非饱和土双应力变量广义土水特征曲线模型验证

利用基于轴平移技术的Geo-Expert高级型应力相关土-水特征曲线压力板仪研究不同覆土压力(0、40、100、200 k Pa)对南阳膨胀土土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)的影响;并对提出的考虑土体变形及多孔隙分布形态的双应力变量广义SWCC表征方程进行如下试验验证:1)不同覆土压力下微多孔隙分布形态的南阳膨胀土侧限固结试验及脱湿试验SWCC验证;2)零净法向应力状态双孔隙尺度硅藻土双峰SWCC试验验证;3)不同净围压状态下单孔隙尺度韩国残积土SWCC试验验证;4)多应力路径下法国Bapaume黄土,不同初始干密度下日本Edosaki砂土在脱湿-吸湿过程SWCC试验验证;并比较分析新方程与van Genuchten方程及Fredlund等方程的差异性。结果表明:1)覆土压力会显著改变膨胀土结构及孔隙通道,进而改变SWCC边界效应区、过渡区形态;也改变了双重孔隙尺度土壤的进气值;第1个波峰SWCC进气值均在1 k Pa左右;相比于零覆土压力试样,40、100、200 k Pa覆土压力试样第2个波峰SWCC进气值分别高4.74、17.58、67.23 k Pa;2)未考虑净法向应力影响的单应力状态多峰SWCC、考虑侧限双应力状态多峰SWCC、各向同性净法向应力单峰SWCC、不同脱湿-吸湿路径SWCC及不同初始干密度的SWCC试验拟合曲线均表明,双应力广义SWCC具有包容复杂影响因素的能力;3)新方程能够利用至少3个土-水数据即可拟合出具有较高的精度的整条SWCC。研究为定量描述土壤的持水、渗透及强度特性提供参考。     

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的一种新方法

土壤持水曲线是研究土壤水动力学性质必不可少的重要参数。在已经建立的众多数学模型中,vanGenuchten模型以其与实测数据拟合程度好而得到广泛的应用,而运用该模型的关键是如何获得其中的4个参数。仅就我国而言,不少学者投入大量的精力发展了确定van Genuchten模型参数的方法。邵明安等[1~3]基于一维土壤水分运动的Richards方程提出了推求土壤van Genuchten模型和Brooks-Corey模型参数的简单入渗法;王金生等[4]将最小二乘法和非线性单纯形法相结合拟合了van Genuchten模型参数;徐绍辉等[5]也借助最小二乘法并结合Pi-card迭代法拟合了砂…     

砂质黏性紫色土粒组缺失对降低持水特性的影响

紫色土结构松散、具高生产性，但具有较弱的抗侵蚀能力，侵蚀后表现出土壤干密度减小、细颗粒流失严重等现象，影响其持水特性。为探讨紫色土降雨侵蚀后土壤持水特性的变化，该研究选取砂质黏性紫色土在降雨条件下最易变化的3组粒组（>0.250～0.500、>0.075～0.250、0～0.075 mm），开展广义吸力范围内粒组缺失的土-水特征曲线（soil-water characteristic curve，SWCC）试验，分析粒组缺失对砂质黏性紫色土持水特性的影响。结果表明： 1）粒组缺失会降低土体持水特性，在边界效应区和过渡区最为明显，残余区影响较小。缺失粒组质量分数与进气值和残余含水率呈反比；2）使用粒径参数（限制粒径、平均粒径、中值粒径、有效粒径）表征土体级配状况，建立土体级配曲线与SWCC特征值的关系，发现除有效粒径，其余参数均与进气值和残余值呈线性反比关系；3）使用Fredlund-Xing模型对不同方法所得数据进行拟合，发现使用单一试验方法所得数据结果拟合优度较高，但SWCC明显偏离其余试验数据点。提出获得准确的紫色土全吸力SWCC仅需确定吸力最大值，并引入3种评价指标进行验证，拟合结果表明，此方法可有效缩短SWCC试验周期，为SWCC在三峡库区紫色土地区的工程运用提供了可靠的思路。     

