基于核磁共振及分形理论预测非饱和土石混合体SWCC

【目的】土石混合体的物理力学特性与土—水特征曲线(SWCC)关系紧密,直接或间接测量SWCC费时耗力,且所得结果具有离散性,因此建立预测非饱和土石混合体SWCC的理论模型具有现实意义。【方法】采用NMR技术反演得到横向弛豫时间T₂图谱,将之转化为累计孔隙体积曲线,从而结合Young-Laplace′s理论及分形理论,以T₂为纽带建立起体积含水率与基质吸力的理论模型,并对模型进行验证。【结果】结果显示：土石混合体具有多重分形特征,对其进行分区研究,可由体积含水率与基质吸力在双对数坐标中的斜率换算得出不同孔隙半径范围内的分形维数;体积含水率与基质吸力的对数值存在强烈的线性关系,其相关系数均≥0.995;初始含水率与模型中的拟合参数具有线性关系,且相关系数均≥0.990,模型中的参数均可通过初始含水率进行求解。【结论】结果表明：模型预测结果与实测SWCC吻合程度较高,可以很好地应用于非饱和土石混合体的SWCC预测中。     

由土壤水分特征曲线反推土壤孔隙分形维数

利用分形几何理论,可在水分特征曲线与土壤结构分维之间建立一定的函数关系式。利用这些函数关系式与Campbell经验公式具有相同或相似的幂定律形式的特点,由土壤水分特征曲线反推土壤孔隙分形维数,这不仅可以揭示Campbell经验公式与土壤孔隙结构之间的内在联系,还可为建立土壤非饱和水力参数的分形模型提供理论依据。     

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。     

考虑体积变化修正的红黏土土水特征曲线试验研究

红黏土是一种具有高度水敏性的典型特殊土,而土水特征曲线(SWCC)是研究红黏土工程性质的重要依据。红黏土在含水率变化时会发生明显的胀缩效应,现有SWCC测试往往缺乏对此效应的考虑,导致所测得的结果具有一定的误差。本文通过压力板仪法和滤纸法,量测了湖南某地区红黏土在不同含水率下所对应的基质吸力,并根据收缩试验掌握了红黏土在不同含水率下的体积变化特征并获取了相应的收缩系数,推导了体积变化修正公式,对SWCC进行了体积变化修正,最后利用V-G模型对修正后的SWCC进行了拟合,探讨了模型参数与初始孔隙比(压实度)的关系,建立了红黏土改进V-G模型。结果表明:红黏土在含水率改变时的体积变化对其SWCC影响很大,同一基质吸力状态下,体积变化修正后红黏土试样的体积含水率和饱和度明显高于修正前的值,且基质吸力越高该差别越明显。对于体变修正后SWCC的V-G模型,模型参数受初始孔隙比的影响较大,其中表征进气值的参数a和孔隙大小分布的参数n与初始孔隙比呈幂函数关系,而表征残余含水率的参数m与初始孔隙比接近线性关系。     

干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力响应规律研究

非饱和土基质吸力与其微观孔隙结构息息相关。为探究在干湿循环作用下滑带土孔隙结构与基质吸力的响应规律, 以重塑黄土坡滑坡滑带土为研究对象, 采用压汞法分析干湿循环过程中孔隙大小分布规律, 得到不同干湿循环次数下滑带土孔隙分布曲线。在此基础上, 结合分形原理, 将滑带土孔隙划分成三类(大孔隙、中孔隙和小孔隙); 结合毛细管模型, 间接推算出滑带土的土-水特征曲线(SWCC)。研究结果表明:反复干湿循环作用使小孔隙逐渐转化成大孔隙, 颗粒孔隙转化成团粒孔隙; 不同干湿循环次数对应的土-水特征曲线均存在一个共同的拐点, 拐点上侧, 含水率相同时, 随着干湿循环次数增加, 基质吸力逐渐增大, 下侧反之。研究成果有利于深入了解滑带土的干湿循环效应, 可用于库岸滑坡演化机理研究。     

