增湿路径对非饱和土水气渗透系数的影响研究

对水气运动联合测定的方法，提出了3种渗水稳定时间判定方法及3种渗水驱动势的计算方法。对同一干密度的试样，进行不同增湿路径的渗透试验，分析了不同的渗水稳定时间判定方法、渗水驱动势计算方法对渗水系数的影响，得出考虑渗水驱动势随时间变化的变水头计算方法最为合理和稳定。进而以变水头计算方法为基础，分析了增湿路径对水气渗透系数测定值的影响。结果表明，增湿路径对渗水系数的影响总体不大，而在较高饱和度范围内对渗气系数的影响较大。     

湿度和密度双变化条件下的非饱和黄土渗透函数

准确确定非饱和土的渗透系数非常重要,而湿度和密度均会对非饱和土的渗透系数产生较为复杂的影响,因此对于对水敏感的非饱和黄土,如何将湿度和密度的影响综合引入渗透函数中,就值得深入研究。基于此认识,利用非饱和土水气运动联合测试方法,对1.4~1.67g/cm3之间几种干密度的非饱和黄土试样进行不同增湿级数的浸水渗透试验,结果表明试样在一定干密度范围内,增湿级数对其渗水系数测定值的影响较小,最大测定值与最小测定值的差值在2倍左右。在此基础上,将不同干密度下渗透系数比与饱和度的关系曲线进行分析,提出了考虑湿度和密度的渗透函数,并通过试验验证了该函数在一定条件下的合理性。     

均匀湿颗粒材料边界滞回持水曲线的物理模型

非饱和土持水特性的滞回机理是土力学界的热点问题之一。将非饱和土看作“湿颗粒材料”并以“土-颗粒-系统”为视角更易认识其持水特性的滞回机理。以均匀湿颗粒材料为研究对象,用轴对称圆锥形孔隙内水分的充填和排出过程来模拟边界增、减湿过程,提出一种物理模型以描述其滞回特性的物理内涵,并利用已有文献中3种砂土和2种含黏砂土的持水试验结果验证了该模型在表征均匀湿颗粒材料边界滞回持水曲线时的有效性。该模型的优点在于不仅对同种均匀湿颗粒材料滞回的边界减、增湿持水曲线可采用同一组具有物理意义的参数模拟,而且可反映孔隙水内封闭气泡对持水曲线的影响。     

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。     

考虑颗粒粒径和液桥体积的毛细力计算方法

土坝在非饱和渗流作用下的变形过程与湿颗粒间的细观毛细黏聚作用密切相关,因此对湿颗粒间形如液桥的水分的毛细力进行计算分析有助于认识这种作用机理。从颗粒粒径和液桥体积出发,将湿颗粒简化为不等径球体颗粒,先结合其间液桥的几何特征构建了Young-Laplace方程数值解的数据组。其次,将固-液接触角θ≤20°范围内的小体积液桥(V_(LB)~*≤1×10~(-3))表面形状假定为椭圆弧,依据颗粒等效半径推得液桥断裂距离及其毛细力关于液桥体积和颗粒间距的解析公式,并采用已有文献中不等径球体颗粒间小体积液桥的毛细力实测值验证了解析公式的有效性。再次,依据液桥体积变化更广范围内Young-Laplace方程数值解的数据组,引入颗粒半径比构建了适用于大体积液桥(V_(LB)~*1×10~(-3))的断裂距离拟合公式,并将其嵌入已有不等径湿颗粒间液桥的毛细力拟合公式中进行改进。最后,采用Young-Laplace方程数值解的数据组评价了已有的与改进的毛细力拟合公式适用性,通过对比预测误差发现:改进公式对半径比在1～128范围内的湿颗粒间不同体积液桥(V_(LB)~*≤0.13)在固-液接触角θ≤40°且颗粒间距不超过液桥断裂距离范围内的毛细力预测效果优于已有公式。将本文提出的毛细力计算方法嵌入典型湿颗粒材料的微细观弹塑性本构模型时,可用于水位骤降时土坝的变形分析及其稳定性评价。     

基于颗粒级配参数描述砂土持水及非饱和强度特性的土壤转换函数

以van Genuchten模型为基础,将砂土的基本物理特征与统计分析相结合,构建土壤转换函数以预测砂土持水曲线。首先,在土壤转换函数中引入控制粒径d_(60)和不均匀系数C_u这两个典型颗粒级配参数,并满足完全均匀和完全分散的两种理想颗粒材料条件;其次,结合非饱和土水力特性数据库(UNSODA)与4种颗粒级配分布较均匀的砂土持水曲线补充试验,通过量纲分析和回归分析,将控制持水曲线进气值和减湿率的参数a和n分别表示为d_(60)和lgC_u的反比例型转换函数,结果表明:这两种转换函数对参数a和n的预测效果优于已有转换函数;最后,将这两种转换函数引入非饱和强度公式,利用已有文献中的非饱和强度试验结果验证了提出的土壤转换函数在表征砂土毛细黏聚力与抗拉强度随基质吸力变化规律的有效性,相应的理论计算结果表明:砂土的毛细黏聚力随其控制粒径减小或均匀程度降低而增高。     

黄土填方场地工后持水特性及雨水入渗研究

通过压力板仪测定了填方场地不同深度（１．０ｍ、３．０ｍ、５．０ｍ）回填压实黄土的吸－脱湿持水特征曲线,并结合Ｘ射线衍射试验、压汞试验和现场含水量监测分析不同取样深度下回填压实黄土持水特性差异原因。结果表明:（１）不同深度回填压实黄土具有相似的粒径分布、矿物组成、孔径分布和干密度。（２）５．０ｍ黄土持水特征曲线的平均滞回度（０．２３）比１．０ｍ和３．０ｍ黄土（０．０４和０．０５）分别大４７５％和３６０％。１．０ｍ和３．０ｍ回填压实黄土持水特征曲线较小滞回效应可归结于现场经历了多次干湿循环而引起的时效作用。（３）分析不同深度黄土持水特性差异对土柱雨水入渗计算结果的影响发现,采用单一１．０ｍ、３．０ｍ和５．０ｍ黄土水力学参数计算雨水入渗深度分别为４．０ｍ、２．４ｍ和１．２ｍ,而采用考虑深度影响的黄土水力学参数计算雨水入渗深度为４．４ｍ,这与现场含水率监测结果较为一致。建议在进行黄土高填方工后渗流分析时,考虑不同深度黄土由于经历干湿循环历史不同造成的水力学参数差异。     

应力条件的变化对非饱和黄土吸力状态特性的影响

本文对均压加、卸荷、偏压加、卸荷等应力条件下不同起始密度～湿度状态的非饱和黄土的吸力状态特性规律进行了系统的三轴试验研究，对比了各因素的影响，提出了统一吸力状态方程的表达式。