电阻率法确定土壤水分特征曲线初探

以取自青岛市郊区的田间土样为研究对象,通过自制的室内土壤电阻率测量装置,测定了土壤的电阻率及对应的含水量,建立了电阻率-含水量关系模型。基于Ku/pF非饱和导水率测量系统测定的土壤水分特征曲线,借助含水量这一中间量,推求出了土壤电阻率-基质吸力关系模型,从而可以根据电阻率计算出对应的土壤基质吸力。耦合土壤电阻率-含水量关系模型与土壤电阻率-基质吸力关系模型,达到了预测土壤水分特征曲线的目的,为电阻率法在区域尺度空间和时间上预测土壤水分特征曲线提供了新的途径。     

湿陷性黄土试坑浸水试验中土压力及含水量变化分析

湿陷性是黄土的重要性质之一,湿陷性黄土遇水发生湿陷变形的过程中,黄土土层的土压力及含水量相应的发生一系列变化。通过湿陷性黄土现场试坑浸水试验,利用布设在试坑内及试坑周围埋设的传感器和张力计等监测仪器,对试验过程中黄土土层的土压力及含水量的变化过程做了信息采集记录,分析了其变化方式及规律。研究结果表明,在试验过程中黄土土层的土压力及基质吸力均呈降低趋势;在黄土湿陷变形过程中,沉降或突降的时间点一般是在土层压力最小或接近最小,含水量达到或接近饱和的时段。     

黄土丘陵沟壑区不同退耕模式的土壤水文性质影响对比

为系统评价黄土丘陵沟壑区在"退耕还林(草)"工程实施后不同退耕模式下的土壤水分涵养功能,选取0-200 cm土层的蓄水量、土壤含水量分层比、土壤水吸力和土壤含水量年际变化率作为土壤层水分蓄存、渗透、保持和稳定性的表征指标,分别对比了不同退耕模式下的土壤水文性质.结果表明:(1)各退耕模式下土壤蓄水量差异显著,撂荒模式的...     

宁南黄土丘陵区不同植被措施的土壤水分特征

 为阐明宁南黄土丘陵区不同植被措施与土壤水分特征之间的关系,应用离心机法及定水头法分别测定土壤的水分特征曲线及土壤饱和导水率,研究该地区植被措施下土壤的水分特征。结果表明:土壤含水量与土壤水吸力之间的关系符合幂函数θ=aSb,且相关水平达极显著。参数a的大小与不同植被有一定的关系,且呈现出有规律的变化,苜蓿>沙棘>天然草>杏树>柠条>农田。土壤饱和导水率天然草与苜蓿最高,农田最低,沙棘、柠条等灌木林地居中。在同一吸力范围内,苜蓿的含水量最高,沙棘次之,天然草、柠条及杏树含水量基本相同,农田最低。在低吸力段土壤平均含水量为苜蓿>沙棘>农田>天然草>杏树>柠条,但除苜蓿及沙棘外,农田、天然草、杏树及柠条差异不大。在中吸力阶段,平均土壤含水量苜蓿>天然草>杏树,且苜蓿相对较高,随着土壤吸力的增大,土壤含水量差异逐渐缩小。凋萎含水量除苜蓿最大,其次为沙棘和天然草,柠条、杏树次之,农田最低。     

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。     

扫描电镜下泾阳南塬马兰黄土的孔隙特征

[目的]研究扫描电镜下黄土微观结构的特征,为分析马兰黄土的孔隙特征提供一种新方法。[方法]利用IPP影像分析软件对扫描电子显微镜获得的泾阳南塬马兰黄土不同放大尺度下的微观影像进行分析,并对马兰黄土中的孔隙进行统计分类。[结果]在不同放大尺度下,微孔隙的孔隙率维持在2%,小孔隙的孔隙率与放大倍数呈线性负相关,相关系数为-0.98,其余孔隙无特定变化规律;在相同放大尺度下,微、小孔隙在马兰黄土中分布均匀,中、大孔隙较为分散。[结论]扫描电子显微镜影像可以方便、迅速地为我们提供黄土孔隙特征分析。     

