黄土水分场光纤原位监测及非饱和渗透系数估算

土壤含水率和渗透系数的原位测定是研究黄土高原地区各类地质灾害机理的重点和难点。应用基于AHFO的含水率测量方法,对降雨条件下黄土地基的水分场动态分布进行原位监测;以含水率监测结果和土水特征曲线为基础改进传统瞬态剖面法,估算蒸发条件下黄土的非饱和渗透系数。结果表明:①土壤中的水分运移受重力、吸力梯度和大气蒸发力的综合控制;降雨后黄土中的水分循环主要发生在浅层,降雨量较大时,土壤剖面呈现出干湿交替的现象;降雨量较小时,水分入渗到一定深度即向上部运移排泄;②改进的瞬态剖面法可以避免含水率分布函数和吸力未知所带来的计算误差,实现蒸发作用下黄土的非饱和渗透系数估算;③非饱和渗透系数计算值与平均含水率成正相关关系,但离散性较大,其误差主要来源于土壤性质的空间变异性和蒸发作用的滞后性;④该研究成果为降雨入渗模型的建立提供了精确的含水率和渗透系数,可广泛应用于黄土高原地区的原位试验研究。     

非饱和高液限红粘土土-水特征试验研究

基于滤纸法的测试原理,制作了一种新型基质吸力量测装置,用以研究干密度和温度对高液限红粘土土-水特征曲线的影响。结果表明:土中体积含水率越低,土的干密度越大,基质吸力随时间波动的幅度越大,达到平衡所需的时间越长。在测定该类土的基质吸力时,平衡时间以10d为宜。干密度和温度对高液限红粘土的土-水特征曲线有明显的影响,相同体积含水率条件下,干密度增大,温度升高,基质吸力减小。土的体积含水率与基质吸力的对数之间呈线性关系。     

下蜀土导热系数与电阻率和剪切波速关系模型试验研究

针对导热系数现场难以快速、准确测试的问题,以下蜀土为研究对象,建立了依据电阻率和剪切波速估算导热系数的关系模型。分别采用HC-110热导测试仪、四极法和弯曲元测试系统对20℃、含水率为10%～21%、干密度为1.5～1.8 g/cm3下蜀土的导热系数、电阻率和剪切波速进行了测试,得到了三者与含水率和干密度之间函数关系,建立了导热系数与电阻率和剪切波速的关系模型,经检验,该关系模型拟合度高,为工程实践中利用电阻率和剪切波速快速确定土体导热系数提供了新的方法。     

一种准分布式内加热刚玉管FBG渗流速率监测方法

岩土体中的渗流是引发各种地质灾害的重要因素。针对现有渗流监测技术的不足,提出了一种基于光纤布拉格光栅FBG的准分布式内加热刚玉管FBG渗流监测方法;介绍了该方法的原理;发明了一种新型内加热刚玉管渗流传感器;推导出了温度特征值与渗流速率之间的关系,并通过砂性土室内模型试验对此关系进行了率定。试验结果表明:(1)本方法对砂性土中渗流速率进行监测是可行的;(2)利用刚玉管封装的新型传感器具有很好的监测性能;(3)在给定加热功率条件下,一定渗流速率范围内,温度特征值与渗流速率间存在线性关系,渗流速率越大,温度特征值越小;(4)一定加热功率条件下的渗流速率监测存在相应的测试量程,提高给定加热功率可提高监测量程。     

全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系分析∗

降雨是滑坡诱发的主要因素,当前我国防灾工作理念从注重灾后救助向注重灾前预防转变、从减少灾害损失向减轻灾害风险转变,因此明晰降雨诱发机理并建立合理的预警机制,对做好地质灾害防灾减灾工作至关重要。针对降雨型全风化花岗岩滑坡稳定性问题,以青岛崂山风景区全风化花岗岩返岭滑坡为实例,进行了不同含水率原状土剪切试验与大型物理相似模型试验。揭示了边坡的降雨响应规律,探究了全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨关系,并拟合相关量化公式。同时采用ABAQUS 建立边坡流固耦合三维数值模型,基于强度折减法验证了公式的合理性。研究结果表明：（1）降雨型全风化花岗岩滑坡的破坏模式分为浸润侵蚀→表层变形→破坏加深→整体失稳4个阶段,变形期间坡体存在“ 鼓状凸起”与“片状溜滑”现象,最终发生推移式破坏;（2）边坡对降雨入渗的响应规律在水平及竖向空间上存在差异,降雨强度越大,含水率与孔压增速越大;（3）基于试验结果推导了滑坡含水率、安全系数与降雨强度、降雨持时之间的影响关系公式,数值模拟验证误差率较小,能够较好的描述全风化花岗岩滑坡稳定性与降雨之间的定量关系。研究结果为类似强~全风化花岗岩地区滑坡的预警与防治提供参考。     

