不同土壤冻融特征曲线的试验研究

土壤冻融特征曲线是反映冻土强度、冻土的热性质和土壤冻融过程中的水分和盐分迁移规律的重要参数.为了研究不同植物养分对不同土壤冻融过程的影响,采用NMR法对加入5种不同溶质的4种土壤的冻融特征曲线进行了测定与分析.结果表明:混合Ⅱ5%溶液均对这4种土壤的冻融特征曲线影响最明显,Ca(NO₃)₂ 5%溶液次之,再次为加入K₂S0₄和混合Ⅰ5%溶液的,P₂O₅ 5%溶液最小.这主要是由于在负温下不同溶质的溶解度和土壤对不同溶质的固持作用等不同所致.在加入相同溶液的情况下,康平下层土壤的冻融特征曲线明显低于其它3种土壤,而这3种土壤之间未冻水含量高低次序随所加入的溶质不同而不同.各试样的冻融特征曲线均出现了滞后现象.     

养分含量对土壤冻融特征曲线的影响

土壤冻融特征曲线是反映土壤冻融过程中的水、热、盐迁移规律以及冻土强度、冻土的热性质的重要参数. 为了研究土壤冻融过程中土壤养分的迁移规律, 采用核磁共振法对加入不同浓度的硫酸铵溶液、磷酸二氢钾溶液和氯化钾溶液的土样的冻融特征曲线进行了测定和分析. 结果表明磷酸二氢钾溶液对土壤的冻融特征曲线影响不明显, 氯化钾溶液的影响最明显, 硫酸铵溶液的影响次之. 加入氯化钾溶液的部分试样, 以及加入硫酸铵溶液的部分试样的冻融特征曲线出现了二次突变点. 滞后现象普遍存在于各个试样的冻融特征曲线中, 滞后明显区间所处的温度范围随所加入的溶液浓度的增高而降低. 当加入试样的溶液浓度相同时, 加入氯化钾溶液的滞后明显区间所处的温度范围最低, 加入硫酸铵溶液的次之, 加入磷酸二氢钾溶液的最高.     

土体冻融特征研究现状与展望

冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。     

用NMR法验证在冻土中TDR标定曲线的可靠性

TDR技术是一种较新的测定冻土中未冻水含量的方法, 它有很多优点, 但是由于TDR技术应用于冻土中测定未冻水含量起步较晚, 其可靠性有待于进一步验证. NMR技术是一种较成熟的测定冻土中未冻水含量的方法. 通过应用NMR和TDR两种方法对不同初始含水率下的棕壤土冻融特征曲线的测定, 对TDR法的标定曲线的可靠性进行了验证. 结果表明: 采用TDR法与NMR法测得的冻融特征曲线明显不同, 在相同负温下前者的测定值高于后者, 且其差异随初始含水率增高而加大; NMR法的测定结果表明, 初始含水率对冻融特征曲线的影响很小; 而TDR法的测定结果表明, 由TDR法测得的冻融特征曲线, 受初始含水率影响很大, 随初始含水率的升高而明显加大. 这表明含冰率和温度对冻土的介电常数影响很大, 因此, 采用TDR法测定冻土的未冻水含量时不宜采用原有的标定曲线.     

藏北高原D105点土壤冻融状况与温湿特征分析

利用CAMP/Tibet在藏北高原D105点所观测的2002年1月1日-2005年12月31日土壤温度、含水量资料, 分析了该点的土壤温、湿度变化及其冻融特征. 结果表明: D105点40 cm深度以上土壤温度日变化明显, 随着深度增加, 土壤温度日变化相位明显滞后. 各层土壤温度月最高值出现在8-9月, 月最低值都出现在1-2月; 年际气候的差异至少可以反映到185 cm深处的土壤. 土壤冻结和消融都是由表层开始, 土壤随深度增加冻结快, 消融则慢. 冻结期间, 土壤温度分布上部低, 下部高; 消融期间, 则分布相反. 60 cm深度以上的土壤含水量在消融期有显著的波动, 表明60 cm深度以上的土壤与大气之间的水热交换比较频繁. 土壤温度的日变化和平均温度对土壤的冻融过程有较大的影响; 土壤含水量的多少会极大的影响土壤的冻融过程、土壤热量的分布状况以及地表能量的分配. 因此水(湿度)热(温度)相互耦合影响着土壤的冻融过程.     

