求取现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法

土体渗透性参数的测定是解决与水有关的岩土工程问题的关键所在。为使现场原状土体饱和渗透系数的测定更为准确,通过一种易于安装和固定的防蒸发型双环入渗仪,研究黄土的入渗规律与特点,试验结果表明:黄土的入渗分区可分为饱和区、湿润区与干土区,其中饱和区的入渗深度约占总入渗深度的1/2,而湿润区土体的饱和度在70%以上,这一特征与Green-Ampt入渗模型的假设较为接近,但在应用基于Green-Ampt模型的规范法（SL237-042-1999）求取黄土的饱和渗透系数时,发现该法会高估黄土的饱和渗透系数。因此,结合Green-Ampt入渗模型与土水特征曲线主要增湿路径的特点,提出了能合理测定现场黄土饱和渗透系数的双环入渗法,对Green-Ampt入渗模型参数加以修正,即直接采用干土区的初始基质吸力水头值,且该值由张力计实测或由主要增湿曲线求得;需采用入渗试验前期的平均入渗率;所对应的湿润锋发展深度需经由水分传感器实测而得。研究结果表明该法能合理估算现场黄土的饱和渗透系数。     

现场试坑浸水试验在湿陷性黄土地区地铁工程中的应用

大厚度湿陷性黄土地基处理是黄土地区地铁建设中所面临的主要技术难题,采用传统的室内试验评价湿陷性的方法具有一定的局限性。本文采用数值模拟方法分析了地铁工程基底湿陷性黄土应力特征,在此基础上,通过现场试坑浸水试验,准确判定了黄土场地湿陷类型及自重湿陷下限深度,研究了大厚度湿陷性黄土场地浸水过程中的自重湿陷变形特征、水分场的时空运移、土压力(竖向及侧向)、侧向位移的变化规律,查明了浸水影响范围及地面裂缝影响范围,确定了自重湿陷的地区土质修正系数β0,为湿陷性黄土地区地铁工程的地基处理提供依据。     

利用原位浸水试验计算非饱和黄土基质吸力方法研究

精确计算非饱和土渗透系数时需要考虑土体的负孔隙水压力水头值,即基质吸力。然而基质吸力的准确测定有一定难度,通常室内试验与现场测定的结果相差较大,影响实际工程应用。提出一种全新的算法,即利用原位浸水试验数据对土体基质吸力进行计算,利用Green-Ampt入渗模型结合浸水坑水面下降速率和水分传感器测定的浸水渗透速率之间的差值计算出地层负孔隙压力水头值。选取黄土–古土壤互层场地开展原位浸水试验,根据试验数据计算出第一层厚度为4 m的黄土的负孔隙压力水头值为233 cm,第二层为厚度2 m的古土壤层的负孔隙压力水头值为124 cm;应用该算法预测出在浸水坑以下8.4m处地层基质吸力消减为零。本研究是对黄土地层基质吸力计算的一种新尝试。     

西安塬区中更新世Q2黄土场地浸水试验研究

通过某大面积试坑浸水试验项目,对西安塬区Q2黄土的自重湿陷性进行了试验研究,分析了Q2黄土场地湿陷的特殊性及其原因,对类似场地湿陷类型的正确判定具有参考价值。     

坡底饱和型黄土滑坡离心模拟试验

黄土极具结构性和水敏性,人类活动及自然因素作用下的水致地质灾害备受关注,其中坡底饱和型黄土边坡极易失稳破坏并造成危害。基于离心模拟手段,采用未扰动原状黄土制作模型,自主设计模型后缘渗水装置,模拟坡底饱和型黄土边坡的失稳过程;通过模型顶部视频监测、侧面粒子图像测速（particle image velocimetry,简称PIV）分析、底部孔隙水压力及土压的联合监测手段,分析其失稳破坏特征,并结合现场滑坡演化特征进行验证对比。主要得出以下结论：加速度达80g时,模型底部饱和,前缘出现滑移、后缘发生塌陷及内部湿陷,呈多元破坏形式;模型侧面位移表现为滑移前的表层张拉变形、底部湿陷变形及后缘塌陷前的顶部沉降变形;模型底部高孔隙水压力区分布于大面积滑移和塌陷区域下方,表征了坡底高水位对破坏的影响及底部水渗流的不均匀性;模型滑移破坏与现场滑坡具相同演化进程：坡底饱和-张拉裂缝-后退式小型滑移-水位抬升-后退式大型滑移。研究成果可为原状黄土的模型试验研究思路及原位滑坡的多元破坏机制研究提供借鉴。     

