恒定大气条件下砂土蒸发机制的模型试验研究

采用大尺寸模型试验对法国枫丹白露砂土的蒸发机制进行研究。利用模型箱进行各种大气条件下砂土上覆水层蒸发试验,验证模型箱的工作性能和蒸发速率的计算方法;而后进行恒定大气条件下的大体积砂土(无上覆水层)水分蒸发试验,研究蒸发过程中大气参数和土体参数的变化,并根据试验结果对砂土蒸发机制和实际蒸发速率进行分析。研究结果表明:模型箱工作性能良好,所采用的蒸发速率计算方法合适;土体温度受土体蒸发过程的影响;土–大气交界面存在2个较大的温度梯度;空气的相对湿度随着蒸发的进行逐渐降低;土体蒸发对土体含水量的影响与蒸发时间和土体阻抗有关;土体浅层基质吸力梯度随蒸发的进行逐渐增大。     

膨胀土干燥过程中收缩应力的测试与分析

膨胀土在膨胀过程中会产生膨胀应力,收缩过程中亦会产生收缩应力。探究膨胀土在干燥过程中收缩应力的变化规律对理解收缩变形机制有重要意义。为了掌握膨胀土在干燥过程中内部收缩应力与含水率及吸力之间的关系,在控制相对湿度条件下开展了一系列干燥试验。试验中共配置了3组初始饱和的泥浆样,将试样分别置于装有不同过饱和盐溶液的保湿器中,并在恒温20℃的条件下进行干燥,实时记录试样含水率的变化。此外,在试验过程中,通过在试样内部植入微型压力传感器来测定土体收缩应力随干燥时间的变化。试验结果表明:①在不同相对湿度条件下,土体内水分蒸发特性不同,如相对湿度越小,土体水分蒸发的越快,且蒸发结束后,土体残余含水率越低;②干燥过程中,土体内收缩应力呈现明显的阶段性变化特征。干燥前期,收缩应力随时间的推移增加缓慢,但当达到临界时间点ts或临界含水率ws以后,收缩应力随着干燥的持续开始急剧增加,并且蒸发速率越大,ts和ws越小;③干燥结束后,土体内部收缩应力与环境相对湿度呈负相关,与对应吸力呈正相关。     

恒定大气条件下砂土蒸发机制的模型试验研究

 采用大尺寸模型试验对法国枫丹白露砂土的蒸发机制进行研究。利用模型箱进行各种大气条件下砂土上覆水层蒸发试验,验证模型箱的工作性能和蒸发速率的计算方法;而后进行恒定大气条件下的大体积砂土(无上覆水层)水分蒸发试验,研究蒸发过程中大气参数和土体参数的变化,并根据试验结果对砂土蒸发机制和实际蒸发速率进行分析。研究结果表明：模型箱工作性能良好,所采用的蒸发速率计算方法合适;土体温度受土体蒸发过程的影响;土–大气交界面存在2个较大的温度梯度;空气的相对湿度随着蒸发的进行逐渐降低;土体蒸发对土体含水量的影响与蒸发时间和土体阻抗有关;土体浅层基质吸力梯度随蒸发的进行逐渐增大。     

积水入渗稳定时近饱和土中封闭气泡含量 试验研究

含有与大气不相连通的封闭气泡且饱和度接近 100% 的土体称为近饱和土体。通过室内土柱一维积水入渗模型试验,研究了入渗稳定时土壤类型、干密度和初始含水率对近饱和土体中封闭气泡的含量以及气相逸出率的影响,分析了 3 种影响因素对封闭气泡体积的影响趋势和影响机理。试验结果表明：土样孔隙中封闭气泡的体积随土样干密度的增大而减小;当土样初始含水率超过某一临界含水率时,土样孔隙中封闭气泡的逸出随初始含水率的增加显著减少;由于黏性土达到渗流稳定需要的时间较砂性土长,因而砂性土的气相逸出率要明显小于黏性土的气相逸出率。通过试验揭示了实际土体入渗中的一些物理现象,为更好地理解土壤入渗过程和建立数值模拟模型提供了试验数据。     