土壤水运动滞后机理的试验研究

经过充分饱和的土壤,在其排水(或称脱湿)过程中,测得的土壤水分特征曲线称初始脱湿曲线(如图1中的IDC线),在试样达到相当大的吸力(在这个吸力下,土壤含水率不因吸力的增加而有明显变化,一般称该吸力下的土壤含水率为残留含水率)后重新吸水,得主吸湿曲线MWC,在MWC线上,尽管试样的水势(仅指基质势,下     

透水铺装地面降雨产流模型研究

透水铺装材料属大孔隙多孔介质,根据水分受力状态划分,其中雨水入渗过程可分为吸湿过程和传递过程两部分,分别以基质势和重力势为主要驱动力;透水铺装地面降雨产流包括铺装层和基层土壤两部分产流过程的总和,在基层土壤表面以超渗产流模式形成垫层内积水,在透水铺装层表面以蓄满产流形式形成地表积水;模型各参数中,铺装层和土壤层的初始含水率、田间持水量、饱和含水率等参数对模型计算结果影响较大,应根据材料测试结果慎重选择。     

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。     

滤纸法测定非饱和膨胀土土水特征曲线试验

针对现实中土体含水量任意变化的情况,采用滤纸法测定非饱和膨胀土任意循环路径下对应的总吸力和基质吸力,得到了任意含水率变化下的总吸力曲线和土水特征曲线。将曲线进行拟合,利用毛细滞回内变量模型进行计算,通过与试验结果对比,验证了该模型对于膨胀土的适用性。结果表明:滤纸法测得的土水特征曲线与传统方法测得的曲线大致相同。含水量任意变化下的曲线不与完整脱、吸湿曲线重合,相同含水率下,脱、吸湿开始点之间含水率差值越小,脱湿后吸湿的曲线,基质吸力越高;吸湿后脱湿的曲线,基质吸力越低。毛细滞回内变量模型适用于非饱和膨胀土,计算结果与实际值能较好吻合。     

甘肃Q3原状黄土的微观结构对其土-水特征曲线的影响

为了探究原状黄土土-水特征曲线与土样微观结构之间的关系,对甘肃黑方台不同埋深Q_3原状黄土进行了基本物理指标的测试,张力计法测得其土-水特征曲线,并利用FredlundXing模型对土-水特征曲线进行了拟合。采用光学显微镜和Photoshop合成技术获得了不同埋深土样的微观结构,统计得到孔隙累积级配曲线和分布曲线。结果表明不同埋深Q_3黄土,颗粒组成相同;其土水特征曲线,在饱和区,相同基质吸力下土样埋深(干密度)越大,体积含水率越小;而在过渡区,体积含水率则越大;在残余区,土水特征曲线几乎重合,这种差异主要是由土样的孔隙分布特征所控制。最后根据土样的分布曲线建立了黄土土水特征的本构关系,其预测值同实测值基本吻合。     

推求Gardner-Russo持水曲线模型参数的简单入渗法

本文基于水平一维非饱和土壤水分运动规律,推求了Gardner-Russo持水曲线模型参数,获得了水平一维非饱和土壤水分运动中累积入渗量、入渗率、湿润峰、入渗时间之间的理论关系。用模拟的结果进行拟合,其决定系数为 0.9969～0.9997。当获得土壤饱和体积含水率、初始体积含水率、残余体积含水率和土壤饱和导水率,基于这些理论关系实现了Gardner-Russo模型曲线特征参数的求解。利用数值模拟数据和实验数据检验该方法,将用此方法估计的参数值与理论值进行比较,并进行了模型中参数的敏感性分析,结果表明本研究所求得的参数有较高的精度,为土壤水分运动参数求解提供了一种简单的土壤水分瞬时入渗法。     

