干湿交替下膨胀土裂隙演化与强度衰减规律试验研究

为揭示干湿循环效应下膨胀土胀缩裂隙的演化特征及土体结构强度的劣化规律,对合肥弱膨胀土试样开展不同循环幅度下的干湿循环试验,利用图像处理技术从试样表面裂隙图像中提取出裂隙参数,并进行低应力下的抗剪强度试验。试验结果表明：1）裂隙开展分为裂隙酝酿期、裂隙快速传播期和裂隙平稳发展期3个阶段,裂隙指标的增长主要集中在裂隙快速传播期,且循环幅度的增大会使土体的开裂程度加剧;2）在干湿循环作用下,膨胀土的内摩擦角变化幅度小于2.2°,其受干湿循环次数的影响很小,土体的强度衰减主要源于粘聚力的大幅降低。膨胀土的粘聚力呈现出先快后缓的衰减趋势,其中前4次干湿循环期间粘聚力的衰减率达到50.97%～66.92%,且衰减率也与干湿循环幅度的大小密切相关;3）通过灰色关联度分析发现,粘聚力的衰减与裂隙面积率、裂隙总长度、裂隙平均宽度的变化趋势具有明显的关联性,其中裂隙面积率的关联度最大,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.785～0.832,相应的权重达到0.461～0.472,且裂隙面积率与粘聚力衰减率间具有较好的线性关系,而裂隙平均宽度的关联度最小,其与粘聚力衰减率间的关联度为0.392～0.414,对应的权重仅为0.228～0.240。研究成果可为进一步揭示剧烈温湿变化诱发的膨胀土边坡灾变机理提供重要依据。     

干湿循环下云南非饱和红土土—水特性研究

以云南红土为研究对象,以脱湿、吸湿引起的干湿循环作为控制条件,考虑初始干密度(1.20,1.25,1.30g/cm3)、初始含水率(30.0%,33.0%,36.0%)、预固结压力(0,50,100,200kPa)、过筛粒径(0.5,1.0,2.0mm)等影响因素,通过压力板仪法,研究干湿循环下云南非饱和红土的土—水作用特性。结果表明:干湿循环过程中,不同影响因素下红土的基质吸力随含水率的增大而减小,其土—水特征曲线呈直线型或\"倒J\"形,其脱湿变化过程可以分为快速脱湿、缓慢脱湿、稳定脱湿3个阶段,对应的吸湿变化过程也可以分为快速吸湿、缓慢吸湿、稳定吸湿3个阶段。相同基质吸力下,随初始干密度、初始含水率、预固结压力的增大,红土的含水率增大;随粒径的增大,红土的含水率减小。初始干密度、预固结压力、粒径(0.5mm除外)影响下的红土的土—水特征曲线可采用幂函数关系进行拟合,不同初始含水率、粒径0.5mm时的土—水特征曲线可采用线性函数关系进行拟合。红土脱湿过程的含水率高于吸湿过程的含水率,脱湿—吸湿过程中的土—水特征曲线存在滞后现象,其实质在于干湿循环作用下红土具有孔隙效应、瓶颈效应、角度效应的综合结果。     

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。     

不同干湿条件下中等膨胀土裂隙发展及作用机理分析

为深入研究膨胀土在干湿循环作用下的裂隙发展规律,该研究以宿连航道工程中富含的中等膨胀土为研究对象,按照不同温度、干燥方式、干湿范围进行干湿循环试验,基于图像处理技术并结合SEM扫描电镜微观形貌,定量分析了膨胀土裂隙发展的温度与干湿效应。结果表明:裂隙发展受温度影响显著,从自然风干条件到烘箱干燥50℃,随着温度增加,裂隙指标逐渐增长;高温条件下裂隙的发育模式为先增长后拓宽,裂隙长度更早趋于稳定,而裂隙平均宽度仍会继续增长,并在含水率低于15%后出现0.08～0.17 mm的下降趋势;干湿循环是土体内部结构逐渐劣化,微观损伤不断累积的过程。虽然干湿前期试样的裂隙平均宽度受体缩效应影响,随干湿范围扩大出现部分下降趋势,而裂隙长度彼此接近,但随着干湿次数增加,裂隙指标极大值对应的干湿范围将逐渐由22%～33%向9%～33%转移;各温度、干湿范围作用下,试样裂隙指标的增加主要集中在前5次干湿循环,裂隙率、裂隙长度与平均宽度相较于未经过干湿循环的土体,分别增加了2.63%～11.56%,210.32～445.34 mm,0.39～0.83 mm;单位宽度分形维数相较于整体分形维数简化了干湿范围对于...     

