考虑初始孔隙比影响的单/双峰土-水特征曲线模型研究

土样内部的孔隙结构可以分为单峰、双峰甚至多峰孔径分布。双峰孔隙结构土体的土-水特征曲线（SWCC）通常为双峰形态。现有的双峰SWCC模型大部分为单峰SWCC模型经过分段或叠加的方式所得,两段SWCC交点处的相关参数往往难以准确确定,而且很少有模型考虑孔隙比对双峰土水特性的影响。首先,详细分析和论述了广吸力范围内不同初始孔隙比土试样单/双峰SWCC的特点。其次,基于上述土水特性的分析,以及吸附水和毛细水两种不同的作用机制,结合开尔文方程推导出指数函数形式的吸附项方程,毛细项方程则以修正的Fredlund和Xing SWCC模型为基础。最后,提出一个考虑初始孔隙比影响的单/双峰SWCC模型,并利用不同类型土单/双峰SWCC的实测数据验证了模型的有效性。     

利用土中水分蒸发特性和微观孔隙分布规律确定SWCC残余含水率

残余含水率在非饱和土渗流理论、强度理论等方面都是重要的参数,然而土-水特征曲线（SWCC）试验测量时一般难以达到残余阶段,常常通过经验法（包括模型拟合法）估算残余含水率,方法的适用性值得论证。以武汉黏性土为研究对象,制备不同初始孔隙比试样,利用压力板仪测量SWCC,通过模型拟合的方法计算残余含水率;进行自然状态下水分蒸发试验,根据失水速率定义了临残时间,依据临残时间确定残余含水率;利用核磁共振技术研究微观孔隙分布特性,解释控制残余含水率大小的微观规律。研究结果表明：模型拟合的方法可估算残余含水率,但准确性与模型选择及残余含水率初步范围的限定直接相关;水分蒸发试验是确定残余含水率有效可行的直接方法;武汉黏性土微观孔隙呈三峰分布,残余含水率与第1峰之前的微观孔隙水分紧密相关,依据弛豫时间小于0.267 38 ms的T2谱面积可较为准确地预测残余含水率,对于其他土体该方法需要进一步论证与完善。     

非饱和原状残积土土水特征曲线研究

利用压力板仪装置开展不同竖向应力、不同干湿循环次数和不同类型原状土(残积黏性土和残积砂质黏性土)的SWCC曲线试验研究, 比较和分析未考虑体积变化和考虑体积变化的土体SWCC滞回圈面积以及进气值和出气值的变化规律。研究结果表明传统方法获取的SWCC曲线会高估土体抵御变形的能力, 试验条件变化引起土体内部结构调整是SWCC曲线发生变化的内在原因; 高应力水平条件下, 土体孔隙变化显著, 导致吸湿过程SWCC变化明显, 吸湿和脱湿路径时SWCC形状的不平等变化促使彼此间更为接近, 这种变化会减小SWCC滞后性随有效应力水平的变化。最后, 根据试验数据对3类SWCC修正公式进行拟合优度分析, 结合模型参数的简洁性, 得出修正VG模型最符合闽东南地区原状残积土的SWCC建模。研究成果可为残积土边坡的工程特性及治理提供有意义的参考。     

考虑温度效应的延安新区压实黄土全吸力范围持水和渗透特性研究

干旱和半干旱黄土地区的压实土路基、垃圾填埋场黄土盖层等的持水特性和渗透特性均受温度影响。为了探究温度对全吸力范围内压实黄土水力特性的影响规律和内在机制,基于滤纸法和自行研发的小土柱试验装置对不同温度下延安新区压实黄土的土-水特征曲线(SWCC)以及渗透性曲线(HCC)进行测定。结果表明:在黄土SWCC的高吸力段体积含水率随温度升高而减小,低吸力段受温度影响不明显;黄土渗透曲线则是在低吸力段受温度影响显著,温度越高渗透性越强,当土体吸力增大或体积含水率减小至一定值后,温度对土体渗透性的影响可忽略不计。基于此结果,将改进的van Genuchten(VG)模型作为可考虑温度影响的SWCC预测函数,通过拟合实测数据得出温度相关参数并进行验证;对于渗透性曲线,以90 kPa基质吸力为分段点,在低吸力段和高吸力段分别采用统计模型和幂函数进行分段预测,能够得到与实测数据吻合较好的预测结果。     

