一维积水入渗水分运移动态监测新技术

水在土壤中入渗时湿润锋前后含水量、吸力等物理量变化剧烈,精准监测土壤内部湿润锋动态变化比较困难.本文选用微型数字温湿度传感器(SHT30),利用湿度传感器对水分的高灵敏性,监测了一维土柱积水入渗时湿度剖面的动态变化,对比分析了湿润锋及水分运移过程.通过3种不同干密度土柱的一维积水入渗试验,在土柱中心位置不同高度处由上至下布设湿度传感器,外部布置相机拍摄土柱边界湿润锋推进过程,结合有限元数值模拟,揭示了土柱中水分入渗规律.结果表明:湿度传感器能及时准确捕捉吸湿路径下湿润锋;土柱的干密度越大,同一深度湿度骤升得越晚,表明入渗速率随干密度的增大而减小;对比外部拍摄的湿润锋和内部监测的湿润锋,发现拍摄边界湿润锋略晚于内部,随着土柱干密度增大,两者差距缩小;Shahabi渗透系数经验公式比Kozeny-Carman公式更接近实测饱和渗透系数,SEEP/W有限元模拟湿润锋推进过程与实测结果吻合良好.     

积水和降雨下非饱和重塑黄土水分入渗模拟

为合理预测积水和降雨情况下非饱和重塑黄土水分迁移过程,在已有模型基础上,提出了能合理考虑浸润锋处吸力作用和水分剖面形状的改进模型,并给出了该模型计算方法以及求解Richard方程数值方法所需渗透参数的可靠确定方法.研究结果表明:与已有模型相比,改进模型能更准确地预测室内一维非饱和重塑黄土土柱积水入渗试验中浸润锋迁移过程和各测点水分变化过程;采用改进浸润锋前进法获得的非饱和渗透系数函数,比采用根据室内饱和渗透试验和持水曲线间接获得的参数所得预测结果更为准确;降雨分析中,改进模型得到径流发生后的水分剖面基本接近于数值方法分析结果,特别是在试样干密度比较大的情况.     

土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗率影响的试验研究

基于室内一维积水入渗试验结果,分析了土体类型、干密度和初始含水量对土体入渗率的影响.试验结果表明:土体的入渗率随土样中粘性颗粒含量的增加同样逐渐减小;随干密度的增加逐渐减小;当干密度较小时,随初始含水量的增加逐渐增加,当干密度较大时,随初始含水量的增加逐渐减小.     

降雨条件下粗粒土高路堤边坡暂态饱和区形成条件及影响因素

为了分析降雨条件下暂态饱和区形成条件和影响因素,首先建立粗粒土高路堤边坡一维数值计算模型,探讨粗粒土高路堤边坡暂态饱和区的形成条件;通过建立二维数值计算模型,分析降雨强度、降雨时间、渗透系数以及初始表面基质吸力等因素对暂态饱和区形成的影响。研究结果表明:暂态饱和区的形成过程受降雨时间以及降雨强度共同控制,当雨水在边坡表层的入渗流速大于其土体内部出渗流速时,土体体积含水率升高,边坡出现暂态饱和区;在降雨过程中,边坡表层土体中水的流速最终达到与降雨强度基本一致(流速与降雨强度量纲相同),边坡表层土体的体积含水率与降雨强度有关;在降雨过程中,粗粒土高边坡坡脚位置的体积含水率增大最快,该处暂态饱和区出现时间最早,范围最广;降雨强度、初始表面基质吸力对暂态饱和区的形成时间以及深度影响较大,渗透系数的影响较小;在降雨强度相同时,初始表面基质吸力越大,雨水入渗的深度越大,暂态饱和区的范围越广。     