土壤磷扩散规律及其能量特征的研究──Ⅰ．水分、质地、温度及其相互作用对磷扩散的影响

用＾３２Ｐ示踪扩散池和扩散管法测定了４种不同质地土壤在不同含水量和温度下的磷自扩散系数。结果表明，非饱和土壤磷扩散系数随土壤水分含量增加或土壤水吸力减小而增大，符合幂函 数Ｄａ＝ａＷ＾ｂ＝ａＳ＾－ｂ关系；质地对磷扩散的影响与土壤水分条件密切相关，在同一含水量下，轻质土壤Ｄａ值大于粘质土，Ｄａ与粘粒含量呈显著负相关，而同吸力下与此恰好相反。饱和土壤磷扩散系数比Ｄａ值通常大２－３个数量级，但不同土壤之     

子午岭北部不同植被类型土壤水分特征研究

研究了子午岭北部黄土区次生植被演替过程中形成的不同植被类型对土壤水分特征的影响。结果表明:土壤含水量与土壤吸力之间关系符合幂函数θ=aSb,且相关系数达极显著。参数a值也随着植被类型的不同,呈现出有规律的变化,辽东栎群落>白桦林群落>山杨林群落>狼牙刺群落>虎榛子群落>铁杆蒿群落。在同一吸力段范围内,土壤含水量由高到低的次序为:辽东栎林群落、山杨林群落、白桦林群落、虎榛子群落、狼牙刺群落、白羊草群落、铁杆蒿群落、撂荒地。在低吸力段,不同群落0～20cm土壤平均含水量的差异明显,乔木林土壤的含水量最高,灌木林高于草地土壤,撂荒地土壤最低。在20～50cm土层中,随着土壤吸力的增高,各植被类型之间土壤含水量差异逐渐缩小。在中吸力段,乔木林地0～20cm土壤含水量最高,但草地土壤含水量超过了灌木林地。20～50cm土壤含水量的变化趋势与上层土壤相似。植被类型主要是通过提高土壤有机质含量,改善土壤结构,降低土壤容重和增加土壤毛管孔隙度等土壤物理特性对土壤的蓄水和持水性能产生作用。     

基于土-水特征曲线的植物边坡抗剪强度研究

土-水特征曲线通常用于估计非饱和土壤的抗剪强度,但是由于植物根系的吸水作用和加筋效应,使得植物边坡的抗剪强度不能直接利用基于基质吸力的非饱和土抗剪强度计算公式进行计算。以裸露边坡和植被边坡为研究对象,采用张力计现场测试和室内剪切试验相结合的方法,拟合水土特征曲线关系。结果表明:(1)植物根系的植入有效地提高了边坡土体的进气值,较素土进气吸力值增幅41.10%。在同等含水率条件下,植物边坡基质吸力明显大于素土边坡,提高了边坡土体的持水能力。(2)边坡红黏土基质吸力与含水率的关系符合V-G模型,利用最小二乘法得到模型参数。(3)随着体积含水率的增大,带根土与素土的抗剪强度参数值变化趋势大致相同,均呈现先增大后减小的趋势,但带根土的变化参数大,当含水率21.29%时,带根土黏聚力相较于素土增加了4.86 kPa,增幅18.55%,而内摩擦角对根系存在的敏感程度不如黏聚力。(4)随着土壤基质吸力不断增大,植被边坡与素土边坡的抗剪强度力学参数变化趋势大体相同,当土基质吸力为60～90 kPa土体的黏聚力提高最为明显,但植被边坡由于植物根系的存在,土体内基质吸力对边坡土体的抗剪强度提高幅度更大,黏聚力与内摩擦角最大增长幅度分别为37.34%和40.30%。通过建立土-水特征曲线参数与植物边坡抗剪强度的关系,可计算不同含水率或基质吸力条件下植物边坡的抗剪强度,为进一步分析工程实际中植物边坡的稳定性提供理论依据。     