冷空气在北上台风“利奇马”致灾暴雨中的作用分析

利用NCEP逐6 h再分析资料、地面加密观测、探空、雷达资料,分析得出“利奇马”致灾暴雨是在长时间稳定维持的天气尺度环流背景下形成的。冷空气在降水所起的作用表现在:(1)长时间维持的弱冷空气与偏南暖湿气流交汇形成了边界层辐合线,辐射升温和暖湿气流的输送加大了辐合线两侧的温度和露点梯度,在高温高湿的有利环境下,对流在辐合线附近强烈发展。(2)高空槽后冷空气由“利奇马”环流西北侧渗入,先后形成3个冷平流中心,分别对应3个阶段的降水。(3)冷暖空气在降水区的持续辐合抬升作用增强了降水,最强降水时段发生在锋区垂直方向坡度最大的时段。(4)水平锋生有利于水汽输送和辐合抬升,垂直锋生有利于对流不稳定能量的累积和触发。冷空气形成的水平辐合和抬升造成大范围上升运动,使得锋生和垂直锋消同时存在,最强降水时段发生在水平锋生最强的时段。     

基于DTS技术的多层土有效导热系数测量方法

岩土体的导热系数是开发和利用地热能的重要参数。通过室内热响应模型试验,采用分布式温度传感技术(Distributed Temperature Sensing,DTS),连续测得多层土模型饱和状态下4种常见土在试验中的有效导热系数分布和大小,分析了渗流对土有效导热系数的影响,并利用GeoStudio有限元软件对不同类型土的有效导热系数进行了模拟计算。试验和数值计算结果均表明:4种饱和土中有渗流的砂土的有效导热系数最大,无渗流砂土次之,粉土小于无渗流砂土,粘土小于粉土,有机质土的最小;渗流对砂土有效导热系数的结果影响显著,使有效导热系数增大了6倍。本试验采用DTS测试土的有效导热系数的方法可用于现场试验,所得结论为地热能开发和地源热泵设计提供了重要依据。     

石灰改良土的土水特征曲线及其冻结特征曲线∗

土水特征曲线反映了非饱和土的持水特性，与土体的水力特性及力学特性密切相关。土的冻结特征曲线表示土体中液态水的势能与含水率之间的关系，也可以用来描述土体的持水特性。以黄土为研究对象，利用低温恒温冷浴结合核磁共振系统(NMR)测得未处理黄土以及石灰改良土的冻结特征曲线，根据冻结温度降低法计算得出试验土样0 ℃时对应的土水特征曲线。另外，采用滤纸法在0 ℃附近得到实测的土水特征曲线，将这两结果进行对比分析，并讨论了抽真空饱和过程对土样的土水特征曲线的影响。通过滤纸法测得的土水特征曲线与非饱和土样的冻结特征曲线具有较好的一致性，两者之间存在差异很小。土样在饱和状态下利用冻结温度降低法得到的孔隙水总势能ψ与质量含水率ω关系曲线位于非饱和土样结果的下方，这可能是因为饱和土样在冻结过程中会发生冻胀现象，土样结构被破坏，孔隙增大，土样持水性能下降。     

不同含水率状态下黏性土-混凝土界面剪切特性室内试验研究

利用青岛理工大学自行研制的恒刚度直剪仪,完成了18%、20%、25%、28%共4组不同含水率黏性土与混凝土大型直剪试验,重点对不同含水率和法向应力下剪应力—剪切位移关系曲线进行分析,探讨了含水率的变化对黏性土与混凝土界面力学特性的影响规律。试验结果表明:黏性土与混凝土界面的剪应力—剪切位移关系曲线受到含水率变化的影响。当含水率较高时,界面剪应力达到峰值后剪切变形表现为典型的弹塑性变形;当含水率较低时,界面剪应力—剪切位移关系曲线呈现出折线型关系。界面抗剪强度随含水率的增大而减小,但抗剪强度与法向应力始终保持线性关系,黏聚力受临界含水率25%左右的影响,小于临界含水率时,黏聚力随含水率的增大而增大,大于临界含水率后,黏聚力随含水率的增大而减小;摩擦系数受含水率的影响较小,变化幅度仅为5.5%。     

基于多传感器数据融合分析的路堑滑坡模型试验研究∗

以成都天府国际机场高速公路 TJ04 标段 K17+700~K17+900 段滑坡为典型代表,通过地质分析及室内模型试验相结合的方法,运用数据融合及统计学概率运算方法,对降雨作用下路堑边坡的变形破坏过程进行研究。 结果表明：(1)通过地质分析认为 K17+700~K17+900 段滑坡形成主要原因是地表水入渗及滑坡前缘路基开挖 ; (2)通过模型试验研究已开挖路基在降雨条件下的变形特征,得出其变形机理为：降雨入渗→边坡局部溜坍→地表水入渗加剧→土体含水率上升→孔隙水压力增大→边坡失稳→整体牵引式滑移;(3)通过传感器数据融合及统计学概率分析得出,随着降雨历时增长,含水率的变化曲线与累计降雨量之间呈正相关,相关系数为 0.600 15 具有显著相关性,孔隙水压力的变化曲线与含水率之间正相关,相关系数为 0.921 74 具有高度相关性,说明雨水入渗是土体含水率与孔隙水压力增长的直接原因。     