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。     

基于孔隙水分布的非饱和土SWCC及相对渗透系数预测模型

相对渗透系数与土水特征曲线(SWCC)是研究非饱和流的重要参数,利用毛细管系统研究渗流已经成为研究相对渗透系数的重要方法之一。在用毛细管系统代替土孔隙的假设上,基于杨-拉普拉斯方程和分形理论,对传统的毛细管系统含水量模型作出改进,考虑非饱和孔隙的含水量,提出一个预测非饱和土相对渗透系数的模型。利用4组试验数据对提出的相对渗透系数预测模型进行验证,用均方根偏差(RMSD)评测试验数据与预测数据之间的误差,结果表明4组数据的RMSD均＜0.025,说明该模型具有预测非饱和土相对渗透系数的实际意义。     

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。     

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料，得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较，表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析，得到结论：对于北京地区的气候条件，返青后作物蒸腾消耗占净辐射的50%以上；如果返青后墒情较好，在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利；如果在拔节之后进行一次灌溉，则灌溉进行得越早对产量越有利；三水以后，随灌溉量的增加，产量的边际效益递减；返青后，降雨与灌溉的总量约240mm对冬小麦的生长比较适宜。     

Modeling Transient Evaporation from Descending Shallow Groundwater Table Based on Brooks–Corey Retention Function

In arid and semi-arid regions a large amount of rainfall and irrigation water that enters into the soil is lost through soil surface via evaporation. In such regions, there are some areas with shallow groundwater table, evaporating huge amounts of water and accumulating salts at the soil surface. Thus, the evaporation phenomenon not only is responsible for water loss but also is a major reason for soil salinization. The objective of this study was to develop and verify an analytical model for one dimensional transient unsaturated upward flow from water table to soil surface. Consequently, an analytical solution was developed based on the Richards equation with initial and boundary conditions governing evaporation phenomenon. The parametric Brooks and Corey retention function was used to describe water status in the vadose zone. Based on the proposed model, the saccumulative evaporation is estimated as function of water table drawdown and soil retention parameters. To collect the data required for model verification, nine large lysimeters were constructed and packed with sandy loam, silty clay loam, and silty clay soil textures. The results indicated reasonable agreements between the experimental data and those predicted with the proposed model. Although the overall predicted results were well resemble the real conditions, there were some underestimations for a certain period. This can be attributed to evaporation from side gap of columns, upward flow due to vapor phase movement of moisture, and the collapse of macropores resulting from soil packing.     

多孔介质中非均匀流动模式示踪试验与弥散限制聚合分形模拟的应用

通过田间试验研究探讨了土壤水非均匀流动特性及其描述方法。采用染色示踪剂观察了土壤水非均匀流动模式,并采用功率谱分析方法探讨了流动的尺度特性。应用弥 散聚合限制模型(DLA)模拟非均匀流动模式。研究结果表明常耕地和废弃地条件下的非均匀流动的流动模式、染色比例、含水率变化量以及溶液浓度随深度的变化规律明显不同。功率谱分析表明,非均匀流动具有尺度相似性。弥散聚合限制模型中,粒子通过随机移动生成分形结构体,通过改变移动概率和进行结构分层使模型产生的流动形状与实际流动模式一致,说明DLA模型能较好的模拟非均匀流动,同时表明土壤非均匀流动具有分形特征。     

滴灌作用下膨胀土边坡表层含水量影响因素分析

含水量是影响膨胀土裂隙开展的关键因素,基于控制含水量(后称"控水")的思路治理膨胀土边坡的方法具有重要的工程意义。提出利用滴灌加湿作用控制膨胀土边坡裂隙的理念。运用有限元分析方法,研究滴灌作用下膨胀土表层初始含水量、滴灌量、滴灌历时以及坡度等关键敏感性因素对边坡表层含水量的影响规律。研究结果表明:膨胀土具备较强的保水性能;初始含水量低、持时短、大间距的滴灌,不利于土体水分重分布;多点源交汇滴灌下的坡度越大,滴灌浸润范围越大。因此,可通过开启较高的滴灌临界含水量、设置较大坡度以及合理的滴头水平间距来增强膨胀土边坡表层土体的加湿效果。