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。     

扬州地区黏性土土水特征曲线试验研究及应用

对扬州地区典型黏性土进行了土水特征曲线试验研究,分析了干密度对土水特征曲线的影响。试验表明:土的初始干密度越大,进气值越大,脱水速率越小。采用Fredlund和Xing三参数模型计算得土水特征曲线方程,并推算出非饱和土的渗透系数曲线。通过对降雨入渗条件下的扬州地区典型黏性土边坡进行稳定性分析。结果表明:同等基质吸力下,非饱和土体积含水率越大,渗透系数越大;土体进气值越大,同等基质吸力下渗透系数越大,边坡越稳定;扬州地区黏性土体遭遇特大暴雨时,降雨4 d后边坡安全系数下降30%~50%,滑动面位于边坡表层。更多还原     

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。     

糯扎渡库区非饱和土SWCC曲线测定及应用

以糯扎渡水库库区滑坡堆积体非饱和土为研究对象,探究非饱和土的基质吸力产生本质、影响因素及强度破坏准则等理论,获取该非饱和土完整的土-水特征曲线。通过土-水特征曲线进一步预测其强度参数,可为该非饱和土强度的确定提供一种简单可行的方法。室内非饱和试验表明:可通过土-水特征曲线获取非饱和土的强度参数,在基质吸力小于50 kPa时,通过土-水特征曲线得到的抗剪应力值与室内试验测得的抗剪应力值误差小于0.85 kPa,误差在允许范围内,证明根据含水率可预测非饱和土边坡力学参数。研究成果可为非饱和土边坡稳定性随含水率变化过程的研究提供数据。     

应力作用下非饱和土土-水特征曲线研究

总结有关土-水特征曲线的研究成果,利用非饱和土固结仪进行非饱和重塑粘土试样的土-水特征曲线试验,分析了竖向压力和固结压力对土-水特征曲线的影响,并利用Fredlund 3参数模型对试验数据进行拟合。研究结果表明,竖向压力越高,土-水特征曲线越平缓,空气进入值越大,同吸力下的土体饱和度越大。固结压力的影响与竖向压力相似。     

非饱和高液限土土-水特性试验研究

为研究非饱和高液限土土-水特性及其不同条件下土-水特性试验的适用性,分别采用滤纸法、非饱和土固结仪法和现场试验法对公路边坡工程中非饱和高液限土进行测量土-水特征曲线的试验研究。结果表明:滤纸法测得的土-水特征曲线与室内方法存在差距,大部分在室内测得土-水特征曲线的回滞圈内,对曲线进行拟合得到含水率与基质吸力对数呈线性关系;室内非饱和土固结仪法试验得到的土-水特征曲线出现滞回效应,曲线利用VG模型可较好地拟合;现场监测得到的土-水特征曲线(SWCC)与室内试验方法的结果存在差距,但大部分在吸湿曲线和脱湿曲线之间,更接近吸湿曲线,曲线受土体上覆应力影响,上覆应力越大曲线越陡,且基质吸力与含水率成负相关,二者不存在滞后现象,曲线可利用线性函数较好地拟合。     

南阳膨胀土冻融循环后的土水特征试验研究

南水北调中线工程的膨胀土渠道容易遭受季节性冻融的影响。为探究冻融作用对膨胀土土水特征的影响规律,以南阳膨胀土为试验对象,采用滤纸法测定经历不同冻融次数的膨胀土土样的总吸力和基质吸力,绘制其试验散点图,并分别采用VG模型和幂函数模型对基质吸力及总吸力与土体含水率的关系进行拟合。结果表明:随着冻融循环次数的增加,基质吸力和总吸力土水曲线整体向左下方偏移,进气值逐渐减小,持水性能降低;渗透吸力在含水率增大时逐渐减小,但不同冻融次数的渗透吸力数值并无显著差别;采用VG模型和幂函数模型分别拟合本试验中的基质吸力土水曲线和总吸力土水曲线,相关系数高,形式简单,模型参数在冻融循环中逐渐趋于稳定值。研究成果可供处在季节性冻土区的膨胀土工程建设及维护提供参考。     

