全吸力范围生物炭−黏土混合土的土−水特性

土−水特征曲线在研究非饱和土的水力与力学特性中发挥着重要的作用。生物炭具有多孔结构、高比表面积和强吸附的特性。将生物炭改性土应用于垃圾填埋场上覆盖层,因受自然环境因素的影响会使其水力特性发生改变。为了研究全吸力范围内生物炭掺量对生物炭−黏土混合土保水特性的影响,利用蒸汽平衡法（吸力范围 3～368 MPa）、滤纸法（吸力范围 0 ～40 MPa）和压力板法（吸力范围 0～1.5 MPa）控制土样的吸力,测定吸力平衡后土样的含水率和饱和度,得到全吸力范围内生物炭−黏土混合土的土−水特征曲线。试验结果表明：（1）3种吸力测试方法很好地表达了生物炭−黏土混合土全吸力范围内的土−水特征曲线。（2）生物炭能够影响黏土的保水性,但在一定的吸力范围内,生物炭−黏土混合土的保水性还与孔隙结构和孔隙中水的形态相关。（3）通过压力板法测得,试样的进气值随着生物炭掺量的增加而减小。当吸力值小于进气值时,曲线出现水平段,土样始终处于饱和状态,生物炭掺量越大,试样的保水性越好。（4）由生物炭−黏土混合土微观孔隙结构以及生物炭在黏土中的分布形态来解释生物炭改性黏土的保水能力随生物炭掺量的变化关系。     

铅污染对黄土宏观持水性能和微观结构演化的影响研究

垃圾填埋场渗滤液中的重金属与土体发生物理化学反应,可能导致土体微观结构的改变,重金属等有毒物质得以扩散、运移,威胁人体健康和周边环境。为探究重金属污染对黄土宏观持水性及微观结构的影响,采用轴平移技术测得铅污染黄土的土-水特征曲线。通过扫描电子显微镜（SEM）、压汞（MIP）、X射线衍射（XRD）和Zeta电位试验,阐明细观结构变化特征。结果表明：铅污染黄土的进气值随铅离子浓度的增加而减小,当铅污染浓度由0 mg/kg增加至2 000 mg/kg时,进气值从19.18 kPa下降至12.12 kPa;铅污染导致持水性能降低,渗透系数随铅离子浓度的增加而增加,饱和渗透系数从7.92×10–8 m/s增加到3.73×10–7 m/s;铅污染引起的物理化学反应及Zeta电位的降低导致絮凝结构形成,小孔隙占比减小,中孔隙占比增加;铅污染引起的微观结构演化与宏观持水性和渗透性具有良好的对应关系。该研究结果可为重金属污染场地非饱和渗流及溶质运移等问题的研究提供重要参数。     

土体持水特性及孔隙水分布特性的试验研究

采用轴平移技术对砂土、粉质黏土、黏土3种土质的土-水特征曲线进行了测试分析,并结合核磁共振技术测得了试样在不同基质吸力加载步条件下的T₂时间（横向弛豫时间）分布曲线,从细微观角度分析了脱湿过程中孔隙水在土体中赋存分布的情况。实验结果表明:3种土质的体积含水率随着控制吸力的增大而减少,该脱湿曲线可分为边界效应区、过渡区与残余区3个区域。其中,黏土的持水特性明显大于粉质黏土和砂土。核磁共振的试验结果与压力板仪获得的脱湿过程是对应的,从微细观角度展示了土体的排水过程。在排水过程中,总体上具有较大势能的大孔隙水先排出,随后小孔隙开始排水,但这一规律并不绝对,由于土体孔隙结构的复杂性,会出现大小孔隙同时排水以及土样中水分重分布的现象。     