基于AHFO方法的Green-Ampt模型K_0取值试验研究

利用Van Genuchten经验函数拟合土水特征曲线,可获取反应土壤物理特性的参数m和n,求得体积含水率θ下的非饱和导水率K_θ,再利用K_θ代替饱和导水率K_0,可获得Green-Apmt的修正模型.过去受测试手段的限制,这类修正方法还未经过试验精确验证;传统的点式测量手段可通过数个点的体积含水率数据推测整个土壤的体积含水率剖面和湿润锋的位置,引起的误差常常比较大.利用分布式的主动加热型的体积含水率光纤测试方法(actively heated fiber optic method,AHFO),定位精度可达2.5cm;设计了模型桶中砂土垂直向上入渗的渗流试验,测试了试验过程中土壤体积含水率剖面,并采用AHFO技术实时定位湿润锋的位置,大大提高了湿润锋定位准确性.基于实测的体积含水率剖面及湿润锋位置,对K_0修正前后Green-Apmt模型的准确性进行了测试.结果表明:(1)非饱和土的渗透系数K_θ远小于饱和土的渗透系数K_0,其大小可依据土壤特征曲线和AHFO法测得的土壤体积含水率确定,本次试验修正系数约为0.1;(2)湿润锋垂向运移距离与时间符合修改K_0后的Green-Apmt模型;(3)AHFO法具有连续性和精确性的优点,可以作为评价土壤湿润过程的有效测试手段.     

黄土边坡降雨入渗规律试验

为研究降雨对边坡稳定性的影响,利用人工模拟降雨装置和路堤土工模型,进行了不同初始含水量和不同降雨条件下黄土路堤边坡湿润锋和入渗率的试验,探索了黄土路堤降雨入渗过程,分析了黄土路堤边坡稳定性对降雨历时和降雨强度的敏感程度及入渗变化规律.结果表明:雨水入渗路堤土呈先快后慢的趋势,湿润锋从规则向不规则逐渐转化;入渗率与边坡初始含水量、路基压实度和降雨历时成反比关系,与降雨强度基本无关.     

延安地区降雨入渗对黄土抗剪强度影响研究

延安地区土体多为湿陷性黄土,发生强降雨时,易发生滑坡、崩塌、窑洞垮塌等灾害,构成巨大安全隐患。通过室外现场试验,研究了不同日降雨量下入渗深度随入渗时间的变化规律,及含水率随深度的变化规律;通过室内直剪试验研究了含水率、干密度对粘聚力和内摩擦角的影响。结果表明:降雨对浅层土体含水率影响大,对深层土体影响较小,入渗深度随着入渗时间的增大而增大;黄土的抗剪强度随含水率的增大而减小,且是干密度越大减小的越快。     

裂隙膨胀土室内降雨入渗试验研究

在大气降雨和蒸发的作用下,膨胀土体收缩产生大量无序破裂裂隙,水分易向土体深部渗透,裂隙性膨胀土比同类非开裂土体具有更大的渗透性,容易使膨胀土地区的边坡滑坡。常规试验中采用完整的土样进行渗透试验,量测出的渗透系数与实际裂隙存在的膨胀土渗透性有数量级上的差异,为反映裂隙膨胀土的真实渗透性,对不同初始含水率相同压实度、相同初始含水率不同压实度的两组裂隙膨胀土样进行室内模拟降雨实验,研究其在降雨入渗条件下的渗透规律,得出以下结论：(1)不同压实度膨胀土样脱湿后都形成以宽、细裂隙构成的裂隙网络,表面裂隙形态各不相同,总体上随压实度降低土样主裂隙有由开放向连通闭合的趋势,高、低压实度土样表面裂隙率比中等压实度(75%)土样低;(2)不同初始含水率土样裂隙脱湿后表面裂隙形态差异大,初始含水率从高到低土样宽裂隙趋向于均匀、且细裂隙明显增多,主裂隙曲线形状随初始含水率降低由圆弧状向直线转变,高初始含水率土样表面裂隙率大,初始含水率降到一定程度时土样表面裂隙率基本相当;(3)不同压实度下裂隙膨胀土初始入渗率随压实度增大而增大,近于线性关系,其后短时间内急骤衰减,压实度大的土样衰减速率较慢,稳定后入渗率都处于10-4数量级;(4)不同初始含水率土样初始入渗率数量级相同,不同土样入渗率变化区别极大,入渗率衰减阶段的衰减速率与持续时间明显不同,初始含水率高的土样衰减速率较低、持续时间长,土样稳定后平均入渗率除极高初始含水率土样外其它基本相同,约为4 E-04cm/s。     

