非饱和土中水分迁移及污染物扩散的离心模拟

近十年来 ,土工离心机被作为模拟污染物扩散的一个重要手段。但是 ,目前能否采用离心机进行非饱和土中的水分迁移研究尚有争议 ;另外在无机可溶性污染物方面的研究也仅限于对惰性的、土壤吸附能力很低的无机物 (如钠离子 )在土体中的扩散机理研究。本文选用能够与土颗粒发生较强作用的重金属镉 ,利用土工离心机进行了非饱和土中一维模型的模拟研究 ,分析了非饱和土中含水率的变化和污染物的迁移机理 ,检验采用离心模拟方法研究污染物扩散机理的可行性 ,验证与污染物扩散机理相关的模型相似律。     

非饱和粉质砂土中铜离子迁移的离心模型试验研究

本文利用土工离心机进行了非饱和土中重金属铜离子迁移的模拟研究,考察在污染物泄漏后的6个月、12个月和24个月时土壤中铜离子的变化和污染物的迁移机理及其对地下水的影响,同时也研究了土性对污染物迁移机理的影响。     

南昌红土土—水特征曲线及强度特性研究

通过非饱和三轴仪研究了南昌红土在不同压实度不同含水率下的土水特征曲线,探讨了影响南昌红土土水特征曲线的因素;对南昌红土进行非饱和三轴剪切试验,得出了南昌原状红土和重塑红土的应力应变曲线,最后对重塑土进行了加卸载试验对比单调加载和加卸载条件下的应力应变曲线,指出单调加载至破坏的峰值应力要大于加卸载条件下的峰值应力。     

降雨条件下非饱和土中污染物迁移的数值模拟

利用溶质传递方程与非饱和土非稳态渗流方程联立耦合,建立了非饱和土污染物迁移模型.采用有限元数值分析的方法,模拟了土体非饱和带中污染物在降雨条件下的迁移过程,研究了无降雨、连续降雨和间断降雨条件下土体非饱和带中孔隙水压力和含水量变化以及污染物的迁移规律.研究结果表明,非饱和带污染物浓度随着时间增加逐渐增大,达到峰值后逐渐...     

非饱和土水气迁移与相变:两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将"锅盖效应"分为两种情形。第一类"锅盖效应"定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类"锅盖效应"定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类"锅盖效应"会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类"锅盖效应"的形成过程。另外计算结果表明:温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类"锅盖效应"引起足够重视。     

LNPALs在非饱和土中迁移的离心试验模拟

LNAPLs在非饱和土中的迁移规律是环境岩土工程研究的重要课题。利用土工离心机对BTEX在非饱和土中的迁移进行模拟,得到了BTEX长期的运移规律。试验结果表明,LNAPLs迁移与其化学成分和地质水文条件密切相关。BTEX从泄漏点通过非饱和土层向下运移,在地下水位之上形成高浓度区,同时沿地下水面向侧向迁移。BTEX的泄漏和长期迁移会对土壤和地下水造成污染。试验结果为了解LNAPLs污染物迁移规律、污染范围和选取合适的清污技术提供了依据。     

非饱和土中氯离子扩散规律的试验研究

土中污染物迁移涉及对流和扩散,低流速情况下扩散起主导作用,当前对非饱和土中渗流的研究较为成熟,但对非饱和土中污染物扩散规律的认识还不够深入,其中饱和度控制是非饱和扩散系数测试的技术瓶颈。自制非饱和对流-扩散试验装置,控制入渗过程中土的含水率恒定,以氯离子为示踪剂进行对流–扩散土柱试验,通过切片法测得氯离子浓度剖面,使用非饱和对流–扩散解析解拟合得到氯离子水动力弥散系数,进而求得非饱和有效扩散系数,通过不同含水率下的试验得出有效扩散系数随含水率的变化规律;依据3层土渗流模型计算得到非饱和渗透系数随含水率的变化规律。试验结果表明,试验过程中渗透吸力对含水率的影响可以忽略,本文试验装置含水率控制精确可靠,测得0～100 kPa基质吸力下土中氯离子的有效扩散系数在1.59×10~(-6)～5.22×10~(-6) cm~2/s之间,氯离子的非饱和有效扩散系数随无量纲含水率的减小而线性减小;溶质迁移的弥散度随含水率减小而增大;对数的非饱和渗透系数随含水率线性减小。     

全吸力范围非饱和土水力渗透系数的计算

非饱和土水力渗透系数决定了水分在非饱和土体中迁移的速率,因此非饱和土水力渗透系数是研究水分在非饱和土中迁移规律的关键参数.一般情况,渗流数值计算软件将水力渗透系数方程作为输入参数,水力渗透系数方程的准确性直接影响渗流模拟结果的可靠性.常用的非饱和土水力渗透系数方程大多基于毛细水的相关理论,在低吸力区其计算结果与试验数据...     