土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性研究

为探究秦巴山区土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性,分别对不同孔隙比、含石量的土-石混合体开展非饱和入渗试验和压汞试验。试验结果表明：高压实度、低含石量下土-石混合体土-水特性曲线明显高于低压实度、高含石量土-水特性曲线;影响土-石混合体土-水特性的孔隙孔径在小于200μm范围内;含石量较低时,提高压实度造成孔隙向低孔径范围集中,使得土-水特性曲线在该孔径范围变陡;含石量较高时,提高压实度主要压缩大孔径孔隙（d>80μm）,对小孔径孔隙的影响较小,使其土-水特性曲线较为一致。密实度较高时,增加含石量造成土-石混合体的孔隙分布更为均匀,土-水特性曲线由陡峭变为平缓;当密实度较低时,不同含石量下其小孔隙部分结构差异较小,土-水特性曲线较为一致。     

不同类型黏土的强度特性及其预测

强度特性是非饱和土力学中基础性的研究内容。目前对广吸力范围内非饱和黏土强度的预测研究相对较少。本文首先基于文献中粉质黏土、Madrid黏土和南阳弱膨胀土的非饱和强度特性进行了对比与分析。将不同类型非饱和黏土的强度特性大致分为3种类型:（1）在某一吸力范围试样出现强度峰值,并随着吸力值的进一步增大而降低;（2）达到某一吸力值后其强度几乎维持不变,不受吸力值的影响;（3）其强度随着吸力值的增大而增大。此外,基于现有考虑吸附水膜和毛细水作用的方法拟合广吸力范围内不同类型土的土水特征曲线,并将土水特征曲线分离成吸附土水特征曲线和毛细土水特征曲线。在非饱和土的抗剪强度公式中,认为吸力引起的非饱和强度增强部分主要由毛细水作用决定的,故将非饱和抗剪强度公式中吸力引起非饱和增强项的有效应力系数（即饱和度或有效饱和度）用毛细水对应的饱和度替代。最后,利用修正后的非饱和抗剪强度公式对3种较广吸力范围内非饱和土的强度进行了预测。预测结果表明过渡区段内的强度预测效果较好,但高吸力段非饱和强度的预测还有待进一步研究。     

细粒对砂土持水能力影响的试验研究

利用压力板仪,进行了不同细粒含量非饱和砂土的持水特征试验,分析砂土土-水特征曲线的特征,探讨细粒对砂土持水能力的影响。结果表明,细粒的增加提高了砂土的持水能力,不同吸力阶段细粒对持水能力的影响程度不同;基质吸力超过进气值后,细粒增加明显增强砂土持水能力。应用数学模型 描述不同细粒含量砂土的土-水特征曲线,分析了细粒含量对数学模型参数的影响,给出了细粒、基质吸力和含水率的函数关系为 。     

重塑非饱和黏土的土-水特征曲线及其影响因素研究

采用常规压力板仪和GDS非饱和土三轴仪,详细研究了击实功、击实含水率、干密度、应力历史和试样应力状态5种因素对非饱和重塑黏土土-水特征曲线的影响。并采用Van Genuchten模型、Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型,通过最小二乘法对所测土-水特征曲线进行拟合。结果表明,这3种模型均可对土-水特征曲线进行较好的拟合。通过对这个5种不同影响因素的分析,发现不仅试样本身物理状态而且试样外部应力状态都对土-水特征曲线有重要的影响,即击实功越大、击实含水率越高、干密度越大、试样的应力历史越大、所受净平均应力越高,则试样的进气值越高,水越难从试样中排出。在较高的基质吸力范围内,各种因素对土-水特征曲线的影响作用有减小的趋势。通过Fredlund 3参数模型和Fredlund 4参数模型的残余含水率对比分析可知,残余含水率对模型的参数值影响不大,即假定残余含水率 为0是合理的。     

非饱和膨胀土/岩持水与渗透特性试验研究

以南水北调中线工程原状强、中膨胀土/岩为研究对象,开展压力板试验与双环注水试验,结合试验结果与土-水特征曲线(SWCC),对比研究不同性质膨胀土和膨胀岩的持水性能及影响因素,计算并分析水体积变化系数的变化规律,在该基础上重点探讨渗透系数的变化特征及其与基质吸力的非线性关系,总结出膨胀土/岩的渗透特性及其规律。结果表明,膨胀土/岩的持水特性受岩土的物理性质、矿物成分与结构特征的影响,膨胀潜势强、细颗粒含量大、孔隙结构小的试样有着较低的脱水速率;渗透系数和水体积变化系数均随含水率的减小而减小,变化特征受到膨胀潜势与干密度的共同影响,并与基质吸力呈幂函数关系。研究成果可为工程建设提供计算参数及理论依据。     

