非饱和土双应力变量广义土水特征曲线理论模型构建

土水特征曲线(soil-water characteristic curve,SWCC)方程是非饱和土力学中最重要的土性表征手段之一。该文评价当前经典的SWCC方程,指出其未具有包容复杂因素的能力,具有灵活性的优点但却同时具有对试验数据量依赖性高的缺点,不能处理多孔隙尺度集群土体固-液-气共同运动及作用的水力-力学耦合效应问题。建立双应力变量广义SWCC概念图示并定义相对体积含水比,基于Fredlund双应力变量理论及van Genuchten土-水表征方程,构建考虑土体变形及多孔隙分布形态的双应力状态变量的广义SWCC方程。相较于2个参数的Brooks等的方程、3个参数的van Genuchten方程以及4个参数的Fredlund等的方程,广义SWCC方程仅3个参数,其中2个参数在双对数坐标系的"相对体积含水比-吸力"平面中进行最小二乘法线性拟合得到,仅1个参数需非线性最小二乘法拟合得到。该模型可利用不同应力状态下的至少3个土水试验数据点,绘制出1条具有适宜精度的单峰SWCC;方程考虑了多峰孔隙概率密度函数分布及土体变形因素,实现了从应力历史推广到应力状态的广义情况,为定量描述不同孔隙结构土体双应力状态下的持水特性、渗透特性和强度特性提供了一条途径。     

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。     

关于土壤收缩特征曲线的探讨

简单介绍了土壤收缩特征曲线的基本理论,着重阐述了Groenevelt和Grant提出的收缩特征曲线模型,并对该模型提出改进的思想,以便为土壤胀缩特性的研究提供参考。     

估计太湖地区水稻土水分特征曲线的物理-经验方法研究

为寻求适于太湖地区水稻土水分特征曲线估算的简便方法,本文以实测土壤基本性质和土壤水分特征曲线为基础,对13种物理-经验方法估计土壤水分特征曲线的效果进行综合评价。结果表明,基于形状相似性的物理-经验方法预测效果要优于多数分形方法,但均差于基于Kravchenko-Zhang分维方法和B rooks-Corey水分特征曲线方程的孔隙表面分形模型(简称KZBC模型)。物理-经验方法在不同压力水头段对含水量的预测精度有差异,在实际工作中不仅要考虑模型的适用性,还要考虑其适用的压力水头范围。KZBC模型估计土壤水分特征曲线精度最高,实用性也较强,是适用于本研究区水分特征曲线估计的最佳方法。     

动水头作用下花岗岩风化土的内部侵蚀机理

[目的] 揭示动水头作用下花岗岩风化土侵蚀演化的动态过程,研究动态水力条件对土体内部侵蚀发展的影响,探明颗粒迁移规律与内部侵蚀机理,为深入研究花岗岩边坡的破坏模式与促滑机理提供理论依据。 [方法] 设计竖向土柱渗流装置,开展上升水头与正弦水头条件下花岗岩风化土柱的渗流试验,基于渗流土柱顶面与侧面的试验现象,从渗流速度变化、颗粒流失量变化和渗流前后颗粒级配、质量变化等方面,分析动水头作用下花岗岩风化土内部侵蚀的发育特征。 [结果] ①花岗岩风化土粒径差异较大,在骨架间存在微小孔隙,渗流冲刷作用使得土颗粒通过土体骨架间的孔隙运移流失。在内部侵蚀过程中,细颗粒流失量相对较多,粗颗粒流失量较少。 ②土体内部侵蚀作用是渐进发展的过程,在土体薄弱区域的结构最先产生变形与破坏。试验中渗流泉眼由土柱边界开始发展到土柱中部区域,渗流通道沿着渗流方向自下而上发育,水力条件短时间内发生显著变化会造成渗流通道快速贯通。 ③土体内部侵蚀作用将随渗流时间推进而趋于稳定,但正弦水头将“激活”土颗粒运动,加剧土体的内部侵蚀作用。加大水头变化幅度或减小水头变化周期,能够加剧土体内部侵蚀作用,导致水流运移速度加快以及颗粒迁移流失量增多。 [结论] 水力条件变化对土体内部侵蚀作用存在显著影响,正弦水头更能加剧颗粒迁移流失。     

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...     