干湿循环条件下重庆地区三种土壤抗剪强度的动态变化

选择广泛分布于重庆丘陵山区的黄壤、钙质紫色土和中性紫色土3种土壤,通过对室内三轴剪切试验,测定含水率和干密度交互作用对土壤抗剪强度指标的影响,在含水率和干密度对土壤抗剪强度影响分析的基础上,3土壤按各自最优含水率和干密度制作干湿循环试验土样,进行干湿循环条件下土壤抗剪强度的动态变化分析。试验结果显示：(1)在相同干密度情况下,3种土壤粘聚力c值随着含水率的增加呈现出先增加后减小的趋势,在相同土壤含水率水平下,土壤粘聚力c值随干密度增大而增大,3种土壤内摩擦角φ值在各干密度条件下均随着含水率增加呈明显减小的趋势。(2)含水率和干密度的交互作用对土壤粘聚力c值有显著影响,粘聚力c值在1.3-1.7g/cm₃干密度范围内随着干密度的增大而增大,且每一个干密度都有一个含水率与之对应,在这样一个交互作用下粘聚力c值达到最大,含水率和干密度的交互作用对内摩擦角φ值影响相对较小,同一干密度下,其φ值差异不大,随干密度的增大缓慢增大。(3)3种土壤的粘聚力c值均随干湿循环次数的增加均呈减小趋势,且前两次循环c值衰减幅度都很大,从第三次干湿循环到第五次干湿循环粘聚力c值衰减幅度很小,趋于稳定。(4)3种土壤在干湿循环后内摩擦角φ值总体呈减小趋势,但不同土壤类型间存在差异,第五次循环结束后,黄壤为24.6?,中性紫色土为22.6?,钙质紫色土为19.3?。     

干湿循环过程中壤质黏土干缩裂缝的开闭规律

为研究干湿循环过程中农田土壤干缩裂缝的开闭规律,在室内试验的基础上,结合数字图像处理技术对壤质黏土干湿循环过程中土壤干缩裂缝网络几何形态特征进行了定量分析。结果表明:干燥过程中土壤含水率随试验时间的变化经历3个阶段。增湿过程中,含水率达到45%时裂缝完全闭合;裂缝面积率、长度密度、面积周长比与连通性指数分别在含水率增加到30%、32%、30%、35%时开始迅速减小。裂缝开裂与闭合是2个不可逆的过程。土壤水分在田间持水率和凋萎系数时裂缝几何参数统计表明,大多数裂缝面积在0~30 mm2之间,长度在0~40 mm之间。从田间持水率干燥到凋萎系数的过程中,裂缝面积与长度的频数分布均显著变化,从凋萎系数增湿到田间持水率的过程中,频数分布几乎没有变化。土壤含水率为凋萎系数时,干燥过程与增湿过程面积、长度的频数分布差异较小,而为田间持水率时差异明显。该成果有助于土壤干缩裂缝开闭机理及裂缝优先流的研究,为基于裂缝网络的精量灌溉制度的制定提供理论基础。     

裂隙膨胀土细观结构演化试验

为研究裂隙膨胀土的细观结构特征,对重塑膨胀土进行了干湿循环、三轴浸水和各向等压加载试验。利用CT(computerized tomography)机对试验过程中进行无损实时动态扫描,从细观上分析膨胀土裂隙的产生以及裂隙在水和外力作用下的闭合全过程。将细观扫描数据与宏观物理参数相联系,研究裂隙对膨胀土变形特征的影响。结果表明:无约束情况下对膨胀土进行干湿循环,试样边缘以及孔洞聚集区易形成裂隙;干湿循环造成膨胀土体积收缩存在一个稳定渐近线,体缩会趋于1个稳定值。裂隙膨胀土在浸水初期产生膨胀力并出现湿胀变形;随着浸水量的增加,软化效应产生且膨胀力逐渐减小,在围压和偏应力压缩作用下继而出现体缩现象;浸水后期,在偏应力作用下试样产生剪胀破坏,再次出现轻微剪胀变形。在水和荷载作用下,不规则裂隙和孔洞逐渐演化为较规则的圆形孔洞,且圆形孔洞趋于闭合;仅在外力作用时,裂隙较难完全闭合;水和外力的共同作用使得膨胀土裂隙的闭合效果要优于单纯施加荷载时的闭合效果。裂隙膨胀土在各向等压加载过程中存在明显屈服现象,以屈服点为分界,扫描数据和孔隙比随荷载的增大分为快速体缩段和缓慢体缩段,前者与裂隙在荷载作用下闭合并演化成孔洞有关;后者与加载后期孔洞较难闭合且形成的新结构具备抵御外部荷载的能力有关。研究成果可为进一步认识裂隙对膨胀土力学特性的影响提供参考。     