层状土持水性室内模拟初步研究

为了探究不同水势下层状土体和均质土体的持水性能,通过设置5个均质土体和4个层状土体(粗夹细、上粗下细、上细下粗和细夹粗),利用高速离心机法比较分析了不同均质和层状土体在不同水吸力下的持水性。结果表明:层状土体的持水能力要高于相同土壤材料配比下均匀混合的均质土,其中粗夹细层状土体的含水量平均增加了0.025 cm~3/cm~3;细质地土壤的数量较土体结构对持水性的影响更大;常见的水分特征曲线模型被用来模拟均质和层状土体,基于各模型的决定系数(R~2)和均方根误差(RMSE),可知van Genuchten模型拟合效果最好;van Genuchten模型拟合参数结果表明,层状土体的滞留含水量和饱和含水量大于相同土壤材料配比下的均质土,而拟合的形状参数α值较均质土则减小。试验表明:相同材料配比下,层状土的保水能力要高于均质土,且粗夹细层状土有更强的持水能力。另外,质地较细土壤含量对土壤持水性的影响要大于土体结构。     

凹凸棒土对土壤水分运动基本参数的影响

通过向土壤中均匀添加不同含量(0,10,20,30,40,50,60g/kg)凹凸棒土(ATP)来研究其对土壤水分运动及土壤水动力学参数的影响。结果表明,随着ATP含量的增大,土壤入渗速率、累积入渗量减小,Philip公式中的吸渗率S和稳渗率A均减小,Kostiakov公式中入渗系数K减小,经验指数β增大;土壤持水性随着ATP含量的增加而增大,van Genuchten公式中滞留含水率θr减小,饱和含水率θs增大,进气值的倒数α增大,形状系数n减小;利用van Genuchten公式中的相关参数对非饱和土壤导水率、非饱和土壤水扩散率及容水度进行计算,结果表明随着ATP含量的增加,非饱和土壤导水率、扩散率及容水度都呈减小的趋势,利用经验公式对非饱和土壤水扩散率进行拟合,其相关性较高。综合分析可知,加入ATP后的土壤有一定的阻渗作用,持水能力增强且土壤中的大孔隙减少,在一定程度上具有改良土壤的作用。     

花岗岩风化土物理特征曲线间的相关性研究

花岗岩风化壳水分及收缩特性的研究是花岗岩土体稳定性评价及侵蚀机理研究的基础。通过Van Genuchten(VG)模型对不同风化程度的花岗岩土壤的颗粒累积分布、土水特征曲线和收缩特征曲线进行拟合,分析曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间的线性及非线性相关关系。结果表明:VG模型可以很好地用于不同风化程度花岗岩风化土的颗粒组成、土水特征与收缩特征的拟合与预测;曲线拟合参数间具有一定的线性相关关系;曲线拟合参数与基本物理性质间具有一定的线性相关关系,其中土水特征曲线参数与土壤质地以及容重线性相关性较高,收缩特征曲线物理参数与基本物理性质间的线性相关性较收缩特征曲线其他参数高。此外,曲线拟合参数间以及这些参数与基本物理性质间具有一定的非线性相关关系,而关系多为二次、三次非线性相关。根据花岗岩风化土颗粒组成状况及其基本物理性质对其水分特征曲线及收缩特征曲线进行预测具有一定的可行性。     

九寨沟黏性土含量对改良碎石土水分特性的影响

[目的] 分析九寨沟2017年"8·8"地震后崩坡积碎石土和当地沉积黏性土不同比例混合体的土壤水分特性,选出适宜研究区植物生长的最佳改良碎石土,为九寨沟地区灾后生态环境修复提供科学依据。[方法] 将九寨沟当地黏性土与九寨沟地区碎石土以不同体积比进行混合,通过土水特征曲线试验、水分常数试验、土柱试验来探究不同比例下土壤水分特性,挑选适宜于植物生长的混合土比例。[结果] ①van Genuchten模型能够很好地拟合改良碎石土的土水特征曲线,土壤进气值随着黏性土比例的增加而增加,参数α在一定程度上能够表征进气值的状态。②改良后的碎石土使吸湿系数、凋萎系数、田间持水量、饱和含水量等都随着黏性土比例的增加而增加。相较于碎石土,添加黏性土的改良碎石土可用水量增大22.26 %~50.00 %,最大有效水量增大70.96 %~131.46 %,更加有利于植物生长。③3种模型对比下,Philip模型对土壤水分入渗模拟效果最好,吸渗率S大小能够在一定程度上代表初始入渗速率的变化趋势。[结论] 综合对比不同比例改良碎石土水分特性可见,当下覆土层为储水层,可选择碎石土与黏性土比例为7:3作为改良碎石土最佳配比;当下覆土层为非储水层,无法储存水分时,可选择碎石土与黏性土比例为3:7作为改良碎石土最佳配比。     

