高压实膨润土脱湿─吸湿过程研究

膨润土具吸水膨胀、失水收缩的特性,本研究进行了高压实膨润土脱湿过程与吸湿过程研究,发现高压实膨润土之脱湿过程与吸湿过程并不重合,吸湿过程之变化明显比脱湿过程显著,但均体现随含水率减小,孔隙比减小的特点,此结果对非饱和膨润土性能研究有一定参考价值。     

土壤吸湿-湿过程中水力传导度的拟合研究

非饱和含水介质在吸湿和脱湿的不同过程中,水力传导度随介质含水率的变化规律是不同的。本文选取大沽河流域两种代表性砂土,对其吸湿-脱湿两个过程分别进行试验观测,并使用VanGenuchten—Mualem模型对其吸湿-脱湿过程进行水力传导度的拟合。研究结果表明：砂土在吸湿过程的非饱和水力传导度与脱湿过程的非饱和水力传导度大小并不相同,在含水率相同的情况下,吸湿过程的水力传导度要比脱湿过程大,在含水率较低时（小于15％）相差可达1个数量级。     

高庙子膨润土与砂混合物的土-水特征曲线

用滤纸法和压力板法对高庙子膨润土与福建砂的混合物进行试验研究,在不同孔隙比和不同膨润土与砂配合比情况下量测脱湿过程的土-水特征曲线,研究土-水特征曲线与孔隙比和配合比之间的关系。试验结果表明：在同一配合比下用饱和度与吸力表示土-水特征曲线时,其曲线随着孔隙比的减小向右上方移动,即当土样的吸力一定时,土样的饱和度随着孔隙比的减小而增大,当吸力小于10 MPa时,这种现象较为显著;在同一孔隙比下膨润土与砂混合物的土-水特征曲线随着膨润土的比例增加而向右上方移动,即混合物的进气值随着膨润土的比例增加而增大;另外,配合比以及孔隙比相同时,膨润土与福建砂的混合物的土-水特征曲线与日本产Kunigel膨润土与丰浦砂的混合物的土-水特征曲线非常接近。     

吸力历史对非饱和粉土动力变形特性的影响

以非饱和粉土为研究对象,利用吸力可控的动三轴仪对其进行动力变形试验,得到了在不同净围压和不同吸力路径下非饱和粉土试样的骨架曲线、动弹性模量和阻尼比,研究了先脱湿后吸湿的吸力历史对其动力变形特性的影响。结果表明,在同一净围压和吸力下,非饱和粉土试样经历过先脱湿后吸湿的骨架曲线和动弹性模量比仅经过脱湿的要高,而试样经历过先脱湿后吸湿的阻尼比比仅经过脱湿的要小;此外,随着非饱和粉土试样经历过最大吸力的增大,其骨架曲线和动弹性模量增大,而阻尼比减小。试验结果可用非饱和土的平均骨架应力和弯液面水的表面张力作用来解释,并用两项联合预测非饱和土试样的最大剪切模量。     

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法（吸力范围0～1.5 MPa）、滤纸法（吸力范围0～40 MPa）和蒸汽平衡法（吸力范围3～368 MPa）,分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明：初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。     

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。     

非饱和土脱湿与吸湿水力特性对比研究

非饱和土水力相互作用特征曲线(土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线等)的获取在非饱和土斜坡的渗流和力学分析中有着至关重要的作用。目前,大多数试验方法中最适合确定脱湿状态的是土水特征曲线,但能够反映降雨过后斜坡短期内入渗和径流现象的反而是吸湿状态。基于此,采用瞬态脱湿与吸湿的试验方法 (TRIM),在短时间内获取该类土脱湿和吸湿条件下全吸力(0~10~6k Pa)范围内的土-水特征曲线、渗透系数函数和吸应力特征曲线,并对其脱湿与吸湿路径下的水力特性、模型参数及滞后特性进行了对比研究。结果表明,土的脱湿过程与吸湿过程的土-水特性明显不同,两种路径下的非饱和渗透系数、进气值、饱和渗透系数等参数均存在差异,而这种差异体现了吸应力的滞后特性,而这种滞后性足以诱发该类土的滑坡。这一研究结果对提高土-水特征曲线参数拟合的精度、提高试验效率及降雨型滑坡灾害的防灾预警具有一定的实用价值。     

网纹红土土水特征曲线试验研究及其在边坡稳定性评价中的应用

网纹红土在中国南方地区有着广泛的分布,常见于各类岩土工程中。目前对网纹红土的研究主要集中在成因和粒度特性等方面,对于其非饱和特性方面的研究相对有限。本文采用滤纸法测量不同饱和度条件下网纹红土的基质吸力,利用Van Genuchten模型得到网纹红土的干燥-浸湿过程的土水特征曲线。研究发现,由于网纹红土孔隙较小且均匀,使得网纹红土存在进气值（约为100 kPa）相对于一般黏土较大、其土水特征曲线没有明显的残余段。利用干燥-浸湿过程的土水特征曲线对一维无限边坡的干燥和浸湿过程稳定性进行研究,发现在饱和度相同的情况下,边坡处于脱湿过程的稳定性要高于吸湿过程。随着深度的增加,脱湿与吸湿过程稳定性系数相差值减小;随着饱和度的提高,两者差值也出现减小的趋势。同时,网纹红土中基质吸力对抗滑力的贡献度较大,使得网纹红土质边坡较为稳定。     