黑方台浅层黄土渗透特性对比试验研究

位于黄土高原的甘肃黑方台由于常年的农业灌溉导致地下水位抬升诱发了大量黄土滑坡,造成很大损失,研究灌溉水在非饱和黄土中的渗透特性对该地区滑坡的防控具科学指导意义。本论文通过现场双环试验、原状样室内变水头渗透试验、重塑样室内变水头渗透试验,对黑方台黄土的渗透特性进行对比分析,最后通过高密度电法及探井测量进行对比验证。得出以下结论:（1）3类试验方案中非饱和黄土的渗透系数均随着干密度的增大呈线性减小;（2）同一条件下的黄土,双环试验所得渗透系数最大,原状样次之,重塑样最小;干密度越大,3类渗透系数差异性越小;（3）高密度电法验证与双环试验结果最接近,探井验证得出高密度电法在黄土地区的适用性。     

延安新区马兰、离石黄土饱和渗透特性的试验研究

饱和渗透系数是重要的水文地质参数,由于沉积环境的不同,不同地层黄土的饱和渗透性存在明显差异,研究黄土在天然状态下与室内不同压实情况下的渗透特性对揭示挖填混合区域的地下水流场有重要的理论意义。本次研究以延安新区的马兰黄土及上离石黄土为研究对象,通过室内常规渗透试验,测定原状样及不同干密度重塑样的饱和渗透系数,并进行对比研究。结果表明：原状马兰黄土的密实度相对略低,其饱和渗透系数高于原状离石黄土,约为原状离石黄土的2～4倍。重塑马兰黄土与重塑离石黄土的饱和渗透系数差异不大。在击实作用下,重塑黄土的饱和渗透系数明显降低,约为原状黄土的0.38倍。由于生物孔洞等的存在,原状马兰黄土的饱和渗透系数与孔隙度或干密度无显著的单调关系。而原状离石黄土及重塑黄土的饱和渗透系数随孔隙度的增大而增大,随干密度的增大而减小,且重塑黄土的饱和渗透系数与孔隙度和干密度呈半对数关系。     

原状非饱和Q3黄土的土压力原位测试和强度特性研究

为了揭示原状黄土的土压力的分布规律及其在开挖过程和浸水过程中的变化规律,对兰州市一个高18 m的Q3黄土边坡进行了现场试验,量测了边坡的位移、土压力、基质吸力和含水率,观测了该边坡的破坏过程,同时进行了一组控制吸力的原状黄土的非饱和三轴剪切试验。研究结果表明：①原状Q3黄土的表观黏聚力和有效摩擦角与吸力之间均为非线性关系。②原状黄土边坡的土压力随着土坡开挖深度的增加而不断增大。边坡开挖结束后的土压力分布大致呈中间大,两端小的三角形,最大土压力位置在大约坡高的1/3位置处。与朗肯土压力理论计算结果相比,实测黄土边坡的土压力远小于计算值。在浸水条件下,非饱和黄土的边坡土压力增速较大,浸水是边坡产生破坏的直接原因。     

