模拟非饱和流的新型相对渗透系数模型

相对渗透系数是非饱和土渗流特性研究普遍关注的重要内容。依据非饱和土体渗流滞后效应机理,考虑土体孔隙不均匀性引起滞后效应问题,采用分形理论和白汉金-达西定律,构建了能够反映非饱和流滞后效应的土-水特征曲线模型,并在此基础上导出了一个新型的非饱和流相对渗透系数模型。所提出的模型形式简单,仅包含1个参数。结合5组代表性的相对渗透系数试验数据,验证了所提出的模型的合理性,并与Assouline模型比较,结果表明所提出的模型拟合结果整体上要优于Assouline模型。     

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。     

非饱和土渗透系数曲线的分段简化模型

根据影响非饱和土渗透系数变化的主要因素,选取合理特征点将土-水特征曲线划分成4个阶段。在此基础上,对大量数据进行统计分析,建立了一种分段简化模型,用于描述级配不良的非黏性土的非饱和渗透系数曲线,只需知道该模型中特征点的相关参数即可得到完整渗透系数曲线,并通过现有数据进行了验证分析。验证结果表明:在低基质吸力(0＜ψ≤ψ_a)时,lnK-ψ曲线呈线性变化;而当θ_b＜θ≤θ_a时,lnK-lnθ曲线也有类似变化规律。     

基于统计模型的非饱和土渗透系数函数研究

对比分析2种基于统计模型预测非饱和土渗透系数的方法(Kunze法与Fredlund法),得出:2种方法本质相同,仅选取的积分限和积分变量形式不同,是对同一问题的2种不同表述。对其简化计算方法中各参数的选取进行深入分析,结果表明:分段数m取值介于15~50时较为合理,且Fredlund方法中取ln(1 000 000)(假定残余含水率为0)为积分上限、进气值的对数为积分下限,理论上会使预测结果偏大。当接近饱和含水率时,非饱和渗透系数随含水率的变化较为敏感,当接近残余含水率时,渗透系数变化率很小且差异性趋于不明显。     

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。     

基于微观孔隙通道的饱和/非饱和土渗透系数模型及其应用

从微观角度揭示土体变形对饱和/非饱和渗透系数的影响机理,建立相应的预测方法,对于饱和/非饱和土的渗流分析及水力耦合研究具有重要的科学意义。利用流体力学理论,建立了微观孔隙通道渗透系数与等效孔径的关系,在此基础之上,结合毛细理论建立了饱和/非饱和渗透系数与土-水特征曲线的关系模型,并利用已有试验数据验证了模型的合理性。结合该模型与变形条件下土-水特征曲线预测方法,对变形条件下武汉黏性土饱和/非饱和渗透系数进行预测,结果表明黏性土在压缩变形条件下:饱和渗透系数呈数量级的减小,预测值与实测值均吻合较好;双对数坐标下,非饱和相对渗透系数在进气值之后随基质吸力增加而减小,不同初始孔隙比条件下其斜率近似不变,整体呈现"毛刷型"分布,相同基质吸力条件下,初始孔隙比越小,相对渗透系数越大;非饱和渗透系数,进气值之前近似为饱和渗透系数,进气值之后随基质吸力增大而减小,不同初始孔隙比的变化线近似重合。     

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。     

非饱和土渗透系数直接试验法和间接计算法

利用改进的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土进行了土-水特性试验,根据土-水特征曲线计算得到渗透系数.利用非饱和土三轴渗透装置进行渗透特性试验得到渗透系数-基质吸力关系,并对由间接计算和直接试验得到的渗透系数进行相对误差分析,结果表明:围压为100～400 kPa、体积含水量为0.07～0.23时,两种方法所得渗透系数非常接近,误差不大于10%.直接试验法所得渗透系数可靠,但试验难度大,耗时长,代价高;间接计算法所得渗透系数存在误差,但试验较为简单,耗时较少.     

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。     

土体孔隙分形模型及其与土体渗透性关系的研究

土体颗粒和孔隙分布直接影响土体渗透性大小。文章引入分形几何理论,基于土颗粒粒度的分维系数和球形土颗粒的假设,确定了单位体积土体中土颗粒的总数以及孔隙的总表面积,进而建立土体孔隙比表面积分形模型。该模型包括的四个参数可由实验方法确定。实例分析结果证明,土体的渗透系数随孔隙比表面积增大而逐渐减小,这与渗流分析结果一致。验证了模型的合理性和可行性,为土体渗透性的研究提供了一种新的方法。     

土壤颗粒结构的分形模型及其渗透性

基于离散颗粒模型的颗粒材料数值模拟结果与颗粒细观结构及颗粒样本的形成历史密切相关,近年来颗粒材料结构与样本生成技术日益得到重视。考虑到分形在分析和刻画岩土介质多孔结构特征的优势,在模拟土壤颗粒结构的一般性Pore-Solid Fractal模型(PSF)基础上,形成了一种适应于离散颗粒模型数值模拟的修正PSF模型。分析了该模型生成的颗粒结构的孔隙及孔隙—颗粒接触面的性质,并进一步基于Kozeny-Carmen公式给出了其渗透系数计算公式。     

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。     

水泥土渗透系数变化规律试验研究

为了深入探讨水泥土渗透系数的变化规律,采用室内试验研究方法,对不同干密度、水泥掺量和龄期的水泥土进行了室内渗透试验研究。结果表明:水泥土渗透系数与水泥土的干密度、水泥掺量、龄期密切相关;在干密度和龄期一定条件下,渗透系数随水泥掺量增大而增大;在标准击实功干密度和龄期一定条件下,渗透系数随水泥掺量增大而减小;在标准击实功干密度和水泥掺量一定条件下,渗透系数则随龄期的延长而减小。结论不仅对水泥土的渗透理论研究具有积极的探索意义,而且对采用水泥土施工或加固的岩土工程建设也具有一定的现实意义。     

考虑干湿循环影响下玄武岩残积土渗透系数的试验研究

利用常规的渗透仪和恒温恒湿箱对贵州玄武岩残积土进行了干湿循环下的渗透试验,探讨了玄武岩残积土的渗透系数与循环次数的关系。研究结果表明：渗透系数随干密度的增大呈递减趋势,最终趋于稳定,大量裂隙的发育是土样发生渗透的主要通道;由于游离氧化铁的存在,棕红色残积土经一次干湿循环后土样发生破坏,而黄褐色玄武岩残积土,经过7次干湿...