花岗岩风化产物中高岭石和埃洛石的粒径分布及其对土壤发生的意义

The kaolins collected from a profile of weathered granite at Yichun County, Jiangxi Province have been subjected to particle size fractionation by the conventional sedimentation method and examined by XRD, SEM and TEM. All of them exhibit a mixture phase of poorly crystallized kaolinites and halloysites (0.7 nm) occurring as the main clay minerals. Electron micrographs reveal that plate kaolinites are the principal constitution in the coarse fraction, and more tubular and curled halloysite (0.7 nm) in the fine fraction. Both of them show normal probability curves in particle size distributions. The ratios of kaolinite and halloysite (0.7 nm) in different size fractions are examined by X-ray diffraction with a series of X-ray patterns characterized by three main peaks at d(001), d(002) and d(020),varying in intensity. Therefore, an index Q_hm expressed as (I_d(001) + I_d(002))/(2×I_d(002)), is designed to indicate relative ratios of the two clay minerals in a number of mixture phases. Because kaolinite and halloysite (0.7 nm) commonly occurred, respectively, in low and medium leaching microenvironment, the index Q_hm, can be used to indicate weathering and pedogenic conditions of a weathering crust.     

两种土壤水分特征曲线间接推求方法对黄土的适应性评价

土壤水分特征曲线(SWCC)是模拟土壤水分运动和溶质运移的一个重要参数,利用十壤的基本物理性质来间接推求SWCC的方法已经成为当今土壤物理学领域的研究热点.为了比较两种SWCC间接推求方法——Arya-Paris物理经验方法(简称AP方法)和Tyler-Wheatcraft分形几何方法(简称TW方法)对黄土的适应性,该文分析了黄土高原296组土壤颗粒分布、容重和水分特征曲线等资料,利用简化的Fredlund(Fred3P)模型模拟得到连续的十壤颗粒分布曲线,然后应用AP和TW方法预测出相应吸力下的土壤含水量.研究结果表明,对于黄十性土壤,AP和TW两种方法的预测结果均达到了一定的精度,相比较而言AP方法的预测效果明显优于TW方法,且受质地影响小.     

基于三维激光扫描技术的花岗岩风化土体侵蚀表面特征研究

选择湖北通城花岗岩发育较典型、质地差异较大的粘壤土和砂质土为研究对象,设计室内试验小区,进行3场人工模拟降雨,利用三维激光扫描技术对土壤表面侵蚀形态的微观变化及过程进行高精度、实时监测,从形态学上探讨了土壤侵蚀过程及分布特征。结果表明:(1)三维激光扫描仪及其配套的软件能准确地测量降雨前后2个坡面的土表微域DEM。结合ArcGIS软件对DEM进一步分析,计算了降雨后土壤侵蚀体积与土壤流失量,且3场人工降雨试验测得的试验误差均低于5%。经过精度验证表明,三维激光扫描仪可应用于坡面产流产沙研究,且测算精度较高;(2)将DEM导入到ArcGIS中进行分析处理,获取了坡面侵蚀后的微地形坡度变化,分析得出高级别的坡度主要分布在坡底,说明坡底以上土体表面遭受侵蚀的面积较少,在坡底部易形成冲沟;一次降雨后粘壤土和砂质土的1,2级的栅格比例分别减少了19.26%和12.39%,说明砂质土在降雨时土壤的侵蚀速度更快。后2场降雨中侵蚀速度趋于稳定;(3)获取了坡面侵蚀后的微地形粗糙度变化,分析得出在第1场降雨中土壤含水率较小时,粘壤土粗糙度的增幅为14.29%,砂质土则为11.32%,粘壤土的增幅高于砂质土;在第2,3场降雨中土壤含水率达到饱和时,砂质土粗糙度的降幅分别为3.39%,4.24%,粘壤土则分别为3.33%,4.17%,砂质土粗糙度的下降速度较大,侵蚀速度大于粘壤土。试验定量研究了土壤侵蚀形态的微观变化,可以为花岗岩区域土壤侵蚀监测提供技术支撑。     