煤矸石改良膨胀土特性及其最佳掺量条件下的孔隙结构表征

为减小膨胀土对土木工程设施及农业生态环境的危害,进行掺加煤矸石粉改良膨胀土的试验研究。该文以内蒙古兴和县高庙子乡的膨胀土和煤矸石为研究对象,通过无荷膨胀试验、有荷膨胀试验和收缩试验确定煤矸石粉的最佳掺量,对最佳煤矸石粉掺量的膨胀土进行干湿循环试验,利用直剪试验测定每次干湿循环后试件的抗剪强度指标;通过压汞试验测得孔隙特征值,从微观角度揭示强度变化机理。试验结果表明:煤矸石粉掺量为6%时抑制膨胀土的胀缩性效果最佳;干湿循环作用使素膨胀土黏聚力和内摩擦角均有所衰减,掺入煤矸石粉后强度衰减得到控制;随干湿循环次数的增加孔径逐渐向大孔范围聚集,团粒结构增多,使素膨胀土的抗剪强度指标降低;经过5次干湿循环,掺加煤矸石粉土样的大孔孔隙密度比素膨胀土降低约35%,煤矸石有效阻止膨胀土的强度劣化。     

干湿循环对崩岗土体稳定性的影响

通过对湖北通城花岗岩崩岗区发育典型的各层次土体(淋溶层、淀积层、过渡层、母质层)进行干湿循环试验,分析干湿交替次数对各层次土体裂隙发育、崩解性、抗剪强度的影响。结果表明,在干湿循环影响下,土体产生并逐渐发育裂隙,在第2次循环后,土体产生主要裂隙,裂隙比显著增加,此后循环发育出细小裂隙。4次循环后4个层次土体的裂隙比表现为淀积层淋溶层过渡层母质层。随着干湿循环次数的增加,裂隙发育,各层次土体崩解性不断增强,淋溶层和淀积层崩解缓慢,而过渡层和母质层能够在极短时间内完全崩解;随着干湿循环次数的增加,土体的抗剪强度不断衰减,淋溶层和淀积层衰减幅度减小,过渡层和母质层衰减幅度增大。     

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。     

Verification of freezing point depression method for measuring matric potential of soil water

The matric potential of soil water was determined using the freezing point depression method for a range of soil types. Soil water characteristic curves of these soils were obtained and compared with those obtained by the pressure plate, psychrometer, and vapor pressure methods resulting in excellent agreement between the freezing point depression method and the other methods over the range of -10.0 to -0.1 MPa in matric potential (i.e., temperature range of -8.00 to -0.08°C for freezing point) in all soil types. Over those ranges of matric potentials and temperatures, the effect of temperature-dependence on the freezing point of soils both in terms of specific volume of water and latent heat of water freezing was negligibly small. Freezing point of soils was independent of the bulk density of soils due to the fact that soil water in the range of matric potentials less than -0.1 MPa was affected predominantly by adsorptive forces between water and the soil matrix. The results from this study indicate that the freezing point depression method is a simple and practical technique to determine the soil water content in the vicinity of the wilting point     

基于van Genuchten模型的渭北苹果园土壤水分能量特征分析

针对渭北地区干旱缺水,果树生长发育受限的客观实际,开展了苹果树生育期0～150 cm土壤水吸力动态变化规律研究。依据渭北果园土壤剖面构型,将离心机法与水汽平衡法相结合,按照发生学土层,逐层测定了供试土壤水分特征曲线,并用van Genuchten模型拟合。基于该模型,将在幼龄果园、老龄果园以及农田定期逐层监测的土壤水分含量转化为土壤水吸力,以农田为对照,评价植果条件下土壤水分的胁迫状况。结果表明,van Genuchten模型能很好地拟合渭北果园耕层、农田耕层、黑垆土层及黄土母质层的水分特征曲线,拟合精度均达0.96以上。渭北地区农田受干旱胁迫较严重,3月中旬－7月初,0～100 cm土层均处于水吸力高于3.98的重度胁迫状态;受植被冠层覆盖及果树生育期的影响,干旱对果树的胁迫程度较农田小,对老龄果园胁迫程度比对幼龄果园的大,幼龄果园在3月中旬－5月初、5月底－7月初仅0～20 cm土层为高水吸力区,直至6月中旬－7月中旬高水吸力区才延伸到40～70 cm土层;老龄果园在3月中旬－4月底的0～40 cm土层、5月底－7月中旬的30～100 cm土层和7月中旬－8月底的0～20 cm土层为高水吸力区。可得出,渭北不同园龄苹果园在不同生育期的不同深度土层会间歇性地出现高水吸力的土壤水分胁迫区,但相对于农田而言,果园受到的干旱胁迫相对较轻,渭北地区植果有助于缓解干旱胁迫。     