青藏粉质黏土冻融过程水热特征研究

土体在冻融过程中的水热特征对于冻胀及工程稳定性具有决定性作用。以青藏粉质黏土为例,采用时域反射法（TDR）,测量并分析了不同初始含水率条件下的土样在冻融过程中的水热变化特征,对比了冻融过程中的水热变化及其差异性,采用Anderson等、徐敩祖等和Michalowski提出的以温度为变量的未冻水计算公式,分别计算了不同初始含水率土样在不同温度条件下的未冻水含量。结果表明：冻融过程的土样水分和土样中心温度随时间的变化均可分为三个比较明显的变化阶段,冻结过程和融化过程的变化特征略有不同,除了环境影响和探头自身因素外,我们将其归因于冻融过程的未冻水"滞后效应"。在快速冻融过程中,未冻水含量随温度的变化则表现出渐变的特征。通过对比三种典型未冻水含量的计算方法发现,通过拟合得到的方程计算结果的正确性较高。     

基于BP神经网络的土壤冰结温度及未冰水含量预测模型

土壤冻结温度与未冻水含量是冻土的重要物理参数，影响因素多，关系复杂，利用BP网络模型来描述冻结温度与未冻水含量及其与主要影响因素之间的关系，效果良好，该模型直接根据试验数据通过神经网络的自学习能力寻求输出变量与输入变量间的内在非线性规律，其优点在于可利用一个神经网络同时描述多个因素对冻结温度及未冻水含量的影响。     

冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展

为加深对冻胀机理的了解,首先研究与未冻水迁移密切相关的冻结缘是十分必要的。文章综述了冻结缘的微结构特征和冻结缘的特征参数（包括未冻水含量、导湿系数和冰、水相压力）。然后概述了各类冻预报模型的发展方向,并提出冻结缘和冻胀模型研究领域的工作重点是：继续加强冻胀机理的研究,深入测定冻结缘的特征参数和建立健全冻胀预报模型的综合评价。     

融合地形和土壤特征的流域蓄水容量模型

以van Genuchten模型表述的土壤水分特征曲线为基础,推导出流域单点缺水量,并结合TOPMODEL模型中地形指数与地下水位关系,建立了反映地形和土壤特征共同影响的蓄水容量模型,通过统计方法从栅格尺度蓄水容量获得流域尺度蓄水容量曲线,取代传统新安江模型中率定的蓄水容量曲线。以淮河流域紫罗山子流域为例,分析地形特征与土壤类型对蓄水容量的影响;并与实测流量过程以及原新安江模型模拟的流量过程对比,表明模型能较好地模拟场次洪水过程。模型将蓄水容量曲线显式表述,减少了新安江模型参数,为无资料地区的水文模拟提供了分析方法。     

消退曲线超渗产流模型

考虑土壤蒸发与土壤含水量的非线性关系,建立了土壤蒸发与时间呈反比关系的消退曲线;给合简化的土壤入渗曲线,建立了超渗产流数学模型,并用滁县径流实验站资料对模型进行了验证.     

土壤添加物对土-水曲线和土体收缩的影响

为探索不同添加物(小麦秸秆、麦壳和植物油渣)对土壤持水性能和土壤收缩特性的影响,定量掺混3种粉末,采用离心机法测定土-水曲线,并对土壤持水能力和土壤收缩特征进行评价。结果发现:各处理土-水曲线形态无差异,van Genuchten模型可用于此条件土-水曲线拟合;3种添加物均可提高土壤容重和土壤含水率并利于保水,且土壤持水能力表现为油渣 >麦秆 >麦壳 >纯土;随着土壤脱水,土体以轴向收缩为主,三直线模型可用于土壤收缩曲线拟合,土体线缩率与吸力和含水率分别满足对数和Logistic函数关系;土体几何收缩量表现为麦壳 <油渣 <麦秆 <纯土,土壤开裂程度表现为油渣 <麦秆 <麦壳 <纯土。     