NaCl溶液对土体持水特性影响的试验研究

分别采用不同浓度的NaCl溶液对低塑性黏土进行饱和,然后进行压力板和蒸汽平衡法试验,获得整个吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）。分析不同浓度的孔隙溶液对SWCC的影响规律,结果表明：盐分对基质吸力的影响较小,对总吸力影响较大,这主要是因为盐溶液引起的渗透吸力所致。在蒸汽平衡法试验中,随着含水率的降低,孔隙浓度增大,渗透吸力增大。然而,基质吸力随着含水率的减小迅速增大,使得渗透吸力所占的比例逐渐减小。在非饱和土中,总吸力包括基质吸力和渗透吸力;基质吸力包括毛细部分和吸附部分,当土体中含水率较低时,主要是吸附效应在起作用;渗透吸力与溶液浓度有关。根据试验结果深入分析了吸附水膜和土颗粒之间的相互作用,得出由于溶质的存在对分子间吸附力的影响规律。根据表面化学原理,建立了分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的土-水特征曲线。     

桂林红黏土的土-水特征曲线

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法3种方法,对压实桂林红黏土进行全吸力范围内的土-水特性量测,研究干密度对于土-水特征曲线的影响。试验结果表明：干密度1.4 g/cm3的压实桂林红黏土的进气值约为20 kPa;土-水特征曲线的过渡段与典型的土-水特征曲线不同,含水率或饱和度与吸力的对数坐标关系不是单一直线,而是出现了3段直线,并且中间一段平缓段下降斜率较小;当吸力增大到367 MPa时,含水率仅为0.74%,可认为如吸力继续增大至106 kPa时,含水率和饱和度为0;用吸力与含水率关系表示土-水特征曲线时,吸力较大时不同干密度的曲线重合,认为干密度对土-水特征曲线无影响。用吸力与饱和度关系表示土-水特征曲线时,在吸力较小时,干密度越大,对应的土-水特征曲线越高;当吸力较大时,不同干密度的土-水特征曲线几乎重合。     

基于3个不等粒径颗粒接触模型的土-水特征曲线

基于热力学原理及二维液桥计算模型,以3个不等径土颗粒为研究对象,推导出基质吸力与体积含水率之间的关系,得到微观模型下的土-水特征曲线。将3个不等粒径颗粒概化为限制粒径、中值粒径和有效粒径,研究了粒径大小、颗粒级配和土颗粒接触角的大小等因素对土-水特征曲线影响的规律。计算结果表明：体积含水率相同,颗粒粒径越大,相应的基质吸力越小;在同一基质吸力下,不均匀系数 越大即土颗粒越不均匀,其体积含水率就越低;接触角对土-水特征曲线的影响是明显的,即接触角越小土颗粒亲水性越好,同一基质吸力下的体积含水率也就越大,且曲线的进气值会随着接触角的减小而减小。     

固结作用下粉土的持水性能与细观机制研究

针对传统仪器无法考虑岩土工程中温度和荷载等因素综合作用的缺陷,研制了一套多功能土-水特征曲线试验仪。以粉土为研究对象,开展了不同固结应力作用下粉土的土-水特征曲线试验,并测量其增减湿过程中土体的体积胀缩量,以便修正体积变化对其体积含水率的计算误差。结果表明,粉土在减湿过程中,土体的体积发生明显的收缩。其收缩量与固结应力水平有关,固结应力越小,则减湿引起的体缩量越大。但土体在增湿过程中的体积则基本保持不变。固结应力对粉土 土-水特征曲线的进气值、增减湿速率影响较大,固结压力越大,其进气值越大、减湿速率也越大。最后,为揭示固结应力对土的持水性能的影响机制,开展了不同固结应力作用下土体的细观试验。结果表明,固结应力主要改变了土体团粒间的大孔隙,而对黏土颗粒之间的孔隙影响较小。土体的持水性能与土体的孔隙大小和分布模式密切相关,大孔隙主要影响土体的进气值,而其孔隙分布模式则控制其增减湿湿速率。     

