干湿循环作用下云南红土裂缝发展研究

以干湿循环为控制条件,考虑初始干密度、增湿次数和脱湿次数等影响因素,采用室内试验和图像处理相结合的方法,研究云南红土裂缝的产生及其发展演化。控制初始干密度为1.20,1.30,1.40,1.50g/cm~3,通过增湿、脱湿的干湿循环及膨胀率等试验方法,观察红土样裂缝的变化,并应用Matlab图像处理技术提取红土样的裂缝特征参数。结果表明:干湿循环作用下,初始干密度越大,红土样越容易开裂,干密度较小时(1.20g/cm~3)土样始终不开裂,随干密度增大(1.30,1.40g/cm~3),红土样在第3次增湿中开裂,干密度达1.50g/cm~3时,红土样在第2次增湿中开裂,增湿过程对红土样裂缝发展的影响显著大于脱湿过程的影响;红土样的膨胀率随浸泡时间延长逐渐增大,干密度为1.20,1.30,1.40g/cm~3时约8min膨胀基本稳定,干密度为1.50g/cm~3时约36min膨胀趋于稳定;对应红土样的裂缝条数、长度、面积和宽度等特征参数随增湿次数、脱湿次数增大而增大;随干密度增大,红土样的裂缝条数、长度与面积增大,裂缝宽度在干密度约1.30g/cm~3处存在峰值。干湿循环作用引起云南红土开裂的关键因素在于增湿过程中红土样的不均匀膨胀,红土裂缝属于膨胀裂缝,其发展过程包括裂缝孕育期(0~2次)、裂缝形成发展期(2~6次)和裂缝稳定期(6~8次)3个阶段,这3个阶段综合作用的结果,最终影响了红土裂缝的发展演化趋势。     

云南红土的循环胀缩特性研究

以云南红土为研究对象,考虑干湿循环时间、干湿循环次数、初始干密度等影响因素,通过膨胀、收缩试验与图像处理相结合的方法,研究不同影响因素对云南红土胀缩特性的影响。结果表明:干湿循环过程中,红土的膨胀过程可以分为快速膨胀、缓慢膨胀和稳定膨胀3个阶段,收缩过程可以分为缓慢收缩、快速收缩和稳定收缩3个阶段。随增湿时间延长,红土的竖向膨胀率、含水率、孔隙率等膨胀参数呈厂形增大变化;随脱湿时间延长,竖向收缩率、横向收缩率、体积收缩率等收缩参数呈S形增大变化,含水率、孔隙率逐渐减小。随增湿次数增加,稳定竖向膨胀率、横向膨胀率、体积膨胀率呈先急剧增大后缓慢减小的变化;随脱湿次数增加,稳定竖向收缩率、横向收缩率、体积收缩率呈先增大后缓慢波动变化。随初始干密度增大,稳定竖向膨胀率、竖向收缩率、体积膨胀率增大,横向膨胀率、横向收缩率、体积收缩率呈减小变化。竖向膨胀大于竖向收缩,体积膨胀大于体积收缩,横向收缩大于竖向收缩。     

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。     

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。     

躺滴法测量干湿循环条件下土壤固-液接触角的滞后特性

接触角滞后是使土壤的土水特征曲线产生滞后现象的主要因素之一,而土水特征曲线的滞后特性是土壤干湿循环的显著特征。该文采用混合制样法制备不同接触角的土样,通过躺滴法对干湿循环过程中土体的固-液接触角随时间的变化关系进行测量,结果表明:随着土样表面固滴的蒸发,其固-液接触角是不断减小的,且初始接触角越大,固滴完全蒸发所用的时间越长,黏土接触角随时间变化关系曲线呈线性,而砂土的则表现出一定的非线性。不论土体的初始接触角多大,临近固滴蒸发结束,接触角都会变为0,且整个蒸发过程中固-液-气三相接触线不发生移动,固-液接触面积保持不变。试验结果证实了土壤脱湿过程把固-液接触角假设为0是合理的,并且可以断定接触角滞后特性也可能是非饱和土土水特征曲线在反复干湿循环下滞回圈不断减小的原因之一。     

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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

人工降雨条件下云南红土坡面土壤侵蚀特性

[目的]揭示降雨强度、坡度和坡长与云南红土坡面土壤侵蚀之间的关系,为云南红土地区土壤侵蚀的防治提供依据。[方法]采用室内人工模拟降雨试验及理论分析相结合的方法。[结果](1)红土坡面侵蚀模数与降雨强度、坡度和坡长的相关关系显著(R20.95)。(2)在相同坡度、坡长条件下,红土坡面侵蚀模数与降雨强度呈幂函数关系;(3)在相同降雨强度、坡长条件下,红土坡面侵蚀模数与坡度呈二次多项式关系;(4)在相同降雨强度、坡度条件下,红土坡面侵蚀模数与坡长呈二次多项式关系。[结论]云南红土坡面侵蚀模数随降雨强度的增大而增大;当坡度小于临界坡度21.4°时,坡面侵蚀模数随坡度的增大而增大,当坡度大于临界坡度21.4°时,坡面侵蚀模数随坡度的增大而减小;坡面侵蚀模数随坡长的增大而增大。     

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...     