干湿过程中膨胀土最大剪切模量及其预测

为了研究膨胀土在天然环境下的动力特性,本文利用装有弯曲元的三轴仪对南阳膨胀土原状样和重塑样进行了最大剪切模量的测试试验。试验包括在不同围压下的饱和原状南阳膨胀土最大剪切模量测试;将初始干密度相近的原状样和重塑样分别进行脱湿和吸湿,量测整个过程中最大剪切模量的变化,并结合孔隙比进行分析。试验结果表明:饱和南阳膨胀土的最大剪切模量随着围压增大而增大;脱湿过程中南阳膨胀土最大剪切模量与含水率关系曲线要高于吸湿过程的曲线,即最大剪切模量与含水率关系存在滞回特性,这主要是吸力作用的缘故;初始干密度相近条件下原状样的最大剪切模量比重塑样的要小,这是由于原状样内部存在较多大孔隙。本文最后对饱和土最大剪切模量公式进行改进,使之适用于非饱和原状南阳膨胀土最大剪切模量的预测。     

土壤水滞后特性的研究

为了研究土壤水滞后现象,本文通过分析Mualen的模式特性及利用实验数据,提出了模拟计算土壤水特性曲线的改良模式。利用这种模式可以计算吸湿和脱湿过程的水分状态变化。在此基础上,用pF～比水分容量曲线分析了在不同状态过程中土壤水运动特性。     

国产滤纸吸力-含水量关系率定曲线的研究

简要介绍了滤纸法测吸力的原理和方法以及国外滤纸率定曲线的研究成果。 应用压力膜吸力仪进行了国产滤纸的率定实验, 得到了国产滤纸脱湿过程的率定曲线和脱湿—吸湿过程率定曲线, 分析了该率定曲线的性状, 与国外滤纸的成果进行了比较,得出了有关的初步结论。     

南阳重塑中膨胀土脱湿全过程裂隙开裂特征及影响因素分析

环境温度是影响膨胀土开裂的外部因素之一,初始含水率和干密度是影响膨胀土开裂的重要内部因素。为研究膨胀土的开裂特征及影响因素,对南阳重塑中膨胀土进行了多组脱湿全过程裂隙开裂试验。研究结果表明:脱湿开裂过程可分为3个阶段,脱湿收缩与裂隙酝酿阶段、裂隙产生并迅速扩展阶段和基本稳定阶段;采用试样收缩面积加裂隙总面积之和与试样初始面积的比值计算裂隙度,可描述脱湿收缩特性和开裂孕育过程,适用于描述小试样的脱湿开裂过程;环境温度对膨胀土脱湿过程有一定影响,当试样的脱湿温度较高时,其最终的裂隙度偏小;试样初始、含水率与收缩开裂裂隙度正相关,初始干密度与收缩开裂裂隙度负相关。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

高庙子膨润土的吸湿性及结合水变化规律研究

膨润土易吸收空气中水分形成结合水。以高庙子膨润土为实验对象,研究了土样在不同烘干温度、烘干时间、环境相对湿度、土厚、表面积下的吸湿规律。研究结果表明:110℃烘干条件下,烘干8h,土样质量可达到稳定;增加接触面积,不会增加其吸湿率;吸湿量与初始烘干温度以及环境相对湿度正相关。土样吸湿存在深度效应,越下层的土样吸湿能力越弱。4mm深度以下土层对空气中水分子的吸附能力很弱,吸湿主要集中在上层。Peleg模型拟合吸湿过程较好。20g膨润土在110℃烘干,再置于相对湿度55%和82%环境下吸湿,2min时强结合水的吸收基本完成,受环境相对湿度的影响较小,吸湿平衡时自由水、弱结合水以及强结合水的含量分别为7.873%、0.749%、1.316%和9.408%、1.128%、1.412%,结合水膜厚度分别为5.56?和7.71?。     

多次干湿循环后土-水特征曲线的模拟

目前对于土体的干湿循环过程中变形、强度变化规律研究较多,而对经过多次干湿循环后土-水特征曲线的试验研究较少。由于吸力平衡需要时间太长,对干湿循环过程中土-水特征曲线的研究也多限于单次的干湿循环试验。但考虑到实际岩土工程中气候条件的多变性和自然环境的复杂性,一般土体均要经历多次干湿循环,因此,对多次干湿循环后的土-水特性曲线研究显得非常重要。结合已有的试验数据总结脱湿曲线与吸湿曲线随着干湿循环次数的变化规律,通过引入一个与干湿循环次数有关的函数,提出能预测多次干湿循环后土-水特征曲线的方法。本方法仅需土-水特征曲线的首次干湿循环脱湿与吸湿曲线和塑性指数,就可以预测多次干湿循环后的土-水特征曲线。     