基于分形理论模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线

崩岗是我国南方花岗岩地区特殊的土壤侵蚀现象,给山区经济造成了严重的影响.为了探索南方花岗岩地区崩岗侵蚀剖面的水分特性,明确水分与崩岗发育的关系,本研究采用野外调查采样与室内分析的方法,运用土壤粒径分形理论,并结合Brooks and Corey模型,模拟花岗岩崩岗剖面土壤水分特征曲线.选择通城县花岗岩崩岗剖面5个层次(表土层、红土层、过渡层、砂土层和碎屑层)采集土样,通过对土壤粒径分布和土壤含水量的测定,分析分形维数与土壤粒径之间的关系.同时,应用土壤粒径分形理论,模拟土壤水分特征曲线,基于估算结果与实测结果的比较,探讨分形方法估算土壤水分特征曲线的可行性.结果表明:崩岗剖面土壤黏粒质量分数越大,土壤粒径分维值越大;土壤粒径分维值越大,土壤水分特征曲线的分维值则越大,两者之间线性关系较好;运用分形理论,模拟土壤水分特征曲线的预测值与实测值具有良好的一致性,模拟结果的精度随土层的深度增加而增加,模拟效果以土壤黏粒和粉粒质量分数较少、砂粒质量分数较多的土壤效果较好.研究结果为花岗岩崩岗机理的探索奠定了基础,对崩岗水分的研究具有指导意义.     

安溪县花岗岩崩岗土体水分特征曲线及其影响因素

为研究花岗岩崩岗土体水分特征曲线及其影响因素,以福建省安溪县崩岗崩壁土为对象,通过压力膜仪对土体进行脱湿试验,绘制出崩壁土体水分特征曲线,并进行曲线参数与影响因素的相关分析。结果表明:随崩壁土体垂直深度增加,崩岗土体塑性指数、黏粒含量、分形维数及磨圆度等均整体呈降低的趋势;水分特征曲线斜率随着深度的增加而增大,土壤持水能力减弱,残余含水率及VG模型参数ɑ却随之减小,而参数n却随之增大;残余含水率、参数(ɑ、n)均与容重和颗粒的磨圆度呈极显著相关;残余含水率可用容重和黏粒含量描述,参数ɑ可用容重和形状比率描述、参数n可用容重和塑性指数描述。研究结果可为崩壁非饱和土的强度试验提供参考。     

不同侵蚀强度黑土的土壤水分特征曲线模拟

为研究土壤侵蚀对土壤水分特征曲线的影响,选择轻、中、重3种侵蚀强度黑土的15个样点,通过测定8个土壤水吸力对应的土壤水分,估算了不同侵蚀强度土壤水分特征曲线Brooks-Corey(BC)模型和Van Genuchten(VG)模型参数,并分析其差异性,比较2个模型模拟不同侵蚀强度黑土土壤水分特征曲线的精度。结果表明:轻、中度侵蚀黑土的田间持水量和凋萎湿度无显著差异,重度侵蚀则与其差异显著,随侵蚀加剧,黑土的持水能力明显降低。BC和VG模型共同的参数饱和含水量和滞留含水量参数值相同,且饱和含水量轻、中度侵蚀差异不显著,重度侵蚀与其差异显著。滞留含水量、形状参数λ和n分别接近于0cm~3/cm~3,0.10和1.10。2个模型反映土壤通气性指标的进气吸力hb和尺度参数α表现出一致性,即中度侵蚀黑土通气性最好。修正了VG模型形状参数m和n之间的关系,与原关系式相比中度侵蚀黑土m降低13%,轻度和重度侵蚀黑土分别降低30%和46%,修正后的VG模型更适合遭受不同强度侵蚀黑土的土壤水分特征曲线模拟。     

温度对砂型土壤和石英砂水分特征曲线的影响

为了研究温度变化对土壤和石英砂持水特性差异的影响机理,在离心机试验的基础上结合理论分析,对不同温度下土壤和石英砂水分特征曲线实测数据、低吸力段比水容及Van Genuchten经验模型的拟合参数进行了研究分析。结果表明:温度的变化对土壤水分特征曲线的位置影响显著,对曲线的走势无太大影响;而对于石英砂样本受温度变化的影响并不明显;温度对土壤持水能力的影响很大部分是由土壤中水分的性质和土壤自身性质共同决定的;同时,结合比水容的概念和水分特征曲线的VG模型参数较准确地评价温度变化下两种供试样品的持水性能和水分的有效程度。     