干湿循环下重塑黄土水分迁移试验

黄土地区高填方工程改变地下原有给排水体系,土体长期处于干湿循环状态引发系列工程病害。为了阐明不同干湿条件下重塑黄土水分迁移规律,在干湿环境下对初始干密度和含水率不同的土样进行了水分迁移试验,结果表明:土体在干湿环境下,水分迁移导致含水率变化呈径向分区分布,上部土体含水率略低于下部;减湿过程,水分不断迁移,随迁移高度的增加,含水率分布逐渐稳定;干湿次数增多,土体持水能力弱化,水分上移速度减慢,湿润峰爬升的最大高度降低;土体初始干密度越小,湿润峰推进速度越快;初始含水率越大,水分迁移速率越快,但稳定后,土体最终含水率差异不大,并且随着距底板高度的增加呈下降趋势;干湿环境下水分迁移也受水分重分布及土颗粒结构重组等多方面的影响,初始含水率和干湿循环次数不同,主导因素也不同,土体水分迁移规律呈现出相应的多样化特征。     

横观各向同性圆形基坑抽水-水位恢复试验数值分析

为模拟井点抽水引起的圆形基坑内外水头变化以及地面变形,考虑水力特性和力学特性的横观各向同性及地下结构物的影响,建立了轴对称柱坐标系下的饱和-非饱和土固结模型.基于该模型,模拟两组圆形基坑抽水-水位恢复试验,分别研究弹性模量和初始饱和渗透系数的横观各向同性对水头和土体位移的影响.结果表明,当弹性模量越大时,水头越易改变,土体位移越小;当初始饱和渗透系数越大时,水头变化量和土体位移越小.     

降雨条件下多层土坡入渗机理与稳定性分析

基于VG(Van Genuchten)模型多层土含水率方程,建立了考虑边坡倾角的含水率与基质吸力控制方程,提出了土层间渗透系数比不同的情况下多层土坡入渗深度计算方法.通过在Geo-Studio软件中的Seep/w板块建立多层土的一维和二维模型,分析雨水入渗过程中土层交界面处饱和滞水区形成过程及不同降雨条件下多层土坡稳定性变化规律,并验证本文计算方法的正确性.结果表明:多层土坡降雨过程中,土层交界面处体积含水率、孔隙水压力变化范围较大,对于各层渗透性不同的多层土坡,在同一降雨强度下,渗透系数比越大,则交界面处滞水向下消散的速率折减得越多,交界面处孔隙水压力变化范围越大;多层土坡在交界面处出现饱和滞水区后孔隙水压力急增,导致土抗剪强度骤降,进而引发土坡稳定性系数大范围下滑.上述结论为降雨边坡预警工作提供参考依据.     

含裂隙红黏土土水特征与强度特性研究

红黏土边坡在干湿循环作用下极易产生裂隙,裂隙发育将对土体水力学特性及强度造成不利影响,从而降低边坡稳定性。以长沙红黏土为研究对象,制备具有不同裂隙数量的红黏土试样,开展了渗透试验、土水特征曲线试验和直剪试验,揭示了红黏土饱和渗透系数、土水特征曲线和抗剪强度指标随裂隙数量和干密度的演化规律,建立了相应函数表达式。结果表明：红黏土渗透系数量级为10^-5～10^-7 m/s,饱和渗透系数随干密度的增加而减小,随裂隙数量的增加呈指数型增长,裂隙增加5条,饱和渗透系数提高66.4倍;干密度低和裂隙数量多的试样饱和体积含水率更高,脱湿过程中体积含水率随基质吸力降低速率更快,残余含水率更低,持水能力更差;红黏土抗剪强度指标与干密度呈正比,与裂隙数量呈反比,当干密度增加0.28 g/cm³,黏聚力和内摩擦角分别提高2.35倍和0.94倍,而当裂隙增加5条,黏聚力和内摩擦角分别降低57.09%和49.59%。     