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。     

Q3原状黄土与重塑黄土的土水特性研究

黄土土水特征曲线与其强度、渗流及本构关系等密切相关。为研究Q3黄土的土水特性,分别进行了Q3原状黄土和重塑黄土的土水特征曲线测试,并用经典的B-C模型和V-G模型对试验结果进行拟合,分析孔隙比对Q3重塑黄土土水特性的影响。结果表明:原状黄土土水特征曲线分为快速减小、缓慢减小和稳定3个阶段,进气值为20kPa左右,随土体排水,空气进入孔隙内部,吸力逐渐增大,稳定阶段土体饱和度很低,土体处于大吸力段,孔隙排水不明显;重塑黄土土水特征曲线整体趋势与原状黄土一致,但孔隙比对其影响较明显,当孔隙比较大时,体积含水率降低引起吸力明显增加,进气值较小,孔隙比较小时,随着吸力值增加,体积含水率降低速率较小,随着孔隙比减小,土体进气吸力值逐渐增大;采用B-C模型和V-G模型与原状黄土试验结果进行对比,B-C模型低吸力段拟合效果不佳,高吸力段拟合较好,V-G模型整体拟合效果良好。     

非饱和黄土宏细观含水状态与结构性的研究

土水特征曲线可以反映土中孔隙的空间分布与变化情况,利用土体的孔隙分布特征可以研究 非饱和土的持水特性和结构特性。首先通过室内压力膜仪试验,研究了非饱和黄土的土水特征曲线的 进气压力值、脱湿速率、孔径分布参数等指标与干密度、击实含水率的关系;然后基于孔径分布计算理论 和试验结果,给出了非饱和黄土的孔径分布曲线,用来评价土体内部孔径的分布情况,分析了非饱和黄 土干密度和击实含水率对土的宏细观含水状态和结构性的影响机理。结果表明:增大非饱和土的干密 度,可使孔径变小,孔隙结构分布范围变窄,土颗粒从架状结构向致密结构转换,基质吸力变化引起含水 率变化较小,持水特性提高,土体的脱湿速率变慢,进气值呈现增大趋势;而击实含水率位于最优含水率 湿测时,影响并不明显。     

考虑尿素浓度对SWCC影响的VG模型

利用Tempe压力膜仪,进行了不同浓度尿素溶液的土-水特征曲线(SWCC)试验,得出了不同SWCC的Van Genuchten(VG)拟合模型。结合各VG模型,采用线性回归分析,确定了模型中各参数与尿素浓度的关系,进而建立了能够考虑尿素浓度影响的VG模型。所得模型中各参数拟合相关度均较高。由所建模型可知,尿素浓度对参数α影响较小,而对参数n影响较大;浓度越大,参数α越小,而参数n越大。所得结果弥补了其他方法不能考虑尿素浓度对SWCC的影响,对补充和发展SWCC试验和理论具有一定的意义。所建SWCC模型未考虑尿素浓度对溶质吸力的影响,也未开展尿素溶液对土体SWCC影响机理研究;这两方面有待以后的工作进一步研究。     

应用一步流动法快速测定土水特征曲线试验研究

实验室常用压力板仪进行常规试验测定粉土土水特征曲线（SWCC）,需耗费数月时间,效率不高。对快速测定粉土SWCC进行了试验研究：采用压力板仪对粉土试样开展一步流动法试验;同时,用Hydrus-1D建立一维水分运移模型;结合模型对干密度为1.78 g/cm3粉土试样中溢出水量随加压时间的关系曲线进行拟合,并得出VG模型中难以实测的参数α和n;根据参数反算出粉土试样SWCC并和压力板仪常规试验的SWCC进行对比。为了消除试验中加载压力过大可能造成的固结对试验结果的影响,还对干密度为1.65 g/cm3的粉土试样进行固结试验使其干密度增大为1.78 g/cm3,再对固结后粉土试样分别进行常规试验和一步流动法试验。对由两种试验得到的固结粉土的SWCC与初始干密度1.78 g/cm3粉土由两种试验实测的SWCC进行了比较。结果表明：① 一步流动法试验拟合的SWCC与常规试验实测的SWCC重合度高;② 一步流动法试验具有快速性和有效性;③ 由Hydrus-1D建立的一维水分运移模型得出的SWCC与常规试验实测的SWCC接近;④ 一步流动法试验结果不会受到固结的影响。     

应力作用下非饱和重塑黏土土水特征曲线研究

利用最新研制的全自动非饱和土固结仪,研究了竖向应力对非饱和重塑黏土土水特征曲线的影响,并采用FX模型,通过最小二乘法对试验结果进行拟合。结果表明,竖向应力越大,试样的空气进入值越大,曲线越平缓,水越难排出,相同吸力下含水率越高。FX模型可以较好的描述本次试验各组试样的土水特征曲线。通过分析拟合参数,提出一个只与竖向应力有关的土水特征曲线经验公式。     

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。     

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。     

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。