非饱和土水气迁移与相变：两类“锅盖效应”的发生机理及数值再现

结合非饱和土水气迁移的物理过程和内在机理,将“锅盖效应”分为两种情形。第一类“锅盖效应”定义为非饱和土水气的冷凝过程,而第二类“锅盖效应”定义为水气迁移成冰过程。相较于前者,第二类“锅盖效应”会造成覆盖层下土体含水率大幅度提高,且现有非饱和土水热气迁移理论无法给出合理解释。综合考虑水分的蒸发、冷凝和冻结3个相变过程,建立了非饱和冻土水热气耦合迁移的数学模型,并通过数值模拟求解,再现了第二类“锅盖效应”的形成过程。另外计算结果表明：温度梯度下的气态水迁移并成冰会造成覆盖层下土体接近饱和含水率;一定表层深度范围内,土体含水率增加存在两个陡升段。由于现行工程设计很少考虑防气隔气,在寒旱地区进行工程建设需对第二类“锅盖效应”引起足够重视。     

基于孔隙连通–迂曲参数表征土的非饱和渗透各向异性

合理描述土的非饱和渗透各向异性对模拟土体内水分和污染物的迁移至关重要。基于Mualem提出的非饱和渗透系数函数引入的孔隙连通–迂曲参数,推得非饱和渗透各向异性系数关于有效饱和度的幂函数表达式,并根据该表达式将土的非饱和渗透各向异性划分为9种类型,发现各向异性系数随有效饱和度的变化过程中会出现土孔隙内水分主导流动方向变化的门槛点;再利用已有文献中基于孔隙网络模型模拟土样的非饱和渗透数值试验结果验证了该表达式的有效性;最后,将该表达式与Van Genuchten-Mualem函数相结合,定量描述了基质吸力对已有文献中4种土的非饱和渗透各向异性影响。     

非饱和土边坡稳定性分析的研究

通过对非饱和度边坡稳定性进行有限元分析,对降雨过程中非饱和土的边坡参数进行了分析,提出了解决非饱和土稳定分析的新方法,为非饱和土边坡稳定分析提供了新的思路。     

A New Model for Unsaturated Soil Using Skeleton Stress and Degree of Saturation as State Variables

In this paper, based on experimental results a new constitutive model, using skeleton stress and degree of saturation as independent state variables, is proposed for unsaturated soil, in which the influence of the degree of saturation can be properly described. In the model, a very simple moisture characteristics curve considering moisture hysteresis of unsaturated soil is also proposed. The moisture characteristics curve can not only be applied to secondary drying process but also primary drying process originated from slurry soil. The constitutive model is able to describe not only the behavior of unsaturated soil but also saturated soil because the skeleton stress can smoothly shift to effective stress if saturation changes from unsaturated condition to saturated condition. Meanwhile the overconsolidation, one of the main features of soils that are discussed in the models for saturated soils, is also considered together with the degree of saturation. Other mechanical features such as structure of soil and stress-induced anisotropy can be easily incorporated into the proposed model within the framework of the present research. It is known from the simulation that the main features of unsaturated soil in isotropic consolidation test and triaxial compression test under drained and exhausted condition with different confining stress and suction can be qualitatively described.     

花岗岩残积土初期崩解规律与数学形态学方法近似模拟

含水率是影响花岗岩残积土崩解特性的重要因素,其中瞬态入渗作用在崩解初期阶段是一个重要原因。为了研究崩解初期阶段的瞬态入渗作用的非饱和有效应力状态,利用数学形态学方法对崩解过程中的非饱和有效应力进行近似模拟。对不同含水率试样进行崩解试验,基于Pore Algorithm(PM)方法初步建立18格子方法计算不同饱和度下的非饱和有效应力,结合瞬态入渗方法近似模拟初期崩解过程,从非饱和有效应力角度分析崩解机制。试验及模拟结果表明:花岗岩残积土的崩解曲线具有显著的两段性,在崩解初期阶段曲线具有"S"特征,初期崩解速率随着含水率的降低而增大;模拟结果发现,试样内部的气体在瞬态入渗阶段不能及时排出,试样内部的孔隙气压快速增大并稳定于某一范围,非饱和粒间综合作用力快速衰减至0,且试样初始饱和度越低衰减速率越快;如果初始饱和度足够低,试样的非饱和粒间综合作用力在入渗的瞬间急剧变成负值,即土体内部出现张应力,若张应力大于土颗粒之间的强度,土的微观结构容易被破坏,对应于试验中的初期崩解破坏。     