降雨作用下云南省红土抗剪强度与坡面侵蚀模数的关系

[目的]揭示降雨作用下云南省红土的含水率、干密度、抗剪强度、坡面侵蚀模数之间的关系,为进一步研究云南省红土的侵蚀机理提供理论依据。[方法]运用人工模拟降雨及土槽模型试验、土工试验及相关理论分析相结合的研究方法。[结果](1)研究区红土黏聚力随含水率的变化呈二次曲线关系,且在最优含水率附近存在极大值。红土内摩擦角随含水率的变化接近于线性关系,且随含水率的增大而减小。当干密度为1.0,1.1,1.2,1.3,1.4g/cm3时,黏聚力与含水率的相关系数R2最小为0.754,最大为0.934;内摩擦角与含水率的相关系数R2最小为0.944,最大为0.996。(2)红土黏聚力和内摩擦角随干密度的变化接近于线性关系;当含水率一定时,二者随干密度增大呈增加的趋势。(3)在试验含水率条件下,红土抗剪强度随含水率的增加而减小,当含水率超过最优含水率后减小的幅度尤为明显;抗剪强度随干密度的增加而增大。(4)降雨结束后,不同干密度的红土坡面侵蚀模数与红土抗剪强度呈二次曲线关系,相关系数R2达0.988。[结论]坡面红土雨后抗剪强度与坡面侵蚀模数之间存在较好的相关关系,可用坡面红土的雨后抗剪强度估算坡面侵蚀量。     

干湿循环下崩岗土体裂隙发育对其渗透性能的影响

渗透是崩壁降雨重分布的关键且直接影响其重力侵蚀过程。试验设计6次干湿循环,通过进行崩壁4层土壤的饱和渗透试验并结合数字图像处理技术,研究了干湿循环效应下崩壁4层土的裂隙演化规律及其对各层土饱和渗透性能的影响。结果表明:(1)随干湿循环次数的增加,表土层和红土层裂隙发育明显,裂隙率逐渐增加后趋于稳定,过渡层和砂土层几乎没有产生裂隙;表土层在第3次循环后裂隙几乎发育完全,裂隙率达到3.50%,形态纤细且破碎,而红土层在第1次循环后裂隙骨架基本定型,随着干湿循环的进行,裂隙宽度不断增大至一定程度时不再发生变化;(2)4层土壤渗透系数大小为砂土层>过渡层>红土层>表土层,表土层和红土层渗透系数随干湿循环的进行逐渐增加后趋于稳定,过渡层一直比较稳定,砂土层逐渐减小后趋于稳定;(3)土壤裂隙率与渗透系数之间存在二次函数关系,裂隙发育对土壤渗透性能的影响先增大后减小。研究结果可为降雨入渗-重分布下崩壁失稳机理研究提供科学依据。     

采煤沉陷区包气带土壤水力参数测定及特征分析

为研究矿山采煤沉陷中的裂隙对包气带土壤水力参数影响,通过对淮南潘一煤矿沉陷区包气带土壤颗粒组成、水分特征曲线(SWCCs)和非饱和导水率曲线(UHCCs)测试分析,并与非沉陷区进行对比分析讨论。结果表明:处于稳沉阶段的沉陷区,其裂隙对包气带土壤水力参数产生影响表现为沉陷作用降低了包气带SWCCs斜率,且地表深部隐伏裂隙减小了SWCCs中的进气值,导致沉陷区包气带土壤释水能力增大;UHCCs测定分析表明,在相同基质势作用下,沉陷区土壤UHCCs明显低于对照组,由于沉陷产生的裂隙中的水最先被排空,形成不导水的空隙,导致非饱和导水率下降。研究结果为沉陷区水分运移试验研究提供一定理论与指导。     

自然降雨条件下氮素输入对滇中坡耕地氮素流失特征的影响

采用野外田间试验和定点监测的方法,通过研究滇中坡耕地地表径流中氮素流失方式、途径反映其流失特征。结果表明,产流量与降雨量相关系数达到0.8641(P0.05),而土壤侵蚀量与降雨量没有表现出很好的相关关系。在相同降雨条件下,径流总氮、硝态氮、铵态氮浓度总体均表现为随着施氮量的增加,浓度逐渐增加,即CKN1N2N3N4N5;降雨条件不同,3者最高值达到5.57,4.36,1.30mg/L。硝态氮在自然降雨条件下,占总氮浓度的21.62%～83.55%,铵态氮占1.02%～38.58%,硝态氮是氮素流失的主要形式。降雨径流的产生均伴随着土壤侵蚀,泥沙中总氮流失量也呈不规则波动。各处理全氮富集率在1.02～1.58之间变化。降雨强度最大时,富集率总体趋势最大,达到1.23～1.53。在相同降雨条件下,随着施肥量的增加,全氮富集率差异不明显,且随着时间的的推移逐渐降低。     

基于干燥指数的近45年云南滇中地区干湿状况的变化特征

基于1970—2014年云南省滇中地区9个气象站点的气象数据,以Penman-Monteith公式为基础计算干燥指数,结合M-K检验法和5 a滑动平均法,分析了滇中地区干湿状况的时空变化规律。结果表明:（1）滇中地区实际蒸散量与潜在蒸散量呈显著正相关关系,说明Penman-Monteith公式计算的潜在蒸散量适合滇中地区;（2）滇中地区干燥指数多年平均值为1.55,属于半干旱区,近45年干燥指数整体呈上升趋势,上升幅度约为0.063/10 a,春季干燥指数呈减小趋势,减小幅度约为0.025/10 a,夏季、秋季和冬季均干燥指数呈上升趋势,其中秋季呈现显著上升趋势,上升幅度依次为0.024/10 a,0.111/10 a,0.476/10 a,M-K检验结果表明干燥指数发生突变的时间主要集中在20世纪70年代中前期和2009年左右;（3）滇中干燥指数受降水影响最为显著,整体上呈中间高,东西低的分布特征,冬季最干,春季较秋季干,夏季最湿;（4）在年尺度上变干趋势由中西部向东部越来越明显,春季变湿趋势由东部向中西部越来越明显,夏季变干趋势由中间向东西部越来越明显,秋季变干趋势由西北向东南越来越明显,冬季变润区主要分布在中部、东北部和东南部,变干区主要分布在西北部。