基于SWCC试验数据的坝体非饱和非稳态渗流与稳定性研究

饱和-非饱和状态是土存在于自然界的真实状态,描述和解释这种状态的非饱和土力学理论在土石坝渗流、污染物传输、冻土渗流相变、边坡和路基稳定性分析等领域有着广泛的应用。非饱和土的土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学研究的基本内容之一,对非饱和土体渗流和稳定性分析至关重要。采用Python语言开发了非饱和渗流与稳定性分析软件包USSA和非饱和土土水特征曲线试验数据处理和模型拟合界面。对非饱和土的土水特征曲线数据进行处理,以模型拟合参数作为基本输入进行非饱和渗流场的模拟,再到非饱和土的稳定性分析,详细呈现了非饱和土渗流与稳定性分析及软件开发的全过程。基于SWCC模型的拟合参数对坝体渗流稳定性进行了分析,分析结果表明水位变化过程中坝体两侧斜坡具有明显不同的稳定性演化规律。当采用有限元强度折减法进行非饱和土斜坡稳定性分析时,最终安全系数为所有边坡安全系数演化曲线的最低包络线。     

延安压实黄土土−水特征曲线的快速预测方法

传统测试土−水特征曲线（soil-water characteristic curve,简称SWCC）方法耗时较长,开发快速确定非饱和土的SWCC具有重要的实践意义。为了实现压实黄土SWCC快速预测,对不同干密度压实黄土进行了水势和水分测试,并且运用核磁共振（nuclear magnetic resonance,简称NMR）技术对其孔径分布曲线进行了测试。根据测试结果建立了基于孔隙比的延安压实黄土土−水特征曲线快速预测方法,并利用实测数据验证了方法的准确性。结果表明：预测模型中的分形维数D可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率确定;基于孔隙比和优势孔径在双对数坐标中的线性关系,D可用孔隙比进行表示。SWCC进气值受大孔隙直径控制;过渡段斜率受中孔隙体积控制;压实黄土存在一个临界孔径,而残余含水率主要受孔径小于临界孔径的孔隙体积控制,并且提出了求取残余体积含水率的经验方法。与传统方法相比,所提出的方法可以在确定SWCC时节省大量时间。     

基于Matlab方法确定VG模型参数

根据中国科学院栾城试验站大田土壤剖面所采土样实测土壤负压h和土壤含水率θ实验数据,采用van Genuchten模型来描述土壤水分特征曲线(h-θ曲线),VG模型中的参数利用Matlab非线性拟合函数来确定,通过对四参数模型和三参数模型的比较表明,四参数模型拟合的参数与三参数模型中的参数非常接近,但四参数模型能够更好地拟合实测数据,误差比三参数模型相对较小。且计算值与实测值的残差平方和范数小于0.07%,拟合较好。     

一种非饱和土表层蒸发过程的预测方法

探索了一种由土壤基本物性指标、气象数据预测非饱和土表层蒸发过程的方法。通过土壤基本物理性质（颗粒分布、土粒相对密度、干密度）预测出土-水特征曲线（SWCC）,进而得到土壤气相对湿度与含水率的关系,采用Penman-Wilson模型预测出了非饱和土表面的蒸发曲线。通过该方法,只需实地采取土样,获取其基本物理性质,由任意时刻土壤的含水率及气象数据就能预测出该时刻土表的蒸发速率。采用自制的自动蒸发测量系统进行浅层土蒸发试验,得到了蒸发曲线,与预测结果进行比较发现预测蒸发过程与实测结果一样皆由临界含水率和风干含水率将其分为3个阶段：稳定阶段、减速阶段和残余阶段,且蒸发量吻合,证明了所提出方法的准确性和实用性,对工程界估计土表蒸发量,确定水流量边界有重要意义。     