基于渗流分析的湿陷性黄土地区城际轨道地基处理范围

通过一维渗流土柱试验和数值模拟分析,开展了压实黄土渗流特性及湿陷性黄土地区城际轨道地基处理范围研究。试验结果表明:压实系数对非饱和黄土的渗流影响显著。湿润峰随着时间的变化有两个阶段,快速入渗和缓慢入渗。对压实系数较大的黄土,当湿润峰推进到50 cm后,水分入渗速率进入缓慢阶段。当入渗边界水头较小时,不同的边界水头对压实的黄土渗流规律影响不大。综合分析试验结果及数值分析得到:城际轨道地基采用挤密桩处理时,外放尺寸可按规范取最小值2 m,不必按处理深度的一半取值。对于乙、丙类建筑物或非高等级的线性工程,在满足承载力要求下可采用减小地基处理深度、增大地基处理宽度的处理方式。研究成果可为优化深厚湿陷性黄土地区城际轨道工程地基处理范围提供参考。     

不同干湿循环路径下盐渍化黄土侧限变形特性研究

针对干湿循环作用下盐渍化黄土侧限变形问题,系统开展了侧限压缩试验及溶陷试验,研究了氯盐盐渍化黄土在不同干湿循环路径、不同干湿循环次数及不同初始干密度下的一维固结压缩特性和溶陷变形特性。结果表明：压实盐渍化黄土的压缩变形随初始干密度的降低而增大,随干湿循环次数和增湿饱和度的增加而增大;土样e-lgp(e为孔隙比,p垂直压力)曲线变化幅度及压缩系数随初始干密度的减小和干湿循环次数的增多而增大;不同干湿循环路径下土样的e-lgp曲线在干湿循环次数低于5次时差异较大,在干湿循环次数达到10次时趋于一致;盐渍化黄土溶陷特性对各类条件的敏感程度依次为增湿饱和度、干湿循环次数、初始干密度。针对不同条件下盐渍化黄土溶陷系数曲线的不同表现形式,建立简易3参数模型,并与试验数据对比,表明该模型能够表征初始干密度及干湿循环次数对溶陷系数的影响规律。研究成果可为盐渍化黄土的干湿循环效应认知提供参考。     

西北地区黄土作为垃圾填埋场中间覆盖层的试验

垃圾填埋场中间覆盖层在垃圾分区或分层堆填作业过程中用于临时封闭垃圾堆体、控制降雨入渗并减少蚊蝇滋生和臭气等. 常用的高密度聚乙烯(high density polyethylene, HDPE)膜作为中间覆盖层, 存在易被垃圾刺穿导致坡面雨水大量入渗和造价较高等问题. 我国西北地区气候干旱且黄土分布广泛, 这些黄土是当地制作垃圾填埋场中间覆盖层非常便利的材料. 对黄土中间覆盖层的夯实施工、防渗性能和历经干湿循环作用后开裂导致其渗透系数增大、防渗性能劣化进行了试验研究. 结果表明: 黄土的饱和渗透系数随干密度增大而增大, 当干密度达到1.60 g/cm³时其渗透系数为10⁻⁷~10⁻⁶ cm/s, 防渗性能较好; 现场双套环原位实验测得黄土饱和渗透系数为8.37×10⁻⁸ cm/s, 较室内试验大1 倍左右; 黄土层历经自然干湿循环作用后易开裂, 有裂缝条件下其饱和入渗系数为1.18×10⁻⁶ cm/s, 比无裂缝条件下的 增大了14 倍左右. 在增设15 cm 厚的保护植被土层后, 黄土的开裂情况得到明显抑制.     