马兰黄土渗气率与饱和渗透系数的关系研究

利用改进的ZC-2015型渗气仪和TST-55型渗透仪进行马兰黄土渗气和饱和渗透试验,确定稳定渗气率对应的稳定渗径,进而探讨渗气率ka和饱和渗透系数Kw的关系。研究结果表明: ka不仅能描述非饱和土孔隙和结构特征,也能用于预测Kw。气体渗气率随着渗径的增大而减小,最终趋于稳定,原状和重塑黄土的稳定渗径均约8 cm。ka和Kw间呈明显的双对数线性关系,不同深度的原状风干黄土和不同粒组的重塑土的lgka和lgKw间的相关性都比较明显,但原状风干黄土和重塑土之间的拟合公式有很大差异。另外,黏粒含量较高时,重塑土拟合直线的斜率β和截距α明显增大。不同含水率下,重塑土拟合公式有很大的差异,当含水率较大时,随着干密度的增大,ka的变化程度比Kw大,拟合直线的斜率β和截距α都有明显的减小。     

"三氮"在黄土非饱和带迁移转化原位试验及数值模拟

通过黄土氮肥淋滤原位试验,对"三氮"(NH4 、NO2-、NO3-)在黄土包气带迁移转化过程进行了深入研究和数值模拟.试验结果表明,硝态氮(NO2-和NO3-)在黄土中迁移性较强,可到达地下水面.由于NO2-的毒性,它在土壤和地下水的累积具有巨大的潜在危险性.因此在研究和模拟"三氮"转化过程中,不能把NO2-仅仅看作是"三氮"转化过程的一个中间过程而忽略它在地下环境中的累积效应.模型识别验证结果表明,"三氮"模拟值与实测值吻合程度较好,可以对"三氮"在包气带中迁移转化和积累过程进行模拟和预测.     

重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

黄土中水分迁移规律现场试验研究

黄土地区降雨诱发滑坡是不争的事实,但黄土地区地下水位很深,降雨入渗地面后如何运移,与地下水有无直接联系,目前还不是很清楚。为此设计了人工滴水试验模拟天然降雨条件,通过在一深度为10 m的探井井壁上埋设土壤水分计,观测人工滴水入渗过程中不同深度土体含水率随时间的变化情况,以确定其入渗影响深度。监测结果显示：降雨量为3.82 mm/d (小雨)时,0.5 m内土体含水率变化明显,0.5 m以下土层含水率几乎没有变化;降雨量为10.31 mm/d(中雨)时,1 m内土体含水率有所增加;降雨量达25.21 mm/d(大雨)时,1 m内土体含水率增长明显,1.0～1.6 m范围内有微弱增长;随着深度增加,土体含水率变化逐渐滞后,增幅逐渐减小。这说明在干旱的黄土地区,若无明显入水通道,短期内降雨的入渗深度有限,很难到达地下水位;但深部古土壤层的观测结果表明,即使在其上部黄土中含水率变化极其微弱的情况下,古土壤中的含水率上升明显,表明黄土中非饱和渗流或水汽迁移是存在的。通过试验还表明,陇东黄土高原地区土壤中水分循环主要发生在浅层0.7 m以内的蒸发带。降雨入渗到蒸发带以内,若无后续降雨补给,则向上蒸发排泄;若入渗至蒸发带以下,则不受蒸发影响,得以继续向下迁移;当遇到不透水面时,会在层面附近富集,有限元模拟也较好地反映了这一规律。     

黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征关系研究

由于沉积环境的差异,古土壤较上覆黄土致密,其饱和渗透系数应低于黄土,但试验结果却显示二者的饱和渗透系数相近。为揭示这一现象的机理,在陕西泾阳南黄土塬开挖33 m的探井,沿井壁按1 m间距取黄土和古土壤原状试样,进行变水头渗透试验,测定试样的饱和渗透系数。同时用压汞试验（mercury intrusion porosimetry, MIP）及扫描电镜（scanning electron microscope, SEM）测试分别获取试样的孔隙分布曲线和微观结构图像,以分析黄土-古土壤饱和渗透性与孔隙分布特征的关系。结果表明：（1）黄土-古土壤地层的饱和渗透系数整体上沿深度方向规律性减小,但相邻黄土和古土壤层的饱和渗透系数无明显差异;（2）MIP及SEM测试结果表明,黄土结构均匀、孔隙大小较为一致,而古土壤具有不均匀的团块-裂隙结构,虽然团块内部较黄土致密,但团块间存在裂隙;（3）饱和渗透系数的大小取决于透水孔隙的体积分数,其中黄土的透水孔隙主要为较大孔隙（孔径>2 μm）,而古土壤的透水孔隙主要为团块间的微裂隙,虽然二者渗透系数相近,但渗透机理完全不同。为研究黄土与古土壤的孔隙分布特性和解决黄土区工程建设中的问题提供了理论依据。     