上海城郊低吸力段土壤持水供水特性的研究

选择上海城郊地带,对不同农业用地类型和不同城市功能区土壤持水供水特征及其影响因素进行了分析,结果表明,由于土壤粉粒和沙粒含量较高,土壤持水供水能力弱。不同农业利用方式下土壤持水能力差异较小,土壤持水特征的变化主要集中在低吸力段(0～30 kPa),反映了土壤通气状况的改变。与农业土壤相比,受人为干扰强烈的城市不同功能区土壤持水能力差异明显。低吸力段土壤总孔隙度、毛管孔隙度、有机质含量与各吸力段土壤含水量之间存在显著相关关系,影响土壤持水性的主要因素是容重、土壤孔隙组成和有机质含量。土壤压实和有机质含量增加是影响城市土壤水分性质的重要因素。幂函数模型能较好地模拟土壤含水量与土壤吸力之间的关系。     

陕西省洛川县第3-4层黄土和古土壤水分特征研究

通过对陕西省洛川县第3—4黄土层和第3—4红色古土壤层的原状土进行水分特征曲线、田间持水量等项目的实验测定,分析计算了各层土壤的供水储水性能及有效水分含量。结果表明,洛川第3—4黄土层和第3—4红色古土壤土层的水分特征曲线与Van Genuchten模型非常符合,相关系数R2均达0.99以上,说明采用Van Genuchten模型对这4个土层的水分含量和能量之间的关系进行描述是比较准确的。0～30kPa吸力条件下,第3—4黄土层比第3—4红色古土壤层持水量高,黄土层的供水(释水)性能和储水性能强于古土壤。这4个土层随着吸力的增加,在较低吸力段供水性能和储水性能减弱幅度较大,在较高吸力段减弱幅度较小。黄土层所能容纳的有效水含量、饱和含水量与田间持水量均大于红色古土壤层,黄土层的稳定凋萎湿度一般小于红色古土壤的稳定凋萎湿度。     

降雨冲刷下黄土堆填边坡土水参数变化规律

黄土区城市工程建设产生了大量黄土堆填边坡,因其结构松散,缺乏必要防护,水土流失严重。该研究基于野外调查,设计室内堆填边坡降雨冲刷模型试验,分析其侵蚀破坏过程中含水率和基质吸力的响应变化规律,结合水土动力学原理,分析了降雨切沟侵蚀阶段沟坡坍塌破坏机理,并揭示了坡度对侵蚀产沙量的影响。结果表明：1）随坡度增大,坡顶含水率饱和速率加快,边坡基质吸力响应速率先增后减,且在40°范围内响应速率最快,在此坡度附近需更加注重坡面防护和坡脚排水。2）切沟侵蚀阶段,沟坡坍塌破坏为水力-重力复合侵蚀过程,且坡度越大,越容易达到临界破裂角,沟坡重力侵蚀现象越普遍。3）黄土堆填边坡在极端降雨条件下,其临界坡度在41°附近。该研究成果可为黄土区工程堆积体的地质灾害防治及水土流失综合治理提供理论支持。     

基于CT技术的原状黄土细观结构动态演化特征

非饱和原状黄土具有典型的结构性,结构性对其强度、变形等特征产生重要影响,但结构性对其屈服特性的影响却鲜有报道。为研究结构性对非饱和原状黄土在各向等压加载过程中的屈服特征影响规律,以非饱和土多功能三轴仪为研究工具,对4个非饱和原状黄土试样进行控制吸力的各向等压加载试验。借助CT(computerized tomography)技术,对变形和排水稳定后黄土试样进行实时动态扫描,将加载过程中的宏观力学指标与细观扫描数据联系,以明晰原状黄土加载过程中的结构演化规律。结果表明:原状黄土屈服前,CT数ME增长缓慢,说明结构性起到了抵御外部荷载的作用;当试样屈服后,ME呈线性增长趋势,试样进入塑性硬化阶段,结构性的作用明显降低。吸力增大时,原状黄土结构性对其力学变形特征影响较小;而吸力减小时,土颗粒之间水膜润滑作用明显,结构性对于抵抗外部荷载的作用增强。施加净平均应力后的原状黄土,其内部的孔洞和孔隙会减小,但不会完全闭合,这与新形成的结构能抵御外部荷载有关。研究结果可为进一步建立原状黄土结构性本构模型提供借鉴。     

