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。     

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。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

瞬态剖面法是量测非饱和土渗透系数的直接方法之一。本文以室内模型试验为基础，利用瞬态剖面法测量重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试验以陕西泾阳泾河南岸的黄土塬南缘马兰黄土为对象，将重塑干黄土样筛入一圆形玻璃筒内，上部补给一定量的水，然后量测不同时刻土柱内不同深度的质量含水量，并换算为体积含水量；同时采用张力计法测定模型桶土样的土-水特征曲线，即不同含水量土样的基质吸力。计算得到不同时刻模型桶内土样的水头剖面，由此确定渗流速度和水力梯度，并得出不同体积含水量土样的渗透系数。对瞬态剖面法得到重塑黄土样的非饱和渗透系数进行回归分析，获得渗透系数与含水量，渗透系数与基质吸力的指数函数关系。     

利用瞬态剖面法测定非饱和黄土的渗透性曲线

利用瞬态剖面法测定重塑黄土试样的非饱和渗透系数。试样取自陕西泾阳县泾河南岸黄土塬上部的马兰黄土。用0.5 mm的筛将风干碾碎的黄土样筛入一高2 m的圆形玻璃桶内,上部补给一定量的水,随后按一定时间间隔量测土柱内不同深度的含水率,再根据土的基本物理指标换算为体积含水率。同时配制与模型桶相同密度的土样,用张力计法测定其土-水特征曲线,即不同体积含水率土样的基质吸力。根据土-水特征曲线和模型桶内体积含水率剖面计算得到不同时刻土样的水头剖面,由此可进一步计算出水分在垂直方向的渗流速度和水力梯度,并得出不同体积含水率土样的渗透系数。通过回归分析,获得渗透系数与体积含水率、渗透系数与基质吸力的函数关系,该函数可用于黄土的非饱和渗流分析。     

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。     

基于分形理论的非饱和土多相流相对渗透系数模型

相对渗透系数是描述非饱和土水力特性的重要参数之一,然而在传统非饱和土相对渗透系数研究中着重研究了湿润相的渗流特性,而非湿润相的渗流特性研究较少。为研究非饱和土壤多相流运移特征,将土壤孔隙简化为一簇服从分形定律的迂曲毛细管,通过建立液相与气相在多孔介质中的输运特征模型,结合Young-Laplace方程与Buckingham-Darcy定律得到了非饱和土的液相与气相的相对渗透系数模型。该模型仅包含2个参数,其物理意义明确且均可通过试验测得。最后通过8组试验数据对提出的模型进行验证,结果表明提出的模型可较好地描述非饱和土多相渗流特征,验证了其合理性与适用性。     

非饱和土的土-水特征曲线的试验研究及应用

利用改进的非饱和土三轴仪,对非饱和土在不同围压条件下的基质吸力与含水量关系的试验研究。并根据试验结果,绘制非饱和土的土-水特征曲线与围压-基质吸力关系曲线。分析曲线规律,拟合基质吸力与体积含水量之间的函数,并通过土水特征曲线计算非饱和土的渗透系数及预测非饱和土的抗剪强度。     

一种基于VG模型的变形土进气吸力值预测方法

土体进气吸力值是土-水特征曲线的重要参数,研究非饱和变形土体的水力及力学性质时,需要对其进行预测。结合Van Genuchten(VG)模型与压缩变形条件下土-水特征曲线变化规律,建立了变形土进气吸力值简便预测模型。为验证该模型的合理性,以湖南黏性土为例,采用压力板仪测量其土-水特征曲线试验数据,将不同初始孔隙比黏性土进气吸力值实测值与预测值进行对比。研究结果表明本文方法预测值与实测值吻合较好。此外,采用VG模型对已有非饱和相对渗透系数模型进行简化统一,并进行验证,证明了该方法的简便有效性。研究成果提供了一种理论预测变形土进气吸力值的新方案,为后续的相关研究提供了一种新方法。     

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。     

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.     

用粒径的数量分布表征的土壤分形特征

应用计算机图像分析技术，对6个典型土样测定土壤颗粒的等效直径和分布规律，给出用粒径的数量分布表征的土壤分形维数。结果表明：土壤颗粒的粒径分布具有一定的统计分形特征，分维数的数值反映了粒径大小和分布的均匀程度。分维数愈大，土壤颗粒的粒径愈小，细粒含量愈高，质地愈不均匀；土壤颗粒在单一粒级分布的集中程度对分维数的数值有重要影响，单一粒级的颗粒含量愈高，分维数愈大。计算机图像分析技术为土壤的分形研究提供了一种精确、简便的实验和分析方法。     

固结条件下软黏土微观孔隙结构的演化及其分形描述

利用扫描电镜(SEM)研究软黏土固结前后的微观结构,采用数字图像技术研究软黏土固结过程中微孔隙的大小、数量及其分布的演化规律.基于Sierpinski地毯的分形概念,结合量测数据给出了描述孔隙结构的Sierpinski分维数并研究其差异性.图像分析表明,随着固结压力的增大,软黏土的孔隙度和孔径趋于减小,孔径范围变窄,土体固结过程对孔隙级配具有一定的调节作用.分形研究表明,分维数的数值大小反映了软黏土固结过程中的孔隙度变化,固结压力愈大,孔隙度愈小,分维数愈大.分维数与孔隙度、固结压力、压缩量之间存在较为显著的线性回归关系,并能反映软黏土的结构性特点.研究结果揭示了土体宏观变形与微孔隙结构分形特性之间存在的相关关系,分维数可为软黏土固结变形预测提供依据.     

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。     

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。     

水位下降条件下西安D7裂缝土体孔隙变化特征试验

为研究压缩性土体在孔隙水压力下降下所引起的孔隙变化特征,选取孔隙度及分形维数作为评判指标,以西安D7地裂缝两侧可压缩性土层为研究对象,借助三维CT扫描成像技术,依托Matlab计算平台及VG Studio Max图像处理软件,对在水位下降过程中可压缩性土体压缩变形引起的孔隙度和分形维数孔隙变化进行定量评价,并探讨了固结压缩过程中土体孔隙分形维数的变化规律及其影响因素。研究表明:孔隙度随压缩进行大幅降低,由压缩前4.36%降至0.61%;土体分形维数与孔隙度、上覆压力均呈线性相关性,相关系数分别为0.947 2和0.966 0;而且分形维数可以很好的表征孔隙分布特点,是孔隙度的有效补充;通过分析土样孔隙度与分形维数关系,为后期建立区域上地裂缝—地下水开采耦合模型提供参数赋值基础。     

碎石尺寸对碎石土强度影响的大型直剪试验研究

以田师府—桓仁铁路大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,配置了3组含碎石尺寸不同的重塑碎石土样并采用大型直剪仪进行了剪切试验研究,探讨了碎石尺寸对碎石土抗剪强度的影响作用规律。在此基础上,利用现代非线性理论-分形理论,采用分形几何方法研究了该碎石土重塑样的粒度分布特征,得出了不同碎石尺寸下碎石土的分形维数,并探讨了碎石土的强度特征与粒度分形维数之间的关系。研究表明在粗粒含量相同的情况下,碎石土的抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大;内摩擦角随着碎石尺寸的相对增大而增大;而黏聚力呈现相反的趋势,随着碎石尺寸的相对增大而降低;随着碎石尺寸的相对增大,分形维数增大,分形维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀,反之分形维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。碎石土抗剪强度和粒度分形维数有一定的相关性,黏聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,黏聚力和内摩擦角均与粒度分形维数近似呈现抛物线函数关系。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

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。     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。