非饱和原状和重塑Q3黄土渗水特性研究

为研究非饱和 Q₃ 黄土渗水特性,设计一套原状黄土取样设备,取得大尺寸原状竖直和水平土柱各 2 个;并制备 5 个干密度不同的重塑土样。对 9 个试样进行水平土柱试验,用 TDR 水分计和热传导吸力探头分别检测土样不同断面处的体积含水率和基质吸力。试验结果表明：土中裂隙的走向和干密度对入渗率均有影响。对于原状试样,浸水前期竖直试样入渗率要大于水平试样,湿润锋超过 50 cm 后,竖直和水平试样入渗率几乎接近一致。竖直与水平原状试样的非饱和扩散率主要差别在饱和度低于 0.6 的区域,饱和度高于 0.6 两者扩散率差别不大;对于重塑试样,低饱和度区域干密度对扩散率影响要大于高饱和度区域。同等干密度和含水率条件下,低饱和度区域重塑试样非饱和渗透系数大于原状试样;而高饱和度区域原状试样非饱和渗透系数大于重塑试样。取样方法和研究成果对同类工作具有重要参考价值。     

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。     

黄土塬地区非饱和结构性黄土的强度特性研究

为了揭示黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的结构性强度特性的有关规律,完善非饱和土的非线性模型,获得关于黄土塬地区非饱和黄土的变形和强度特性及相关参数,以陇东Q3原状及重塑黄土为对象开展试验研究,对不同初始吸力及不同净围压下的非饱和黄土进行了三轴固结排水剪切试验,研究了黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的变形特性、临界状态、强度参数及吸力变化特性。研究结果表明:原状黄土的剪切破坏表现出明显的剪缩现象,重塑土试样的变形出现剪胀和应变软化现象,剪切变形会出现明显的剪切带现象;不同初始吸力下,原状土偏应力与体应变临界状态线均成线性关系,而非饱和重塑黄土体应变受干密度的影响较大,试验过程中,较大干密度的试样出现了先剪缩后剪胀的现象;非饱和黄土的抗剪强度受基质吸力的影响,非饱和原状黄土的黏聚力随吸力的增大而增大,有效内摩擦角受吸力影响较小,可近似为一常数,非饱和重塑黄土的强度受基质吸力和干密度的影响较大,但对内摩擦角的影响较小;试验得出黄土塬地区非饱和原状及重塑黄土的强度参数,且求得的原状土参数K比重塑土参数K受吸力的影响更大。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

 利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征影响的试验研究

利用非饱和土固结仪对原状非饱和黄土进行常含水率固结试验,试验中分别选用3种不同干密度、6种不同含水率试样,分析天然干密度和竖向应力对原状非饱和黄土土水特征的影响。试验表明,原状非饱和黄土的吸力随着试样含水率的增大而降低,干密度对土水特征曲线有不可忽视的影响。同一含水率下,原状非饱和黄土的吸力随着天然干密度的增大而增大;提出吸力临界荷载的概念,干密度相同时,吸力临界荷载随着含水率的增大而降低;含水率相同时,吸力临界荷载随着干密度的增大而增大。含水率一定时,竖向荷载引起的干密度变化与初始干密度变化对吸力的影响是不相同的;竖向应力对土水特征曲线影响较小,可以用无荷载条件下的土水特征曲线来描述其吸力状态。最后,提出原状非饱和黄土土水特征曲线函数经验表达式。     

膨润土–砂混合型缓冲/回填材料渗气规律试验研究

为研究高庙子膨润土–砂混合型缓冲/回填材料的渗气规律,利用改进的三轴渗气试验装置,对不同掺砂率、干密度和含水率的混合物试样进行一系列试验研究。结果表明:在试验研究的条件范围内,膨润土–砂混合物(含纯膨润土)的渗气系数为3.9×10-4~2.1×10-2 cm/s;膨润土–砂混合物的渗气规律遵循Darcy定律,但较高的气压力梯度对渗气系数值存在一定的影响;掺砂率、干密度和含水率均对混合物的渗气性质有影响,混合物的渗气系数随掺砂率增加呈指数形式增加,随干密度和含水率增加呈指数形式降低;在试验研究范围内建立了考虑不同条件下的混合物渗气系数的公式,与试验结果吻合较好。得到的一系列试验数据能为我国高放废物地质处置库的建设提供科学依据。     

非饱和重塑黄土的三轴试验研究

采用压力板仪和非饱和土三轴仪,针对兰州和平镇的非饱和重塑黄土进行了压力板试验和一系列的控制吸力的三轴试验,研究结果表明：相同含水率条件下,干密度小的土样吸力较大;相同吸力条件下,干密度小的土样含水率较高;低吸力范围内含水率变化较大;不同吸力和不同干密度的试样均呈应变软化;干密度对凝聚力和有效摩擦角两个参数有不同程度的影...     

湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗气渗水函数

饱和度和密度都会对非饱和土的渗透系数产生影响,而准确确定非饱和土的渗透系数在饱和/非饱和土体渗流分析中非常重要。利用改进的非饱和土水气运动联合测定仪,对重塑非饱和黄土试样进行不同增湿级数和初始干密度条件下的渗透试验,研究饱和度、干密度、渗气系数及渗水系数间的关系,建立湿度和密度双变化条件下的渗气渗水函数,并通过试验验证该函数的适用性和准确性。研究表明,该函数既可用于确定渗水系数,又可用于定量描述非饱和土孔隙中水气运动之间的相互影响,其在非饱和土固结分析、稳定分析及饱和非饱和渗流分析中具有较强的应用前景。     

Q_2黄土的非饱和直剪试验研究

改进了后勤工程学院研制的国内第一台非饱和土直剪仪,升级为四联非饱和土直剪仪。四联非饱和土直剪仪极大的缩短了试验时间,提高了效率。利用该仪器研究了原状、重塑非饱和Q2黄土的抗剪强度特性。试验结果表明,在试验研究的吸力范围内,原状、重塑Q2黄土的凝聚力均随吸力线性增加,内摩擦角随吸力的变化较小,可以认为是一常数;吸力摩擦角较大,说明Q2黄土的抗剪强度受吸力变化影响较大,也即受含水率变化影响较大。原状Q2黄土的抗剪强度大于重塑Q2黄土,随着吸力增大,结构性增强。     

非饱和土应力状态变量试验验证研究

为验证非饱和土两个应力状态变量的合理性,对常规非饱和土三轴仪进行了改进,采用3个压力–体积控制器分别控制孔隙水压力、内室压力和外室压力,提高了量测精度。使用改进的非饱和土三轴仪对描述非饱和土应力状态的两个应力状态变量进行系统的试验验证,做了不同初始干密度、不同初始饱和度、不同初始吸力的3组重塑黄土及1组原状Q_3黄土的各向等压试验,试验中等值改变(增加或减少)总围压、孔隙水压力、孔隙气压力而保持应力状态变量本身不发生变化,通过量测试样体积和水量变化分析检验两个非饱和土应力状态变量的合理性。研究结果表明:对于原状Q_3黄土和各种起始条件的重塑土(包括不同密度、不同饱和度及不同吸力的土样),当只改变应力状态变量的个别组成部分而保持两个应力状态变量本身不发生变化时,则土样的体积变化和含水率变化均很小,可忽略不计。研究结果说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的,使非饱和土的两个应力状态变量理论有了牢靠的试验依据。     

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。     

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。     

压缩条件下非饱和黄土的结构流体等效应力特性

 对不同含水率的西安原状、重塑及人工结构性黄土进行压缩试验,依据变形等效原则,用同一固结孔隙比下非饱和黄土与相同干密度饱和黄土的应力之差确定结构流体等效应力,探讨结构流体等效应力的特性。分析结果表明：西安原状、重塑及人工结构性黄土的结构流体等效应力与总应力及饱和度之间呈幂函数关系,这与其他地区原状黄土定性上相同,结构流体等效应力的变化规律具有很强的普适性。结构流体等效应力能够反映黄土的结构性、湿度及应力的变化,其幂函数表达式中参数与含水率、结构性、干密度有关。根据此幂函数关系式可以确定湿载耦合作用下非饱和黄土的结构流体等效应力,进而得到非饱和黄土的有效应力及有效应力压缩曲线。     

确定非饱和土渗透特性的一种新方法

用水–气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验,结果表明,一定含水量、不同干密度的土样浸水后,渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律,即具有在起初浸水后的短时间内减小,然后逐渐增大,最后趋于稳定的过程。另外,土的渗水和渗气系数随干密度的增大而降低,且干密度越大,降低的幅度也越大。在高饱和度时增湿路径对非饱和土的渗透系数影响不大,而在低饱和度时增湿路径对渗透系数影响较显著。     

时域反射法测定黄土含水量的标定试验研究

 为了提高TDR法测定黄土含水量的精度,对TDR土壤水分传感器进行了标定试验,分别通过TDR法与烘干法测定Q3黄土和古土壤的含水率并进行对比分析,探讨了干密度、结构性和土质差异对TDR土壤水分传感器测试结果的影响,并建立了相关数学修正模型。试验结果表明,TDR法含水率测量值较烘干法偏高,干密度变化对TDR法测量结果的影响不可忽略;通过建立考虑干密度影响的经验修正模型对TDR法测量值进行修正,当体积含水率9.2%≤θw≤39.9%时,误差可控制在2%以内,当39.9%≤θw≤46.3%时,误差可控制在3%以内,总体修正效果优于TDR法与烘干法测量数据通过三次曲线拟合建立的修正公式;土的结构性对TDR法测量结果影响不明显,可采用重塑土的室内标定试验代替现场标定试验;黄土与古土壤因土质差异,应分别建立修正模型。     

基于不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析

首先通过渗透试验和压力板仪试验获得不同渗透持时的黄土的土水特征曲线,在此基础上利用van Genuchten模型对土水特征曲线进行拟合,最后利用拟合参数结合van Genuchten渗透模型进行不同渗透持时的非饱和黄土渗透系数预测分析。研究发现,随着渗透持时的增加,非饱和黄土的渗透系数一直在减小,减小幅度超过50%。渗透持时相同的条件下,非饱和黄土渗透系数随着体积含水率的增加而增加,且在接近饱和状态时,增加的幅度开始减缓。结合扫描电镜试验结果发现,黄土渗透系数减小的重要原因系由于随着渗透持时的增加,黄土中大孔隙减少而中小孔隙增加造成。