非饱和残积土的土-水特征曲线试验及模拟

土-水特征曲线是指基质吸力与含水率或饱和度的关系曲线。土-水特征及其相关数学模型可用于非饱和土性质如渗透系数和抗剪强度模型的建立。通常,土-水特征曲线仅有脱湿曲线。笔者详细讨论了初始含水率、干密度、竖向应力及干湿循环对脱湿曲线的影响。采用滤纸法测试了厦门地区残积土的土-水特征曲线(SWCC)及滞回环。结果表明,初始含水率对SWCC影响较小,最优含水率干侧试样SWCC的进气值小,滞回环小;湿侧试样的进气值大,滞回环大;最优含水率试样的滞回环居中。初始干密度对SWCC有显著影响,低干密度试样SWCC进气值小,脱湿速率快;高干密度试样SWCC进气值高,脱湿速率低。滞回环的大小随着初始干密度的减小而增大。不同竖向应力下SWCC变化较大。随着竖向应力的增加,进气值增大,脱湿速率减小,滞回环减小并趋于稳定。第1次干湿循环对SWCC影响最大,随着循环次数的增加,进气值减小,滞回环减小并趋于稳定。由于残积砂质黏性土SWCC的过渡区和残余区不易区分,残余含水率难以确定,因此,提出5种剔除残余含水率参数的修正SWCC模型,计算分析得出,修正Gardner模型最适合厦门地区残积土的SWCC建模。     

集成回填材料的土水特征曲线测定

以膨润土为基材,添加沸石、黄铁矿制备高压实集成回填材料,采用渗析法和汽相法分别测得其在不同温度及自由、侧限条件下的土水特征曲线( SWCC),并采用SWCC模型对实验数据进行拟合.结果表明:低吸力范围内,施加相同的初始吸力,最终测得50℃试样含水率＞20℃对应含水率,原因是温度影响渗析法所测吸力值及试样饱和后的微观结构;高吸力范围内,同一吸力值80℃对应的含水率最小,土水特征曲线斜率随温度升高而增大.应力状态对土水特征曲线的影响,在低吸力范围内显著,而高吸力范围内则影响不大.这与材料的微观结构有关.Van Genuehten模型对实测数据的拟合效果最佳.     

不同沉积环境下马兰黄土孔隙分布与土水特征的模式分析

为研究黄土的孔隙分布(PSD)和土 -水特征曲线(SWCC)与黄土沉积环境的关系,在甘肃榆中县和平镇和正宁县及陕西泾阳县等黄土台塬上部采取原状马兰黄土样,先测定其基本物理指标,再用压汞法测得各土样的PSD曲线,同时用滤纸法测得其SWCC。结果表明:和平镇马兰黄土的PSD曲线为单峰形态,泾阳县马兰黄土的PSD曲线为双峰形态,正宁马兰黄土的PSD曲线具有三峰特点。各土样的SWCC具有与PSD曲线相对应的阶梯状形态。SWCC与PSD曲线之间的对应关系,说明黄土的土水特征受孔隙分布的控制。获取3个原状样扫描电镜图像,微结构显示出这种地域性分异现象。对各采样点的气候环境分析表明,黄土PSD曲线之间的差异主要是由成土作用强弱决定的。将降水量与蒸发量的比值定义为蒸渗系数 (CEI),作为刻画成土作用强弱的指标。发现当CEI≤0.3时,PSD曲线为单峰模式;0.3＜CEI≤0.4时,PSD曲线为双峰模式;0.4＜CEI≤0.5时,PSD曲线为三峰模式,相应的SWCC分别为单拐点、双拐点和三拐点模式。     

Predicting bimodal soil–water characteristic curves and permeability functions using physically based parameters

Experimental evidence shows that a gap-graded soil or a widely-graded granular material may have a bimodal soil–water characteristic curve (SWCC) and a bimodal permeability function. A bimodal SWCC or a bimodal permeability function originates from a dual-porosity structure. To date, the prediction of bimodal SWCCs for gap-graded soils is still a difficult task. In this paper, a bimodal SWCC model is proposed to describe the drying process of granular soils considering a dual-porosity structure. The new SWCC model shows powerful capability in fitting the SWCCs for soils varying from gravel to silt. Regression analysis is conducted to establish empirical relations between the model parameters and the indexes of soil grain-size distribution (GSD). Based on these relations, the new model predicts well both the bimodal SWCCs for gap-graded soils and the unimodal SWCCs for well-graded soils and uniform soils. A bimodal permeability function is also proposed and linked to the new SWCC model. In the absence of experimental SWCCs and permeability functions, the new model can be used to obtain preliminary SWCCs and permeability functions for granular soils. It should be mentioned that the prediction of the SWCC from the GSD is still empirical and does not address the cyclic wetting/drying process. Measurement of the SWCC should be performed wherever an accurate SWCC is required.     