利用瞬态剖面法测定宽级配砾石土水力参数试验研究

土—水特征曲线和渗透函数是土体渗流分析和稳定性研究的重要参数。基于瞬态剖面法原理,加工制作30 cm×30 cm×30 cm(长×宽×高)正方体和30 cm×60 cm(直径×高)的渗透柱,针对宽级配砾石土进行时域反射法标定试验和渗透柱试验。此渗透柱装置可以同时测定不同断面基质吸力和体积含水率变化,试验经进水饱和与排水蒸发阶段,得到宽级配砾石土体积含水率与基质吸力的关系,并根据瞬态剖面法得到非饱和渗透系数随基质吸力的变化关系;同时,采用van Genuchten和Brooks-Corey土—水特征曲线模型和渗透系数函数对其进行分析。结果表明:该渗透柱适用于宽级配砾石土水力参数测定;van Genuchten和Brooks-Corey土—水特征曲线模型都能很好地描述宽级配砾石土土—水特征曲线;Brooks-Corey渗透系数函数在描述宽级配砾石土渗透系数与基质吸力关系要优于van Genuchten渗透系数函数。这种试验方法为宽级配砾石土水力参数的测定提供了参考。     

SWCC测定过程产生的容重变化对SWCC参数的影响

土壤水分特征曲线（SWCC）测定过程本身会引起很大的容重变化。随着容重的增大,土壤的持水特性也发生改变。为了明确这种容重变化对土壤水分特征曲线的影响,本研究以4种原状土壤为例,用离心机法测定了不同定容重下的土壤水分特征曲线,分析了容重变化对Brooks-Corey和van Genuchten模型参数的影响。结果表明：土壤的容重越大,相同吸力下所对应的有效饱和度就越大,水分特征曲线就越平缓。4种土壤的参数A和α均随容重的增大而减小,可用幂函数表示。黑垆土和土娄土的λ、n随容重的增加而增大,可用线性函数描述,有别于黄绵土和红壤。从总体上看,无论扰动与否,土壤水分特征曲线测定过程引起的容重变化对粉质粘壤土和粉质粘土的影响情况一致。与van Genuchten模型相比,Brooks-Corey模型参数与容重具有更强的关系性。本研究有益于土壤水分特征曲线测定过程中容重影响因素的修正。     

利用MATLAB拟合van Genuchten 方程参数的研究

选用MATLAB的lsqcurvefit、nlinfit、lsqnonlin、fminsearch、fminunc、fgoalattain、curvefit、nlintool等8个函数,分别拟合了van Genuchten方程参数,结果表明lsqcurvefit、nlinfit、curvefit和nlintool等4个函数拟合效果较好,具有源代码短、收敛性好等特点,特别是在实测数据较少的情况下,MATLAB的拟合结果甚至优于RETC和REDT。     

滤纸法测定干湿循环下膨胀土基质吸力变化规律

为了获得干湿循环作用下膨胀土基质吸力的变化规律,首先采用人工模拟降雨和蒸发的方法开展了膨胀土室内干湿循环试验,然后利用滤纸法进行了不同含水率下试样的基质吸力测定试验,获得了干湿循环条件下膨胀土的土水特征曲线,求出了相应的进气值与残余值,结合Fredlund土水特征曲线模型对经历不同干湿循环次数下的土壤土水特征曲线进行了拟合,最终建立了考虑干湿循环效应的膨胀土土水特征曲线模型。结果表明:1)随着干湿循环次数的增加,土壤的进气值呈下降趋势,从循环1次时的134.5 k Pa降至循环4次时的58.5 k Pa,降幅达56.5%。从循环1次至2次的进气值下降较大,往后降幅明显减小,趋于基本稳定,这表明对土壤进气值的影响以初次干湿循环为主。2)残余值亦呈下降趋势,从循环1次时的1 040.5降至循环4次时的528.5 k Pa,降幅达49.2%。每经历一次干湿循环,残余值降幅均较大,尚未趋于稳定,这表明干湿循环效应对土壤残余值的影响比对土壤进气值的影响要大。3)新建土水特征曲线模型中的拟合参数与干湿循环次数成较好线性关系,表明随着干湿循环次数的增加,土壤进气值逐渐减小,水分变化速率有所降低,而残余含水率逐渐增加。该成果可为深入研究土壤基质吸力及其工程应用提供参考。     