求van Genuchten模型参数的AM-MCMC方法

采用基于自适应采样算法的马尔科夫链蒙特卡罗方法(简称AM-MCMC)来估算描述土壤水分特征曲线的van Genuchten模型的参数,并推求出模型参数的后验分布,从而为模型参数的不确定性分析提供依据。结果表明,对于van Genuchten模型而言,采用AM-MCMC算法能得到模型参数后验均值和方差的分布,并且能推求出模型参数的置信区间,所以用这种算法来求解van Genuchten方程的参数是行之有效的,为求解van Genuchten模型参数提供了一种新的思路。     

鄂东南崩岗剖面土壤水分特征曲线及模拟

崩岗是我国南方花岗岩地区破坏性极强的水土流失类型。以鄂东南地区两个典型的崩岗剖面为对象,探讨崩岗剖面包括表土层、红土层、斑纹层和碎屑层的土壤水分特征及方程拟合过程,明确崩岗发生的水分运动机理。结果表明:崩岗土壤释水量伴随吸力呈规律性变化,其中斑纹层和砂土层低吸力时脱水能力大于表土层和红土层,高吸力时各个层次土壤水分特征曲线趋于平缓。利用当量孔隙的计算发现不同土层的孔隙变化也存在变化规律,均体现为由表土层至碎屑层土壤大孔隙比例增加而毛管孔隙减少。选取van Genuchten方程和Gardner方程对崩岗剖面土壤实测数据进行了曲线拟合,同时进行了两个方程的拟合评价,R2基本在0.9以上,同时残差平方和的数量级在10-3和10-5之间。研究表明,van Genuchten方程参数能够较好地拟合崩岗表土层和红土层土壤水分特征曲线的实测数据,误差相对较小,而Gardner方程适用于斑纹层和碎屑层土壤。     

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。     

基于Van Genuchten模型的等高反坡阶下土壤水分特征

为了阐明等高反坡阶处理对土壤持水性的改善作用,选取滇中昆明市北郊松华坝迤者小流域为研究区,研究等高反坡阶对坡耕地0—100 cm土层土壤水分特征曲线的影响,使用vanFit软件拟合获得Van Genuchten模型参数,阐明各土层土壤持水性及其与影响因子的关系。结果表明:（1）等高反坡阶对坡上部影响不显著（p>0.05）,对坡中部影响显著（p<0.05）,对坡下部影响极显著（p<0.01）;（2）与土壤水分特征曲线参数的关系中,容重和砂粒含量呈负相关,总孔隙度、毛管孔隙度和粉粒含量呈正相关;（3）模型拟合土壤水分特征曲线的决定系数R²均高于0.85,可靠性较高;原状坡耕地（1.719 6）和等高反坡阶处理坡耕地（1.773 5）的n值均在10—20 cm土层最大,土壤在10—20 cm土层的土壤含水率变化较大,等高反坡阶处理坡耕地的土壤含水率变化大于原状坡耕地;（4）原状坡耕地和等高反坡阶处理坡耕地均在10—20 cm土层供水性好,等高反坡阶处理坡耕地在40—60 cm土层持水能力强,而原状坡耕地在20—40 cm土层持水能力强。综上,等高反坡阶处理对坡耕地土壤的保水性能具有明显的提高作用,对坡耕地地表径流拦蓄、增加水分入渗和减少土壤流失起到了明显的改善作用。     

土壤持水曲线van Genuchten模型求参的Matlab实现

土壤持水曲线是研究土壤水力学性质必不可少的 ,在已经建立的众多数学模型中 ,vanGenuchten模型是目前运用最广泛的模型 ,而运用该模型的关键是其 4个参数的求解。为此 ,本文对同一组东北褐土的土壤水吸力和对应的土壤含水量数据较详细地介绍了Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数的运用 ,得出了该土壤vanGenuchten模型的 4个参数值 ,分别建立了该土壤的vanGenuchten模型 ,并利用Mat lab强大的绘图功能对它们进行了直观比较。最后运用方差分析和残差分析对该模型的计算值与实测数据进行了分析 ,结果表明 :非线性拟合和非线性回归函数求参结果的显著水平均达到p<0 0 0 0 1,残差平方和均小于 0 0 0 0 5 ,其中非线性回归函数的求参结果较非线性拟合好。因此 ,运用Matlab软件的非线性拟合和非线性回归函数对土壤持水曲线的vanGenuchten模型进行求参是切实可行的 ,从而为土壤学工作者寻求出了一条运用数值计算方法的新途径。