非饱和土强度理论的分析与比较

介绍了非饱和土强度理论研究的两个阶段，并对其发展过程做了阐述，分析比较了Bishop与Fredlund两种强度理论的异同点及其不足之处，有利于非饱和土强度理论与实践的更快结合。     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。     

One-dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight: Semi-analytical solutions

For the newly deposited soil, the consolidation will occur under the self-weight and external load jointly if the soil is treated by the stack pre-pressure method. The soil stress caused by self-weight has a significant influence on its consolidation process no matter the soil is either saturated or unsaturated. However, the soil’s self-weight is ignored in the one-dimensional (1D) consolidation theory for unsaturated soils (Fredlund and Hasan, 1979). In this paper, we derived the semi-analytical solutions for excess pressures and normalized settlement in 1D dimensional consolidation of unsaturated soils considering self-weight. The analytical solutions were obtained by Crump’s method (Crump, 1976), through a computing program coupling the calculation of initial excess pore pressures with the inverse Laplace transform of the obtained solutions. Then, the proposed solutions are verified through a degradation case. Several 2D charts are presented to visualize the solutions, and various examples are employed to discuss the key factors that affect one-dimensional consolidation behavior of unsaturated soils when self-weight is considered. It can be found that the relative excess pore pressure will be restrained for the one-dimensional consolidation when considering self-weight.     

电势作用下非饱和黄土水分迁移试验研究

采用自制的试验装置,基于电渗法试验,笔者对以下问题进行了探究:电渗作用能否导致非饱和黄土土体含水量降低？电势、土体含水量水平等因素对非饱和黄土电渗结果有何影响？非饱和黄土电渗时效如何评价？试验结果表明:在电渗作用下,非饱和黄土试样内的水分从正极迁移向负极,达到降低正极区含水量的目的,说明电渗作用能使非饱和黄土土体内的含水量降低;电渗过程中,沿电渗方向的电势大致呈线性分布,电渗电势越大,降低正极区土体含水量的效果越好;由于正极水化反应增强和土体电阻发热量引起了水分耗损,高电势作用下土体内的含水量水平低于低电势作用土样。在试验土样含水量范围,土体初始含水量越低,电渗作用下正极区土体含水量降低值越大,但初始含水量差异引起的正极区含水量变化的差异性不大。电渗作用下非饱和黄土的水分迁移前期快,后期慢,随着电渗时间的延长,正极区含水量会进一步降低,负极区的含水量会进一步升高。     

热动力学的稳态与非饱和土的临界状态

临界状态的概念是临界状态土力学中最重要的概念之一,它是临界状态土力学的基石。但到目前为止,非饱和土临界状态的明确的定义以及到达临界状态的必要条件还没有清晰地给出。基于热力学的理论,推导给出了非饱和土变形过程到达最终点即稳态的约束条件。指出非饱和土变形过程到达最后的结束状态就是稳定平衡状态（简称稳态）,而这种稳态针对非饱和土而言,就是其临界状态;非饱和土的临界状态是具有普适性的热力学过程的稳态的特殊情况。与基于实验给出的非饱和土临界状态的条件相比,给出的非饱和土临界状态的约束条件是更具完备性和一般性,并且是基于严格的热力学的理论推导得到的,而不是根据某一特殊非饱和土样本的实验结果给出的结论。     

非饱和土强度的吸力贡献形式研究

在三级法向应力条件下,分别对处于饱和与最优含水率状态时的4种土样进行直剪实验。所得结果表明,基质吸力会转化为土样的一种黏聚力,并以这种形式来增强土样的强度。与此同时,吸力对土样内摩擦角所造成的影响却是很微小的。分别用同种土样来进行持水特性试验,得到了每种土样处于吸湿与脱湿过程时的土–水特征曲线。对土–水特征曲线进行分析后可知,同种土样的强度特征与其所经受的水力路径是息息相关的;另一方面,与饱和土相比,促使非饱和土强度得以增加的因素是多样的,基质吸力只是占主导地位的因素。依据分析所得结果,可将Fredlund等人提出的非饱和土抗剪强度公式表述为更为直观的形式。     

高饱和度土的压缩和固结特性及其应用

高饱和度土往往存在于湖海地区的含气泡沉积物以及工程中高含水率的压实土。试验表明高饱和度土中气相主要以封闭气泡形式存于孔隙水中,并随水一起流动。假设高饱和度土为具有可压缩流体的两相土,考虑水气混合物的压缩性,推导出不排水条件下土体压缩公式,并建立高饱和度土的排水固结方程,获得一维简化解析解。在此基础上,深入分析了荷载作用下高饱和度土的孔压系数、三轴试验的反压饱和过程与围压饱和过程、以及一维情况下高饱和度土的排水固结特性,重点讨论它与饱和土的区别。最后还对影响高饱和度土压缩和固结特性的主要参数进行了分析。