考虑薄膜水的利用介质粒度分布获取水土特征曲线的方法

利用介质粒度分布间接获取水土特征曲线（SWCC）是一种快速、经济的方法。由于该方法的传统模型（HP模型和MV模型）忽略了薄膜水,获得的SWCC在低含水率段存在显著误差。提出了一种考虑介质表面薄膜水的含水率估算方法,与HP模型和MV模型的吸力计算方法结合预测SWCC,选用土壤水力性质数据库UNSODA的17种土壤样品对两种修正模型的预测效果进行了验证。结果表明,采用薄膜水修正后的HP模型和MV模型可以显著改善传统模型中SWCC低含水率段含水率的低估,并能有效地预测砂土等粗粒介质的SWCC。另外,含水率估算中引入参数β后,修正的MV模型也可用于壤土和黏土等细粒介质的SWCC的预测。     

郑开下穿越工程非饱和土土-水特征曲线室内试验研究

利用气相法和渗吸法,对郑州至开封下穿越工程降水施工引起的非饱和砂质粉土和粉质黏土的土-水特征曲线进行了室内试验研究。研究结果表明,非饱和砂质粉土和粉质黏土的进气值约为2 kPa和250 kPa,残余饱和度对应的吸力值约为15 MPa和28 MPa,两种非饱和土的减饱和过程都具有明显的阶段特征。通过该工程非饱和土土土-水特征曲线的分段性研究,对于工程降水施工以及掌子面加固等有重要的指导意义。     

莫高窟壁画地仗土-水特征曲线的测定与拟合

壁画的病害对壁画的长期保存和日常维护造成了极大的威胁,水带动易溶盐的迁移是导致壁画病害最主要的原因之一。地仗层作为壁画最直接的载体,其土-水特性关乎着壁画病害的形成与发育。为了研究壁画地仗层的土-水特性,根据莫高窟壁画地仗的物质组成制作了模拟地仗,采用压力板法和蒸汽平衡法分别对模拟地仗进行土-水特性试验,获得了全吸力范围的壁画地仗的土-水特征曲线,并用Van Genuchten（VG）模型和Fredlund-Xing（FX）模型对土-水特征曲线进行拟合。试验结果表明：不同组分的模拟地仗试样的土-水特征曲线有所差异,粗泥层与细泥层土-水特征曲线形态上差异并不明显;同等吸力下粗泥层含水率高于细泥层,在高吸力段粗泥层具有突变性释水的特点;对高吸力段地仗试样土-水特征曲线变化趋势的分析表明,在日常维护中莫高窟洞窟内湿度不应高于58%,湿度宜保持稳定,不应有较大波动;综合全吸力段上的试验数据进行拟合可以获得精度较高的壁画地仗的土-水特征拟合曲线。     

非饱和含黏砂土的广义土-水特征曲线试验研究

利用非饱和土4联固结仪和非饱和三轴仪,解决了用压力板仪测试土-水特征曲线无法考虑体变、净竖向压力和净平均应力影响的问题,进行了考虑净竖向压力和净平均应力影响的土-水特征曲线研究,对未考虑净竖向压力或净平均应力的土-水特征曲线同考虑净竖向压力或净平均应力的广义土-水特征曲线的试验结果得出,净竖向压力或净平均应力是影响非饱和土土-水特征曲线的重要因素,试验结果与理论公式稳合较好,并结合非饱和理论和试验结果,拟合了可以反映净竖向压力或净平均应力影响的广义土-水特征曲线公式,与试验结果吻合较好。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

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。