红壤土干缩开裂特性试验研究

通过试验对裂缝演化的动态过程进行描绘,结合土样中水分蒸发对开裂过程的影响,对生成裂缝的形貌进行分析,确定裂缝发生位置及发展路径。发现开裂最开始发生在土体内接近底部的位置,随后干燥速率的不同土体导致内部中所产生的主应力场方向不同,裂缝的发展主要受边界效应和干燥速率的影响;     

非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构与土–水特征曲线试验研究

为研究压实程度对非饱和重塑弱膨胀土孔隙结构的影响,探讨膨胀土孔隙结构改变对土–水特征曲线的影响。以新疆哈密地区重塑膨胀土为研究对象,采用压汞试验测定压实程度对土样的微观孔隙结构影响,并利用热力学关系模型对膨胀土分形维数进行研究;采用滤纸法试验测量不同初始干密度下重塑土样的土–水特征曲线,提出可考虑压实作用影响的膨胀土土–水特征曲线双参数拟合模型,最后,基于土体孔隙特征,借助毛细管原理计算并结合滤纸法试验数据修正其土–水特征曲线。研究结果表明：随压实程度的增加,新疆哈密地区非饱和弱膨胀土孔隙呈初始三峰状并逐渐趋于双峰状分布,其在微观上表现为大孔隙的压缩引起的大孔隙向小孔隙的转化,孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度提高;土体基质吸力随含水率的增加而降低,相同体积含水率下,土体初始干密度越大,基质吸力越大,双参数模型可较好反映土体初始干密度对膨胀土土–水特征曲线发展规律的影响;基于毛细管原理的土–水特征曲线计算值同滤纸法实测曲线有相同函数模型发展规律,且随试样初始干密度的增加两者呈逐渐“远离”趋势发展;土–水特征曲线修正模型可统一描述非饱和弱膨胀土基质吸力随孔隙结构、含水率及密度状态的发...     

考虑风速影响的土表蒸发计算方法

土表蒸发是土体与大气相互作用的主要方式之一。由于土表蒸发与环境因素和土体性质密切相关,目前准确计算土表蒸发量仍存在困难,而其中的难点便是确定蒸发过程转折点的影响因素和表征方法。针对风速对蒸发过程的影响规律,新研发了一套控制气候的非饱和土蒸渗试验装置,可综合控制空气温度、相对湿度和风速等气象参数。蒸发试验选取了3种不同的土样,分别设置12种不同的气候条件进行。试验结果表明风速越大,即空气动力阻滞系数越小,蒸发过程出现转折点时的临界含水率越大。理论推导和试验分析表明单纯用含水率单变量不能准确预测土表蒸发量,还应考虑不同土体性质和风速等额外变量。结合理论推导,提出一种计算土表蒸发量的新方法,它将表层1cm的土体含水率作为变量,同时利用田间持水率和空气动力阻滞系数来表征土性和风速的影响。     

膨胀土增湿过程中吸力–孔隙比–含水率关系

通过不同初始孔隙比条件下的土水特征试验及增湿试验,研究了膨胀土的土水特征曲线拟合参数及体积膨胀曲线拟合参数与初始孔隙比的关系,采用曲面拟合法建立了孔隙比与重量含水率及初始孔隙比的关系曲面、孔隙比与吸力及初始孔隙比的关系曲面、重量含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面、体积含水率与吸力及初始孔隙比的关系曲面。试验结果表明,在重量含水率(或吸力)–初始孔隙比–孔隙比坐标系中的体变曲面由饱和部分及非饱和部分组成;在增湿过程中,曲面由非饱和区进入饱和区的转折点对应的重量含水率随着初始孔隙比的增大而增大,转折点对应的吸力随着初始孔隙比的增大而减小;在吸力–初始孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标恒定的平面曲线;在吸力–孔隙比–重量含水率或体积含水率坐标系中,与特定初始孔隙比对应的土水特征曲线是纵坐标在变化空间曲线,它能同时表示初始孔隙比的影响及试验过程中孔隙比的变化。     

填土中锚固体–土接触面剪切特性研究

自行研发了一种锚固体–土接触面剪切装置,该装置能够充分考虑锚杆的实际形状特征和剪切方向,并具有能够保证剪切过程中接触面面积不变等特点,并为研究锚杆锚固体–土剪切特性提供一种新方法。利用该装置,共完成了35个不同条件下的锚固体–土剪切试验,深入研究了法向压力、土样压实度和土样含水率等因素对锚固体–土接触面剪切特性的影响。研究结果表明:压实度相同情况下,土体含水率w大小,对锚杆抗拔力取值具有重要的影响,越接近最优含水率,越有利于接触面剪应力的发挥;土体压实度对接触面剪应力的影响十分明显,压实度越大,接触面剪切参数越大,但始终小于土体的剪切参数。     