考虑水盐相变的盐渍土基质吸力的温度效应

基质吸力是引起土体中水分迁移的驱动力,对探究土体中水盐迁移动态具有重要的意义。为研究由温度变化诱发的盐渍土孔隙溶液相变对土体基质吸力的影响,用pF meter测试了不同NaCl和Na₂SO₄比例的盐渍土在不同温度条件下的基质吸力。试验结果表明：在水盐相变发生前,盐渍土基质吸力随温度的降低呈线性增加;而当降温过程中有水盐相变发生时,土体基质吸力随温度的变化趋势会发生明显突变。NaCl和Na₂SO₄对土体水盐相变规律影响不同,使得含不同比例NaCl和Na₂SO₄的复合盐渍土基质吸力呈现较大的区别。2%NaCl+4%Na₂SO₄的盐渍土在19和-9 ℃附近发生盐结晶相变和二次相变,而4%NaCl+2%Na₂SO₄的盐渍土两次相变分别发生在11和-16 ℃附近。水盐相变导致土体液态含水率明显降低,进而引起复合盐渍土基质吸力在两个相变阶段均有明显增加。NaCl抑制土体中液态水发生冰水相变,Na₂SO₄容易在正温结晶,故Na₂SO₄主要影响土体正温时的盐结晶规律,NaCl则主要影响土体在负温条件下的冰晶产生规律;二者比例不同造成土体盐结晶温度和二次相变温度有明显差异,使得复合盐渍土的水盐相变规律更加复杂,其基质吸力随温度的变化更加难以预测。此外,该研究进一步探究了冰、盐结晶量对基质吸力变化的贡献,为深入理解盐渍土的相变过程和基质吸力之间的关系提供了有效参考。     

干湿交替对作物根际特征及铁膜形成的影响研究进展

铁膜普遍存在于水生植物的根系表面,根际周围Fe~(2+)的浓度和根系氧化力决定了根表铁膜的数量。干湿交替是农业生产中常用的灌溉技术。在干湿交替过程中,水分和氧气含量的变化导致根际土壤发生一系列物理、化学和生物学变化,从而对根表铁膜的形成产生影响。本文综述了干湿交替过程对根际特征变化的影响,分析了根表铁膜的形成条件、化学组成与空间结构和根表铁膜的形成过程,并在此基础上探讨了干湿交替对铁膜形成的影响以及干湿交替诱导铁膜形成的可能机制。最后对干湿交替诱导铁膜形成的研究方法与应用前景进行了展望。     

黏粒质量分数对土壤水分蓄持能力影响的模拟试验

通过人工配制不同质地土壤,测定土壤水分特征参数,研究土壤中黏粒质量分数对其水分蓄持能力的定量影响。结果表明：1）黏粒质量分数对土壤水分蓄持能力有较大影响,土壤持水能力随黏粒质量分数增加而递增。2个水分特征曲线模型——Gardner模型及van Genuchten模型中,表征土壤持水能力的参数均随黏粒质量分数增加而增大。2）黏粒质量分数对土壤比水容量有较大影响,试验土壤在任一水吸力水平下的比水容量值均随其黏粒质量分数增大而增大。3）试验土壤饱和含水量、田间持水量分别与黏粒质量分数呈指数、对数正相关,凋萎系数与黏粒质量分数呈指数正相关。4）试验土壤有效水、迟效水含量随黏粒质量分数增加呈先升高后降低趋势,二者与黏粒质量分数均呈抛物线关系,最高点分别出现在黏粒质量分数为35.9%和35.8%处,易效水含量与黏粒质量分数相关性不显著。研究结果可为黄土区土壤水分蓄持机制进一步研究提供一定理论依据。     

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...     

土壤水分-基质势-温度复合传感器研制

土壤水分、基质势是描述土壤持水特性的重要参数,不同类型土壤的水分特征曲线存在明显差异。目前在野外环境下通常采用传感器分离测量法测定土壤水分特征曲线,但因土壤的空间异质性导致较大的测量误差。为此,该研究设计了一种可同步测量土壤水分、基质势和温度的复合传感器,主要组成部分包括32位MCU主控芯片、继电器切换模块、介电水分/基质势测量模块和温度测量模块,主控芯片通过控制继电器切换实现土壤水分、基质势和温度的同步测定,同时进行温度校正。采用森林土壤、农田壤土和砂土对复合传感器进行性能测试、标定和观测试验,并与商业化仪器的测量结果进行对比。结果表明：在干燥至近饱和范围内,复合传感器测定的土壤水分和基质势均具有良好的单调性,决定系数R2均大于0.98,土壤体积含水率和基质势的测量范围分别为0～40%和-1 500～-15 kPa,水分和基质势的响应时间分别为450 ms和150 s。采用商业化仪器分离测量方法与本文复合传感器分别同步测定森林土壤、农田壤土和砂土的水分特征曲线,2种方法测得的土壤水分特征曲线的皮尔逊相关系数均大于0.96。本文研制的复合传感器可以实现不同类型土壤水分特征曲线的准确测定,为农业生产和环境监测等领域提供可靠的技术支持。