干湿交替下木纤维重构红壤的水力特性

红壤黏性重，干湿交替容易结块和形成裂隙，通过土-水特征曲线研究重构红壤的持水保水能力具有一定的意义。为探明干湿交替下木纤维重构对红壤水力特性的影响，该研究应用4种添加量（0、0.5%、2.5%和5.0%）的木纤维重构红壤，采用滤纸法测定木纤维复合土的基质吸力，并利用Logistic模型拟合其土-水特征曲线。结果表明，随着木纤维添加量的增加，干湿交替作用对红壤基质吸力降幅和土-水特征曲线的滞后现象逐渐减缓，2.5%木纤维复合土是提高土壤持水能力最优配比；木纤维添加提高红壤进气值和残余值，干湿交替下残余值变化较大，随着干湿交替次数增加而残余值的降幅逐渐较小，2.5%木纤维复合土的斜率受干湿交替影响较小，其持水能力最优，体积含水率变化速率减小；添加木纤维后土-水特征曲线的决定系数均在0.97，说明Logistic模型适用于拟合木纤维重构的红壤土-水特征曲线。研究对于深入研究红壤区的土壤重构、边坡防护和生态恢复等具有重要的理论和工程实践意义。     

紫色土埂坎根-土复合体土水特性与抗剪强度

研究根-土复合体土-水特征曲线与抗剪强度的关系,可为紫色土埂坎根-土复合体强化机理的揭示与埂坎稳定性的维持提供科学依据。选取三峡库区典型紫色土坡耕地埂坎草本植物根—土复合体为研究对象,结合Hyprop2土壤水分特征曲线测量仪、滤纸法与直剪试验,拟合土-水特征曲线,揭示基质吸力对根-土复合体抗剪强度的影响。结果表明:(1)根-土复合体土-水特征曲线明显分为边界效应区、过渡区与非饱和残余区,3种常用模型(B-C、VG、F-X)中F-X模型拟合该曲线效果最好,根-土复合体饱和含水率、进气吸力、残余区含水率以及相同体积含水率下的基质吸力均高于素土。(2)随着体积含水率降低,根-土复合体黏聚力先增大后减小,试验范围内黏聚力最大值51.25 kPa出现在体积含水率约23%时,内摩擦角则线性增大。相同体积含水率下,根-土复合体黏聚力较素土最大增加50%,内摩擦角提升不大。(3)基质吸力对根-土复合体抗剪强度的增强作用具有阶段性特征,各阶段临界吸力值与土-水特征曲线一致,过渡区(基质吸力为3~500 kPa)土体抗剪强度提高明显,进入非饱和残余区后(基质吸力>500 kPa)由于黏聚力下降,土体抗剪强度增速减慢,根-土复合体抗剪强度随基质吸力增大而提升的幅度大于素土。通过建立埂坎根-土复合体土-水特征曲线和抗剪强度的关系,可估测实际工况下的埂坎土体抗剪强度,进而为坡耕地埂坎的建设、维护管理以及坡耕地侵蚀阻控提供理论依据。     

崩岗不同土层土壤水力学特性差异性分析

为研究崩岗不同土层土壤水力学特性的差异性,采用离心法测定不同土层土壤水分特征曲线,筛选出适合的土壤水分特征曲线拟合模型,结合统计模型,推求土壤的当量孔径分布、比水容量、非饱和导水率和扩散率,分析崩岗不同土层土壤水力学参数的变化规律。结果表明,崩岗土层从红土层到砂土层的变化过程中,土壤质地由黏土向砂土变化;Fredlund&Xing模型对崩岗土壤土水特征曲线拟合效果最好;参数θs、α、n随着质地变黏重逐渐减小;随着土层深度的增加,土壤的持水性能降低;土壤比水容量、非饱和导水率和扩散率受土壤质地和基质吸力的共同影响。在低吸力阶段,3个指标随基质吸力变化比较平缓,砂土层土壤比水容量和非饱和导水率最大,扩散率最小;而在高吸力阶段,砂土层土壤的这些指标降低较快,且低于其他土层,各层土壤间导水率和扩散率差异随着基质吸力的增加而增大。     

Einfluss des Porenwasserdruckes auf die Zugfestigkeit von Bodenproben

Effect of pore water pressure on tensile strength Direct tensile testing with measurements of the pore water suction was used to investigate the relationship between tensile strength and suction. The tests were conducted on a till and a clayey soil, both homogenized. A closer view is focused on the relationship between material strain and the development of suction. Beyond, the factor χ of the effective stress equation for unsaturated soils by Bishop (1959), which was calculated by the data of tensile strength and corresponding matric suction is compared to the volumetric χ of the tested soil specimens. It could be shown, that the pore water pressure changes with strain. Therefore, not the initial suction of a soil is relevant for its failure but the actual one that can be measured in the failure zone at the moment of fracture. In addition the application of the volumetric χ in the effective stress equation compared to the χ derived from tensile testing leads to an 1.6 to 2.8 fold overestimation of the contribution of matric suction to soil tensile strength.     