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。     

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。     

原状黄土蠕变特性试验研究

以在陕西省杨凌区所采集的黄土样品为研究对象,对不同初始含水率的原状黄土进行了剪切蠕变试验,获取了蠕变曲线和蠕变特征参数,并研究了含水率、剪应力水平对蠕变特性的影响.结果表明,当含水率一定时,剪应力水平对黄土的蠕变特性有较大的影响,表现为剪应力愈大,黄土的蠕变应变愈大;当剪应力水平一定时,含水率对黄土蠕变特性影响明显,表现为含水率愈大,蠕变应变愈大.根据蠕变曲线特征,建立了原状黄土的蠕变本构模型,通过试验数据拟合得到本构模型中的参数.经验证,该模型能较好地模拟杨凌地区原状黄土的蠕变特性.     

不同类型层状土壤持水能力的研究

为了了解不同类型层状土柱持水能力,利用砂土和砂黄土2种土壤,设置3种不同厚度分层土柱(11.25、22.5、45 cm)和2种匀质对照土柱,测定了土柱自初始饱和条件下的排水过程;同时利用匀质土柱测定结果标定2种土壤水力参数,通过Hydrus-1D模型对不同类型层状土柱排水过程进行模拟分析,获得了不同类型层状土柱的田间持水量。结果表明,层状土柱持水能力随着分层厚度的减小而增加,当分层厚度减小到一定程度时土柱持水能力不再随着分层厚度的减小而增加,该临界厚度取决于下层粗质土壤对上层细质土的吸力与上层细质土壤进气吸力之间的相对大小。本试验所用2种土壤分层临界厚度大约在5 cm左右;土柱失水主要来自下层较粗质地土壤,由饱和时的0.385 cm~3/cm~3减小到0.04 cm~3/cm~3。上层细质土壤含水量随着分层厚度的减小而增加。研究结果可为干旱半干旱地区矿区恢复和污染物填埋提供理论指导。     

THE MEASUREMENT OF SOIL-WATER HYSTERETIC RELATIONSHIPS ON A SOIL MONOLITH

Soil water properties of an undisturbed uniform soil monolith were studied under laboratory conditions. Water content, hydraulic conductivity and soil water suction were measured simultaneously on a full cycle starting from saturation, drying to a small water content and then wetting until saturation was reached again. The results showed clearly the hysteretic nature of the relations between water content and suction and between hydraulic conductivity and suction, but not between hydraulic conductivity and water content.     

THE UNIQUENESS OF THE MOISTURE CHARACTERISTICS

Experiments, designed to test the non-uniqueness which has been reported in the relationship between moisture content and suction in porous materials during transient flow conditions, are escribed. When a vertical column of sand was brought to uniform moisture content and uniform suction in a draining condition by percolating a constant flow through it until apparent equilibrium conditions ensued and then placed horizontally at the same time as the flow was stopped, the suction was found to decrease with time over a period of a day, indicating that the sand was now wetting up. This decrease was smaller the drier the sand. However, when the column was left in a vertical position with the water percolating through it for three hours after apparent equilibrium conditions were reached, a small adjustment of moisture content and suction was observed; when it was then placed horizontally as in the previous experiments little decrease of suction was observed. No change in suction was observed in either case if the equilibrium condition was reached in a wetting porous material. These experimental results and those of previous workers are explained by the hypothesis that, during drainage, some water is left in pores from which the air-water interface has already retreated to drain through film flow, more slowly, subsequently to the continuous water body. Additional experiments showed that the release of entrapped air may have a small effect on the uniqueness of the moisture characteristics.