wheatcraft提出的估计土壤水分特征曲线的分形方法，计算出了526个土样共10种不同质地土壤各自的平均分形维数，且分别与它们中的粉粒加粘粒含量以及Van Genuchten模型中的参数n值进行了回归，并把计算与实测的土壤水分特征曲线做了对比。结果表明，土壤的质地越细，分形维数越大；随着参数n值的增大，分形维数减小。对粗质的土壤来说，用Tyler和Wheatcraft方法估计的土壤水分特征曲线效果较好，而对细质地的土壤精度较差。     

描述黏粒含量对土-水特征曲线影响规律的分形模型

土体黏粒含量对土-水特征曲线有重要影响。为了建立描述黏粒含量对土-水特征曲线影响规律的理论模型,本文基于分形理论,建立了质量分维数与黏粒含量的关系式,利用已有试验数据验证了该式的合理性,并从理论上解释了质量分维数随黏粒含量增大的基本规律。在此基础上,结合已有的研究成果,建立了分形模型描述土体黏粒含量对土-水特征曲线影响规律,该模型预测的土-水特征曲线与已有不同土类样本的试验数据吻合较好,从而证明了该模型的有效性。最后,利用该模型同时预测了不同黏粒含量典型土体的土-水特征曲线,阐明了黏粒含量对土-水特征曲线影响的基本规律,即相同吸力条件下,黏粒含量越高,则体积含水率越高。     

弯曲河段床面粗糙高度的分形研究

根据水槽试验的结果,从河床表面物理形态特征入手,分析了粗糙高度k_s与河床表面分形维数D的关系,并进一步分析了D与糙率系数n的关系。结果表明床面粗糙高度k_s可通过床面三维起伏度r来表达,r与D之间遵循幂指数的增长关系,即k_s与D之间定量函数关系式可通过幂指数函数表达。因此描述n与D之间的定量函数关系也可进一步建立起来。在忽略其他影响因素的条件下,床面形态分形维数D和水流条件R均会引起糙率系数n值的变化,两者作用效果相反。因此n值的变化趋势取决于两者之间的对比关系;同时公式中的两系数a、b的变化对n值的变化亦存在相反的作用,但系数b的影响远大于系数a的影响。     

描述黏粒含量对土-水特征曲线影响规律的分形模型

土体黏粒含量越高则吸附能力越强，从而影响土体的持水特性，因此，黏粒含量与土-水特征曲线之间理论上存在特定关系。基于分形理论，建立了质量分维数与黏粒含量的关系式，利用已有试验数据验证了该式的合理性，并从理论上解释了质量分维数随黏粒含量增大的基本规律。在此基础之上，结合Bird等人的研究成果，建立了分形模型描述土体黏粒含量对土-水特征曲线影响规律，该模型预测的土-水特征曲线与已有不同土类样本的试验数据吻合较好，从而证明了该模型的有效性。最后，利用该模型同时预测了不同黏粒含量典型土体的土-水特征曲线，形象的阐明了黏粒含量对土-水特征曲线影响的基本规律。     

估计土壤水分特征曲线的间接方法研究进展

土壤水分特征曲线是模拟水分和化学物质在非饱和土壤中运移的关键参数。对于一个较大范围的实际问题，由于其在空间和时间上的强烈变异性，采用直接实验大量测定通常是不可行的。作为一种替代方法，根据土壤基本性质如粒径分布、容重、有机质含量等间接估计水分特征曲线的方法在实践中证明效果是比较理想的。按照其理论基础，这些间接方法可以分为土壤转换函数、物理 _经验方法、分形方法等。本文对该领域近二十多年来的研究进展进行了综述，并对间接方法的发展前景作了展望。     

基于分形插值的混凝土坝变形趋势分析

研究混凝土坝的变形趋势对判别大坝变形状态、保证大坝安全具有重要意义。针对混凝土坝的变形曲线呈现出明显的非线性特征,引入分形插值理论,首先利用分形维数识别混凝土坝变形时间序列的分形特征,然后基于分形插值函数建立了变形趋势的预测模型,并对变形状态进行判别。以某混凝土坝段变形为例,采用分形插值方法对坝段某高程水平位移的变形趋势进行预测,并与统计模型预测结果进行对比,结果表明,分形插值方法能更好地拟合变形曲线,表征大坝变形特性。     