基于能量桩现场试验的土体综合热导率系数研究

能量桩技术兼具支撑上部荷载和浅层地热能换热器双重功能;作为一种节能减排技术,近年来在国内外获得了一定的发展。然而,目前简单套用基于传统地埋管换热器获得的土体综合热导率系数,无法准确计算能量桩换热效率。依托河南理工大学某低承台3×3能量桩群桩工程应用,开展基于能量桩的土体综合热导率系数测试现场试验和数值模拟研究,分析加热时长、加热功率、流速及桩长等因素对土体综合热导率系数的影响规律,继而探讨能量桩在群桩中的布置形式对土体综合热导率系数的影响规律。研究结果表明,基于传统地源热泵测试所发展起来的土体综合热导率系数线热源分析方法,并不适用于分析基于能量桩现场实测所获得的相关数据;有必要推导一套考虑桩径影响的、适用于能量桩的土体综合热导率系数测试与计算分析方法。     

基于数字图像及数值模拟的裂隙岩体渗透特征

基于真实的岩体剖面图片,通过剪裁、二值化、矢量转化,再导入数值计算软件,建立数值计算模型,进行模型水压力场、渗流速度场分析及渗透系数的计算。分析发现,从水流入口至出口,水压整体呈递减规律;岩石的裂隙中渗流场分布不均匀,渗流活跃的通道主要是左右串通好的裂隙,在不同水流入边界条件下,依据达西定律计算获得的岩体渗透系数存在差异。     

挤密桩处理大厚度自重湿陷性黄土地区综合管廊地基及其工后浸水试验研究

确定了挤密桩处理大厚度自重湿陷性黄土地区综合管廊地基的合理处理范围,揭示了挤密桩处理地基效果随地基处理深度的变化规律,研究了挤密桩复合地基在地基浸水后的入渗规律及沉降特征。在大厚度湿陷性黄土场地进行不同深度的灰(素)土挤密桩地基处理试验及埋设TDR水分计和分层沉降仪的工后浸水试验。研究结果表明,随着地基处理深度的增大,各试验区挤密桩复合地基桩间土挤密效果呈增强趋势;挤密桩复合地基桩间土的干密度增长率随地基处理深度的增大而增大;挤密桩复合地基的抗渗性能随地基处理深度的增大而增强;外界水分在挤密桩复合地基中的入渗规律呈现出明显的阶段性,基本由4个阶段组成;挤密桩复合地基桩间土受水浸湿时的沉降变形,随地基处理深度的增大而减小,且呈现出明显的阶段性,基本由5个阶段组成。根据研究结果,在采取有效的防水措施的情况下建议地基处理深度为9~12m,处理宽度为管廊每边延伸控制在2m,作为大厚度自重湿陷性黄土地区综合管廊的合理地基处理范围。     