初始含水率对膨胀性古土壤力学性能的影响

作为一种特殊土,膨胀性土的力学及膨胀特性与水分变化关系密切,对工程项目危害较大。为了明确含水率变化时膨胀性土的劣化程度及膨胀力释放规律,依托早胜三号隧道工程,对不同初始含水率的原状试样分别进行了直剪、无荷膨胀率、膨胀力试验。结果表明甘肃庆阳地区深埋膨胀性古土壤具有如下特征:初始含水率与抗剪强度指标符合指数函数规律且呈负相关,黏聚力对水分变化更敏感;不同初始含水率时膨胀率随时间变化曲线均可分为快速上升、缓慢上升、平稳阶段;当土样含水率超过18%后,膨胀力基本完全释放,不再随含水率发生变化;受扰动影响,相同含水率时重塑土表现出远高于原状土的膨胀力,最大达到原状土4倍。     

冻结条件下开放体系风积砂水分迁移的动态观测及分析

 为揭示冻结过程中风积砂的水分迁移动力,先使试件在恒温状态下达到补水平衡,之后对试件施加温度梯度,实时监测土体内温度和未冻水含量的变化过程,依据试验结果对入流通量模型进行修正。研究结果表明：在恒温状态下,基质势和重力势是风积砂中水分迁移的主要动力,水分迁移可以在短时间内完成,补水速率随时间衰减迅速;在温度梯度状态下,根据冻结速率和冻结深度,可将试件分为快速冻结区、过渡冻结区和稳定冻结区;在冻结过程中,试件的入流通量随着冻结速率的减小而逐渐增大,修正后的入流通量模型预测值与实测值基本吻合;在恒温补水平衡的风积砂经历冻结后,从试件底部补进的水全部进入冻结土段,水分迁移动力来源于温度梯度。     

兰州地区黄土冻胀特性和水平冻胀力试验研究

为研究不同含水率黄土在一维冻结条件下温度场、冻胀量和水平冻胀力的变化特征规律及冻胀力与冻结温度之间的动态关系,选取兰州地区黄土进行了封闭系统下的一维冻胀试验。研究结果表明:土体的降温过程分为3个阶段,降温冻结初期各深度土体的温度下降速率较快;土体温度下降到0 ℃时降温曲线出现转折点,土层各深度降温速率曲线出现近乎平行于横坐标的平稳段;冻结后期各深度土体的温度下降速率较慢。冻胀量变化曲线按照变化趋势分为3个阶段: 轻微冻缩阶段,快速发展阶段,拟稳定阶段,不同含水率的土体经历各阶段的时间有所不同。冻胀量随着土体含水率的增加而增大,本试验中含水率14%和20%的土体最终冻胀量分别为3.52 mm和 8.23 mm。在相同土质和温度条件下冻胀力发展的起始温度相同,约为0.60 ℃,含水率不同的土体出现最大水平冻胀力的温度不同。最大水平冻胀力沿土体深度先增大后减小,最大值出现在相对深度0.6~0.8处。     

脱湿状态对膨胀土膨胀变形和强度特性的影响

非饱和膨胀土的脱湿状态对土中水分散失速率影响较大,不同的脱湿速率又会使膨胀土呈现不同的工程性状。通过控制恒温恒湿箱的温湿度工作参数,设置不同的脱湿环境制备土样,进行土工试验,深入认识脱湿状态对膨胀土膨胀变形和抗剪强度的影响。将饱和土样脱湿到设定的不同含水率,进行有荷载膨胀率试验,结果表明:在相对湿度越大的环境下,脱湿速率越小,土体膨胀率越大;起始含水率和上部荷载越小,土体膨胀变形越大。将不同起始含水率的土样膨胀完全后放入直剪仪,进行固结直剪试验,结果表明:脱湿到不同含水率的试样,脱湿速率越小,土体越密实膨胀后的抗剪强度越大;上部荷载存在可提高土体的抗剪强度,起始含水率越小上部荷载越大土样的抗剪强度越高。研究结果可为大气作用下膨胀土边坡的防护设计提供参考,有助于对自然气候环境下膨胀土边坡的灾变进行预警,并可优化膨胀土边坡的施工方案。     