Water characteristic curve of soil with bimodal grain-size distribution

Soil–water characteristic curve (SWCC) is the most fundamental and important soil property in unsaturated soil mechanics. It has been used for analyzing slope stability due to the infiltration of rainfall into slopes and water flow in unsaturated embankments. Generally, SWCC is obtained by laboratory tests. However high cost, long duration and difficulty of the tests impede the application of unsaturated soil mechanics to practical design or analysis. Therefore, several equations have been developed to predict the SWCC using grain-size distribution (GSD) curve. However, most of the equations were limited to soils with unimodal characteristics and the parameters of the equations are not related to the physical properties of the soil. In this paper, an equation to predict SWCC for soils with bimodal characteristics is proposed. The parameters of the proposed equation are related to the physical properties of soil and the variables of SWCC closely. The proposed equation is evaluated with data from the literature and laboratory tests carried out in this study. In addition, the computer codes for the computation of the predicted bimodal SWCC are presented.     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

路基煤矸石填料土-水特征曲线试验研究

煤矸石作为煤层开采和洗选过程中产生的废弃料,常用于路基填筑。压实的路基煤矸石填料存在双孔隙群结构,其土-水特征曲线（SWCC）具有双台阶现象。而SWCC与土体非饱和渗透系数密切相关,对路基内部水分运移以及路基长期累积变形有重要影响。为了探究压实度、粉粒含量、最大颗粒粒径对双台阶SWCC的影响,对路基煤矸石填料进行了一系列压力板试验,并采用描述双台阶SWCC的Bi-V-G公式拟合实测SWCC,分析了模型参数变化规律。试验结果表明,粉粒含量为5%时,不同压实度试样SWCC均存在双台阶现象;粉粒含量为50%时,随着压实度增大,试样SWCC由双台阶形过渡为单台阶形,在0.90和0.95压实度之间存在一个界限值,双台阶现象消失;增大压实度、提高粉粒含量或减小最大颗粒粒径,均会使SWCC台阶高差减小。随着压实度增大或粉粒含量提高,模型参数 、 （与进气值有关的参数）和 、 （与排水程度有关的参数）值均逐渐减小,试样大、小孔隙部分均进气值增大,持水能力提高。     

强边底水油藏特高含水期CO2吞吐差异挖潜技术研究

冀东油田浅层强边底水油藏已整体进入特高含水开发阶段,剩余油高度分散、含油饱和度不均,不同油井CO₂吞吐效果差异大,难以实现油藏整体高效开发。考虑到油藏含油饱和度不同,差异设计CO₂吞吐段塞组合及开发政策,改善CO₂吞吐开发效果是十分必要的。利用二维物理模拟及油藏数值模拟,研究不同CO₂吞吐方式控水增油机理,定量评价不同CO₂吞吐方式适应含油饱和度界限,建立不同含油饱和度下吞吐注采参数差异化设计图版。研究结果表明:剩余油饱和度介于0.47~0.50之间时,CO₂吞吐技术经济综合效果最优;剩余油饱和度介于0.43~0.47之间时,CO₂+堵剂吞吐方式最优;剩余油饱和度介于0.375~0.430之间时,CO₂+表活剂+堵剂吞吐方式最佳。上述研究成果对特高含水油藏CO₂吞吐差异设计精准挖潜剩余油,实现油藏整体高效开发具有重要意义。     

Relationship between porosimetry measurement and soil–water characteristic curve for an unsaturated residual soil

Soil–water characteristic curve (SWCC) is an important tool for determining the engineering properties of unsaturated soil. This depends on the size and distribution of pore structures which control the permeability and amount of volume change. Mercury Intrusion Porosimetry tests can be used to determine the size, amount and distribution of pore spaces of the soil in a shorter time period compared to the pressure plate test. A soil-air characteristic curve (SACC) can be determined using the volumetric air content as measured in the Mercury Intrusion Porosimetry test. In this paper, SACC parameters are introduced. There appears to be a relationship between the soil-air characteristic curve and the soil-water characteristic curve of a soil. Relations between the SACC and the SWCC parameters are analysed in the light of unsaturated soil mechanics. The results indicate that the pore size distribution of a residual soil varies with depth due to differing degrees of weathering.