Mathematical attributes of some soil–water characteristic curve models

Numerous mathematical models have been proposed in the research literature to represent soil–water characteristic curve data. A number of proposed mathematical models are summarized and the significance of each of the associated soil parameters is illustrated. The advantages and disadvantages of the various mathematical models are outlined. The derivatives for each of the model equations are presented along with comments regarding the efficiency of the best-fit regression procedures.The models using three soil parameters models proved to be superior for representing the wide range of soil suctions required in solving geotechnical problems. Regression analyses using three soil parameters were shown to be numerically more stable, converging with a reasonable number of iterations.     

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。     

干密度和初始含水率对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响

采用压力板仪详细研究了不同击实条件对非饱和重塑粉土土水特征曲线的影响,并采用van Genuchten模型对实测试样的土水特征曲线进行了拟合。分别取在初始击实含水率相同的条件下,击实干密度不同的试样以及在击实曲线上同一干密度处对应的不同初始击实含水率的试样,对其进行土水特征曲线测试。结果表明:击实干密度越大,空气进气值越高。击实含水率越大,试样可塑性越好,其空气进气值越大。     

密度和干湿循环对黄土土-水特征曲线的影响

土-水特征曲线在非饱和土力学中扮演着重要的角色。影响非饱和土土-水特征曲线的因素很多,如初始密度、干湿循环、荷载等。利用GCTS土-水特征曲线仪,主要测定了不同初始干密度的重塑非饱和黄土试样的减湿土-水特征曲线,选取合理的土-水特征曲线模型进行数据拟合,通过分析模型拟合参数来研究初始干密度对非饱和黄土土-水特征曲线的影响;并对给定初始干密度的试样进行了2次干湿循环试验,测定相应的减-增湿土-水特征曲线,通过对比干湿循环曲线上体积含水率的差异,提出了“滞回度”的概念,初步研究了黄土土-水特征曲线在干湿循环下的滞回特性规律。这些成果将为研究应力作用下的土-水特征曲线模型以及考虑干湿循环的力-水耦合本构模型发挥重要作用     

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.     

氯盐渍土土-水特征曲线的试验研究

采用滤纸法和压力板法测定不同含盐量盐渍土的土-水特征曲线（SWCC）,探讨土中含盐量对盐渍土土-水特征曲线的影响。试验结果表明,粉土中含盐量对基质吸力土-水特征曲线的影响不大。采用滤纸法测得的总吸力与基质吸力之间的差值随着土中盐溶液浓度的增加而增加,且该差值要大于相同浓度纯盐溶液的渗透吸力,其原因是由于土颗粒表面对溶液吸附作用引起的,用滤纸法测得的基质吸力土-水特征曲线处于脱湿曲线和吸湿曲线之间。采用蒸汽平衡法测定Whatman 42号滤纸在高吸力阶段的总吸力的率定曲线,使得高吸力时用滤纸法测定吸力更为精确。     

冻融循环作用对露天矿排土场土料土水特征的影响

为了研究冻融循环条件下排土场土料的非饱和土水特征,选取元宝山露天矿内排土场土料为对象,研究不同体积含水率状态下土料在经历不同冻融循环次数后的基质吸力与宏细观结构的变化规律。结果表明：经历相同冻融循环次数时,基质吸力随含水率的减小而增加,且增加的幅度逐渐增大,土水特征曲线可划分为敏感阶段、亚敏感阶段和不敏感阶段;随着冻融次数的增加,土水特征曲线的曲率呈先增大后趋于稳定的规律,且基质吸力对冻融循环次数增加的敏感程度逐渐降低;冻融循环作用破坏土颗粒的均匀程度,且初次冻融循环影响最为显著;Van-Genuchten模型能较好地预测土料土水的特征曲线。因此,矿山排土过程中应重视冻融循环作用对排土场边坡稳定性的影响。     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。