峰峰新三矿煤矸石山土壤水分特性研究*

为了解煤矸石基质土壤的水分特性,为煤矸石山水土保持、生态修复和复垦提供理论依据,试验选用峰峰新三矿6种不同煤矸石基质土壤,采用室内模拟试验的方法,测定土壤孔隙度、渗透系数和水分入渗规律。试验结果表明:混合基质土壤孔隙度随掺土比例的增大而增大,掺土后基质总孔隙度显著增加;基质土壤的渗透系数山脚山腰山顶;矸土比为7∶3、5∶5和3∶7的混合基质土壤的渗透系数分别是原矸石的0.643、0.517和0.459,掺土后渗透系数显著降低。山脚矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山腰的1.111和1.078倍;山腰矸石的初始入渗率和稳渗率分别为山顶的1.096和1.102倍;矸∶土/7∶3的初始入渗率和稳渗率分别为5∶5的1.152和1.149倍;矸土比5∶5的初始入渗率和稳渗率分别为矸土比3∶7的1.179和1.057倍。矸土混合土壤的初始入渗率、稳渗率均随矸土比的减小而迅速减小,入渗达到稳定状态的时间随矸土比的减小而增加。Kostiakov入渗模型更适合作为风化煤矸石的入渗模型,通用经验模型更适合作为掺土煤矸石的入渗模型。矸石掺土可以显著降低入渗率,提高累积入渗量,有益于煤矸石山的植物生长。     

设注水孔条件下湿陷性黄土试坑水分入渗规律

对山西省晋中市榆次区大厚度自重湿陷性黄土场地进行布设注水孔、埋设土壤水分传感器的浸水试验。结果表明:由于布设注水孔,试坑内水分扩散存在自下而上、自上而下、由试坑中心向两侧扩散的特点,湿润锋扩散形态比较复杂;浸水52 d,试坑内探井全断面基本达到饱和含水率,注水孔的布设节省了大量的试验时间与费用。体积含水率随时间变化曲线基本可以分为4个阶段:初期含水率平稳段;含水率增长、变化段;饱和含水率稳定延续段;末期含水率小幅减小变化段。     

增湿减湿对黄土湿陷性的影响研究

黄土湿陷性的研究主要局限于狭义浸水饱和后的最终沉降量;但实际工程中常遇到的是不同增湿减湿含水率产生的广义湿陷,所以研究不同增湿减湿含水率对黄土湿陷性的影响更具实际意义。通过验测定由同一土桶制备的原状、增湿和减湿试样的含水率、湿陷系数和压缩量,并结合现有相关理论对数据进行统计、对比和分析,得出不同含水率的增湿、减湿对黄土湿陷性的影响规律。结果表明:在相同条件下,湿陷系数随增湿后含水率的增大而有明显的减小,初始含水率较低比初始含水率较高对湿陷性影响大;试验所取土样的峰值压力为100 k Pa左右,增湿界限含水率大概为26%;在相同条件下,增湿减小了黄土的湿陷量,却增大了压缩量;减湿减小了黄土的压缩量却增大了湿陷量。     

压实黄土力学特性室内试验研究

对山西吕梁某地黄土状填土进行室内试验研究,分析其工程力学特性,对比不同击实能下的击实曲线,表明随击实能增大,最大干密度增大而最优含水量减小.进行室内侧限压缩试验,分析含水量和击实能对压实黄土孔隙比和压缩系数的影响,试验结果表明：含水量越大压缩系数越大,随压力的增加含水量越大的压实黄土孔隙比减小越快;含水量和竖向压力相同时,随着击实能增大,土样孔隙比减小,压缩系数减小.     

基于分形理论的黄土击实后粒度分布研究

基于分形理论对不同击实能和含水量条件下的粉土状黄土进行粒度分析,研究击实后土体颗粒形状的变化情况和颗粒体积的分形行为。结果表明,击实后的粉土状黄土颗粒体积分布遵循分形规律;在一定含水量条件下,分维值D会随着击实能的增加而减小;当击实能较大时,对土样颗粒造成的形状改变也更为明显;在一定击实能条件下,当土样含水量小于最优含水量时,分维值D随着含水量的增加而减小;当土样含水量大于最优含水量后,分维值D呈现离散性,没有一定的规律。