靖远地区大厚度黄土地基浸水湿陷过程及土中竖向应力特征试验研究

为了研究靖远大厚度黄土在浸水条件下的水分入渗规律和自重湿陷变形特征,在中兰铁路沿线的靖远北站黄土自重湿陷场地进行了不打注水孔的现场浸水试验,监测并分析了地表及地下湿陷变形、试坑周围裂缝、含水率和土中竖向应力变化情况,对水分扩散规律、自重湿陷特性和土中竖向应力变化规律进行了研究,并对地区修正系数β0值和浸润角进行了探讨。结果表明：体积含水率变化分为浸水稳定（2个）、快速增加（1个）和缓慢增加（1个）共4个阶段;浸水过程中,水分在21m处竖向入渗加快、径向扩散减缓,湿润峰最终形态呈现为椭圆状。根据探井和钻孔含水率测试结果,推算出浸润角最大为41°。该场地黄土自重湿陷过程历经剧烈湿陷、缓慢湿陷和固结稳定3个阶段。试验结束时共计发展了13圈环状裂缝,裂缝最远处距试坑边缘26m。根据室内试验和现场测试结果,建议地区修正系数沿土层深度进行修正,0～10m内β0值取1.05,10～27 m内β0值取0.95。在地表至21 m深度范围内,地基土浸水饱和且湿陷充分,土中竖向应力沿深度呈线性增加,土中竖向应力接近饱和自重应力,21m以下的地基土未能充分湿陷,土中竖向应力逐渐减小。该研究成果可应用于中兰铁路...     

基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析

非饱和土的渗透系数函数测量难度大、耗时长,湿润锋前法(WFM)可在短时间内测得渗透系数函数(HF),但依赖肉眼识别的湿润锋,存在一定的局限性,且该方法的测量精度尚不明确,有待验证。文中针对湿润锋前进法进行研究,探讨初始含水率、湿润锋阀值、降雨入渗速率、传感器位置等因素对湿润锋前进法的测量精度的影响。采用Seep/W软件模拟均质土柱的入渗过程,分析湿润锋前进法数据,计算土体的渗透系数,将其和输入的渗透系数（可认为是真实解）进行比较,对湿润锋前进法的计算精度进行评估,并讨论误差的来源。分析结果表明,湿润锋前进法能够获得比较精确的计算结果;使用湿润锋特征含水率计算湿润锋前进速率,突破了原始湿润锋前进法存在“肉眼观察”的局限性,大大拓展了该方法的适用性;传感器间距对湿润锋前进法渗透系数函数计算精度没有直接影响;初始含水率越低,降雨入渗速率越大,渗透系数函数范围跨度越大。基于文中的分析结果,对湿润锋前进法的试验设计时,建议采用30～50 cm的土柱进行试验,传感器的数量建议为3～4,可以采用任意初始含水率进行试验接近干燥更好,为避免表面积水,建议降雨强度小于饱和渗透系数。     

非饱和黄土土-水特征曲线与渗透系数Childs & Collis-Geroge模型预测

我国黄土厚度大,黄土地区地下水位深,降雨量少,黄土多处于非饱和状态,土-水特征曲线是非饱和黄土应力状态、强度及渗透性研究的基础。以陇东高原马兰黄土为试验对象,采用张力计法测定原状土样的土-水特征曲线,采用三种理论模型对试验数据拟合,其中Gardner模型简单、参数少,但Fredlund & Xing模型拟合效果最好。基于已测得的土-水特征曲线,采用Childs & Collis-Geroge预测非饱和渗透系数的模型,计算得到非饱和黄土渗透系数与基质吸力或含水率的关系,发现黄土从饱和到非饱和,其渗透系数急剧降低,黄土非饱和渗透系数与基质吸力或体积含水率的关系均可用指数函数表示。本文对典型黄土土-水特征曲线的研究及渗透性的预测为黄土工程问题,如降雨入渗的边坡稳定性评价、非饱和地基湿陷变形计算等提供理论基础。     

基于MODFLOW-CFP的岩溶水模型降雨非线性入渗补给研究——以湖南省香花岭地区为例

利用MODFLOW-CFP建立湖南省香花岭渗流-管道流耦合模型,并使用降雨量系数法实现非线性入渗过程,以探讨此方法在模型中的适用性。通过人工试错反演参数,得出6个不同降雨强度区间的降雨量系数;非线性入渗处理后,地下河流量模拟结果的纳什系数提高至0.91。结果表明:降雨量系数法可使该模型更好地模拟地下河流量变化,此方法也适用于一些岩溶小流域的数值模拟工作。