土壤基质吸力与土壤微生物活性关系的研究

研究了土壤微生物活性与土壤基膜吸力的关系，将土壤发泡点，即土壤导气率由0突变为非0时的基质吸力，与微生物的最高呼吸活性相联系，试图证明土壤微生物的最高活性发生于略高于土壤发泡点的基模吸力。对粗沙土、细沙土和砂壤土三种轻质地土壤的测定表明，土壤微生物的最高呼吸活性发生在略高于土壤发泡吸力的基质吸力。土壤基模吸力较小时微生物活性到达最高值的速度较慢，土壤基模吸力在发泡点附近时，微生物活性到达最高值的速度较快。     

The response of Aporrectodea rosea and Aporrectodea trapezoides (Oligochaeta: Lubricidae) to moisture gradients in three soil types in the laboratory

The question of whether the response of earthworms to soil moisture is governed by their reaction to soil wetness (moisture content) or to soil water energy (matric suction) was examined in two species of earthworm using moisture gradients in three contrasting soil types with clay contents varying from 4 to 39%. Gravimetric moisture gradients ranging over 5–30% were established in horizontal cores comprising 12 or 14 sections containing loosely packed soil. Earthworms were introduced to each section at the beginning of each experiment. The earthworms moved from sections containing dry soil into adjacent sections containing moister soil. Clear effects were evident after 6 h but these became more obvious after 96 h. For the earthworm Aporrectodea rosea, the threshold soil mositure level at which earthworms were induced to move away from dry soil was a matric suction of about 300 kPa (pF 3.4) and was independent of soil type. In contrast, for A. trapezoides, the threshold soil moisture varied with soil type (sandy loam 15 kPa, loam 25 kPa, clay 300 kPa). We conclude that, for the earthworm A. rosea, matric suction and not water content of soil provided the cue by which the earthworm recognized dry soil. For A. trapezoides, there was an interaction between matric suction and soil type in which the response of A. trapezoides to soil moisture varied with soil texture and the threshold for avoidance of dry soil ranged from a matric suction of 300 kPa (20% w/w) in clay to 15 kPa (10% w/w) in sandy loam.     

Field instrumentation for real-time measurement of soil-water characteristic curve

Suction measurement has a vital role in unsaturated soil analysis. However, measuring soil suction remains a challenging task due to a number of issues such as the limited range of suction measurement, cavitation, or long equilibrium time. It is even more challenging when the suction measurement is to be carried on the field. Hence, the development of a new suction measurement device which is able to measure high suction range for a long duration without tedious maintenance and yet portable enough for site measurement is required. In this study, a new sensor which is referred to as NTU Osmotic Tensiometer was developed along with the method to correct for decay and temperature. The NTU osmotic tensiometer is based on polymer swelling capacity in order to measure in-situ soil suction in real time for a very long duration. It requires minimum maintenance as the polymer-based sensor is not affected by the cavitation phenomenon. However, correction for decay and temperature is of paramount importance and therefore explained in this paper. Verification of the NTU osmotic tensiometer was carried out by comparing the field measurement results from the NTU osmotic tensiometer and the small tip tensiometer. The performance of the NTU osmotic tensiometer was found to be comparable with that of the small tip tensiometer, but the NTU osmotic tensiometer is able to measure more than 100 kPa soil suction. Therefore, it is possible to obtain the field soil-water characteristic curve by combining the measured in-situ soil suction from the NTU osmotic tensiometer with the measured in-situ water content from the moisture sensor as illustrated in the paper.     

基于微观球体颗粒模型的土水特征曲线研究

When variations occur in the water content or dry bulk density of soil,the contact angle hysteresis will affect the soil-water characteristic curve(SWCC).The occurrence of the contact angle hysteresis can be divided into slipping and pinning.It is difficult to determine the effect of pinning existence on SWCC by tests.In this study,the effect of contact angle hysteresis on SWCC was analyzed either in the case of no variations in soil dry bulk density with changes in soil water content or no variations in soil water content with changes in soil dry bulk density.In both cases,soil particles were simplified to the spherical particle model.Based on the geometrically mechanic relationship between the particles and connecting liquid bridges,a physical model for predicting the SWCC was derived from the spherical particle model.Adjusting parameters made the model applicable to various soils,that is,the cohesive soil was considered as micron-sized spherical particles.Through the simulations on SWCC test data of sand,silt,clay,and swelling soil,it was confirmed that the physical model possessed good reliability and practicability.Finally,the analysis of rationality of contact angle was performed based on the basic assumptions of the model.