黏性土粒径分布的多重分形特性及土-水特征曲线的预测研究

土壤粒径分布的分形特性常由单一分维数来描述,这一分形参数可作为土-水特征曲线模型中的常数。但实验证据显示,单一分维数不足以描述某些黏性土在整个粒径范围土粒的分形分布。为了评估粒径分布的多重分形参数预测土-水特征曲线的效能,对3个黏土样实测粒径分布和土-水特征曲线,研究粒径分布的多重分形特性,并利用分形模型预测土-水特征曲线。研究发现,在较为宽泛的粒径范围,土的粒径分布存在3个不同分维数的土粒区域,分维数的大小与土粒区域的粒径大小有关。粒径越大的区域,分维数越大;利用不同区域的分维数预测土-水特征曲线并与实测结果比较,显示模型预测对多重分形参数较为敏感,采用大粒径区域分维数的计算结果与实测数据甚为吻合。虽然多重分形参数精确描述了土粒的分形分布,但在预测土-水特征曲线时应考虑粒径分布分形标度性质的差异。     

降雨入渗下非饱和土边坡临界稳定性分析

运用分形模型预测非饱和土的土水特征曲线与导水系数曲线,结合孔隙气体流动分析,模拟降雨入渗条件下的一维非饱和渗透过程。根据非饱和土抗剪强度的分形模型,导出降雨入渗下非饱和土边坡临界深度公式,并分析了影响边坡稳定性的因素。非饱和土的分维与进气值影响土体的水理性质。分维影响降雨的入渗速度与入渗深度,而进气值影响降雨入渗下土体吸力的变化曲线形态。非饱和土的饱和导水系数与降雨强度对边坡稳定性影响较大,在降雨强度远大于非饱和土的饱和导水系数时,孔隙气体在降雨入渗过程中将产生气压,对吸力产生影响。     

考虑滞后效应与吸附作用的非饱和土SWCC分形模型

传统土-水特征曲线(SWCC)模型的研究仅考虑了土壤基质势的毛细组分而忽略了吸附组分,高估了土壤在低饱和度范围的基质吸力。针对该问题,假设土壤孔隙系统可用一簇带有孔喉的毛细管表示,且其孔径分布服从分形规律。在此基础上将土壤中水分运移分为2个阶段,即毛细水与吸附水共同参与水分运移阶段,以及仅吸附水参与水分运移阶段,推导得到了可以反映全基质吸力范围土壤持水特征及滞后效应的SWCC模型。最后采用已有的试验数据与研究结果对得到的本构模型进行验证,结果表明所提出的SWCC模型预测曲线与试验数据吻合良好,且相比已有方法可更好地描述非饱和土SWCC的持水特性,证明了该模型的合理性与可行性。     

非饱和土的渗透系数

非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择。分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性。本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式。与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致。     

水位下降条件下西安D7裂缝土体孔隙变化特征试验

为研究压缩性土体在孔隙水压力下降下所引起的孔隙变化特征,选取孔隙度及分形维数作为评判指标,以西安D7地裂缝两侧可压缩性土层为研究对象,借助三维CT扫描成像技术,依托Matlab计算平台及VG Studio Max图像处理软件,对在水位下降过程中可压缩性土体压缩变形引起的孔隙度和分形维数孔隙变化进行定量评价,并探讨了固结压缩过程中土体孔隙分形维数的变化规律及其影响因素。研究表明:孔隙度随压缩进行大幅降低,由压缩前4.36%降至0.61%;土体分形维数与孔隙度、上覆压力均呈线性相关性,相关系数分别为0.947 2和0.966 0;而且分形维数可以很好的表征孔隙分布特点,是孔隙度的有效补充;通过分析土样孔隙度与分形维数关系,为后期建立区域上地裂缝—地下水开采耦合模型提供参数赋值基础。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

Q2黄土湿陷性影响因素研究

通过单向压缩湿陷试验研究了陕西蒲城地区Q2黄土的湿陷性 ,并分析了其与物质组成、物性指标及微观结构定量参数之间的关系.结果表明 :Q2黄土湿陷性随黏粒含量、pH值、饱和度、干密度、颗粒分布分维和定向度的增加而降低 ;随孔隙比、欧拉数、孔隙分布分维和定向度增加而降低 ;易溶盐含量对Q2黄土湿陷性影响不大.Q2黄土的湿陷性受多方面因素制约和影响 ,内因主要是由于黄土本身的物质成分和特殊的结构特性 ,外因则是压力和水的作用 ;架空孔隙的失稳破坏和粒间孔隙的变小消失都可能引起湿陷变形 ,对于Q2黄土后者引起的湿陷变形不容忽视.     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。