饱和度-压力曲线法预测柴油在毛细带中形成的透镜体厚度

轻非水相液体（LNAPL）进入到地下环境中,首先在非饱和带进行垂向迁移,到达毛细带后在地下水面以上形成饱和透镜体。准确预测LNAPL渗漏在毛细带形成的透镜体厚度,对于LNAPL的去除及污染含水层的修复具有重要的指导意义。通过模拟实验测定了水-油两相吸湿及脱湿曲线,采用水-油饱和度-压力曲线拟合出了吸湿及脱湿进入压力。根据透镜体达到稳定状态时脱湿、吸湿压力水头之间的关系,建立了透镜体厚度的预测计算方法,并以中砂和粗砂为例,预测出实验条件下柴油在毛细带形成透镜体稳定时的厚度分别为4.61 cm和1.29 cm。通过室内模拟槽实验,测得柴油在中砂和粗砂中迁移时形成的透镜体厚度分别为5.30 cm和1.50 cm。预测与实验结果的相对误差分别为13.0%和14.0%。误差产生的主要原因为脱湿与吸湿曲线是在非干燥情况下测得,从而导致预测的透镜体厚度偏小。     

压实宽级配砾质土干-湿循环效应研究

为探索在干-湿循环条件下,宽级配砾质土作为垃圾填埋场复合防渗系统中土工织物黏土垫和土工膜（GCLs/GM）防渗衬垫的保护层时其水力特性的变化规律,采用压力膜仪测试了土样干-湿循环作用下的土-水特征曲线参数,并借助van Genuchte方程和Fredlund 3参数方程拟合了0～3次干-湿循环的压实宽级配砾质土样的4条脱湿土-水特征曲线。结果显示：随着干-湿循环次数的增加,试样的土-水特征曲线在0～100 kPa的低吸力区间内逐渐变陡,含水率随吸力增加而逐渐减小,在位于400 kPa附近趋于平缓;干-湿循环过程中,试样的饱和含水率存在峰值,而残余含水率逐渐降低并趋于稳定;两种模型拟合的宽级配砾质土土-水特征曲线的差异不大,van Genuchte模型略优于Fredlund 3参数模型。在此基础上,将试验结果与已有文献中干-湿循环条件下的黏性土以及膨润土的土-水特征曲线进行了比较,表明作为防渗垫保护层的宽级配砾质土更有利于GCLs的吸湿与水化。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土的设计功能是,遇水吸湿导致土体膨胀变形,以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝,形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移,与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。高压实膨润土在自由膨胀条件下的膨胀应变和非饱和渗透系数由渗透试验测得;孔隙比和吸力的关系由压汞试验测得。吸力和含水率的函数关系可由土-水特征曲线测试试验得到。因此,自由膨胀条件下膨润土的非饱和渗透膨胀模型由膨胀应变、非饱和渗透系数和孔隙比与吸力的函数关系建立。结果表明：渗透系数和体积应变都随吸力减小而增加,因为吸力减小会导致孔隙比增加。这一发现有助于设计高放废物的最终处置方案。     

干湿循环下高庙子钙基膨润土持水和变形特性

膨润土因具有湿胀、干缩特性,其水力-力学性质易受干湿循环的影响。采用饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了干湿循环对压实高庙子钙基膨润土持水特性的影响。对相同条件下制作的试样进行0～6次干湿循环,选取其中的原试样（0次）、循环3次和6次试样,进行蒸汽平衡法试验,测定其土-水特征曲线。同时,在0～6次干湿循环过程中,对每一次脱湿后试样表面采集图像,用数字图像处理技术提取了收缩及裂隙开展区域,分析得到收缩率与裂隙率。试验结果表明：随着干湿循环次数的增加（0→3次时）,土-水特征曲线向下平移、持水性下降、孔隙比增大、平均骨架应力减小,试样烘干时收缩率和裂隙率增加明显;但随着循环次数的继续增加（3→6次时）,持水性、收缩率和裂隙率趋于稳定。     

广西原状红粘土力学性状与水敏性特征

对广西原状红粘土的力学指标、胀缩特性与孔径分布随脱湿过程的演化规律进行了较为系统的室内试验研究。结果表明：广西原状红粘土为裂隙发育的硬塑性粘土,不同脱湿阶段的力学指标与胀缩性能在较高含水量范围内受基质吸力控制,在较低的含水量范围内主要受控于裂隙性;转折点处含水量与重型击实(干法备样)最优含水量相接近;原状红粘土的孔隙主要以孔径从0.01 μm～0.05 μm的小孔隙为主,在脱湿过程中,干密度增大,总孔隙体积减小,以0.01 μm～0.05 μm与0.1 μm～1.0 μm两个区间内孔隙体积减小最为明显。