降雨增加对多年冻土区铁路路基水热影响研究

近50 a青藏高原湿化趋势显著,降雨变化导致地表能量平衡过程、活动层水分状况和水热输运过程改变。以青藏高原北麓河铁路路基试验段水分监测为基础,基于土壤–地表–大气能量平衡的冻土水–汽–热耦合模型研究在未来降雨变化情景下,降雨对冻土路基水热的影响机制与过程。结果表明:近6 a路基水分监测显示,虽然青藏高原年降雨量变化较大,夏季降雨引起土体表层水分短期显著波动,但长期路基含水量并未明显累积,路基蒸发、液态水与水汽运移显著;在未来湿化背景下,年降雨量增大导致地表潜热增大地表土壤热通量减小,降雨增大导致的热传导通量减小量比液态水对流热通量增大更大,人为冻土上限抬升;降雨增加缓解了路基工程对下伏多年冻土的热扰动,但降雨增加导致活动层水分累积,增大路基冻胀和融沉灾害风险。     

非饱和粘土路基平衡湿度空间分布特征及预估

通过室内外试验探讨了非饱和粘土路基平衡湿度沿道路横断面的空间分布特征，并基于非饱和土力学基本理论，采用滤纸法测定了不同含水量土样的基质吸力，标定了反映含水量与基质吸力单值函数关系的土水特征曲线模型，建立了大气降水/蒸发影响区以外非饱和粘土路基平衡湿度的预估方法。研究结果表明，近中央分隔带和路肩处的上部路基土的平衡湿度受大气降水/蒸发的影响显著；大气降水/蒸发影响区以外的路基土平衡湿度主要受控于地下水位的影响；Fredlund&Xing模型可较好地表征非饱和粘性路基土湿度和基质吸力的相关关系，模型参数拟合结果具有较高的可靠性；地下水位控制区粘土路基平衡湿度预估结果与试验测试值之间具有较高的一致性，预估方法合理可靠。     

考虑蒸发影响的非饱和土坡渗流分析

运用分形模型理论预测了粘土、粉土与砂土的土-水特征曲线与导水系数曲线。讨论了大气降雨-蒸发作用对非饱和渗流场的变化规律。在大气蒸发作用下,粘土边坡表层土体的负孔压逐渐增大。随着降雨入渗,粘土边坡坡脚处的土体首先达到饱和状态,并出现正孔隙水压。在降雨过程中,粉土边坡与砂土边坡的坡脚处,难以形成正孔隙水压。粘土边坡的实际降雨入渗量较小,且与土体的初始含水量、降雨类型、土体的导水系数等因素有关。非饱和土的实际蒸发量不等于其饱和状态时的土体蒸发能力。当土体达到饱和状态时,两值相等。实际蒸发量与潜在蒸发量的比值是土体表层基质吸力的函数。     

遥感-岩石力学(I)——非连续组合断层破裂的热红外辐射规律及其构造地震前兆意义

以构造地震孕震机制之一即非连续组合断层破裂发震为模拟对象，利用双轴加载实验系统和红外热像仪，对雁列和同线非连通这两种非连续组合断层在双轴加载破裂失稳过程中的红外辐射特征进行了模拟实验研究。研究表明：双轴加载过程中岩石表面红外辐射温度的变化对应岩石应力变化，具有阶段性规律，包括初始、弹性、应力闭锁、解锁和屈服破裂5个阶段。自弹性阶段开始至解锁阶段，岩石表面的平均红外辐射温度(AIRT)的动态曲线表现为“上升-下降-再上升”的演变特征：而断层雁列区和非连通区在解锁阶段其热像出现高温异常条带，非连通区的高温异常条带还具有“增强-减弱(平静)-再增强”的演变特征。其地震前兆的时空意义为：(1)构造地震活动区卫星遥感AIRT的上升趋势可作为地震中期预警指标；(2)热像局部正异常条带预示未来震源位置；(3)AIRT下降与热像局部热异常条带的减弱(平静)一起，可作为构造地震的短临前兆。