东北地区春旱对春玉米幼苗长势的影响指标和模式

春旱对春玉米幼苗长势影响田间试验分3个播种期(温度处理)和4个土壤水分胁迫处理。结果表明,在东北中部玉米主产区,玉米幼苗长势好坏主要取决于水分。玉米幼苗长势(叶龄、生物量和株高)与春季土壤湿度和土壤累积有效水量的关系模式均为二次函数。干旱胁迫降低玉米苗期生叶速度和植株高度,减轻生物量,严重抑制幼苗营养生长。玉米春旱的指标是:W在18%～19%之间,或H在45～54mm之间为轻旱;17%～18%或40～45mm为中旱;17%以下或少于40mm为严重干旱。     

应用NOAA/AVHRR资料监测土壤水分和干旱面积

利用气象卫星资料监测土壤水分及估算干旱面积的研究方法已有很多,但监测精度还有待提高。通过利用近地面温度日较差实测资料,对气象卫星反演地表温度日较差进行了订正,使得热惯量计算值更接近实际。利用订正后的卫星反演地表温度日较差计算的热惯量与地面农田实测土壤绝对湿度进行回归分析,发现0~30cm土壤水分实测值与热惯量的相关显著,50cm以下不能通过显著性检验。在GIS平台的支持下,对2004年初夏发生的干旱进行了监测,监测结果精度较高,并为干旱灾害的进一步评估打下坚实的基础。     

农业旱灾监测中土壤水分遥感反演研究进展

土壤水分是农业干旱监测最重要的指标之一。文章全面回顾了光学遥感和微波遥感土壤水分遥感反演进展，重点讨论了符种反演方法的优点和不足。光学遥感中，热惯量法和作物缺水指数法可分别较好地应用于裸露地和作物覆盖地的土壤水分监测；距平植被指数、植被条件指数采用了植被指数因子实现农业旱情监测，温度植被指数、植被供水指数和条件植被温度指数同时考虑了作物植被指数和地表温度。微波遥感被认为是当前土壤水分监测中最有效的方法。主动微波遥感空间分辨率较高，但对土壤粗糙度和植被敏感；被动微波遥感空间分辨率低，重访周期短，对大尺度农业旱灾监测具有较大潜力。为提高农业旱灾监测巾土壤水分遥感反演的精度和效率，采用光学遥感和微波遥感的结合可能是较为实际的方法。     

非饱和黄土土水特征及其强度指标

以多种理论模型对非饱和土三轴仪实测数据进行了拟合评价;并在此基础上,引入非饱和土最新理论,反演和解析了土体脱湿与吸湿条件下的边界土-水特征曲线、渗透系数函数以及吸应力特征曲线;进一步从强度本构入手,结合不同基质吸力的三轴剪切试验结果,探究了基于吸应力的强度特性。研究结果表明:非饱和土三轴仪所测数据点及其三种模型拟合曲线均落在水力边界曲线(SWCC、HCF、SSCC)范围之内,表明了试验结果的正确性和合理性,以及非饱和土中水分的能量和数量的关系因路径差异而具可变性,即基质吸力不再是含水率的单值函数,而是一个范围体系;同时采用吸应力特征曲线的统一有效应力原理来描述土体在非饱和条件下的抗剪强度性质是合理的、普遍有效的,并且验证了土体处于饱和或者无基质吸力时,吸应力不为零,此时的吸应力对应的是土体在剪切破坏时的表观粘聚力这一结论。     

基坑开挖与邻近地铁结构变形相关性的实测分析∗

探究开挖卸载下基坑与近邻"上浮型"地铁结构的变形机制,以天津某邻近既有地铁的基坑开挖为例,通过实测手段分析基坑多期开挖条件下既有地铁结构的变形特点。基于基坑围护结构竖向变形,考虑基坑与地铁的水平相对位置L和开挖时间t,定义表示基坑围护结构竖向变形与地铁结构竖向变形相互关系的关联系数R,并对邻近地铁结构的竖向变形进行拟合与预测。探究三维空间下基坑与地铁水平变形的关系。研究结果表明:地铁结构整体表现为上浮,开挖期间累计竖向位移与累计水平位移的比值在0.5～1.5变化;基坑围护结构竖向位移乘以系数1000R/L可很好地拟合邻近地铁的竖向位移,关联系数R在基坑开挖过程中变化不大;三维空间下地铁结构纵向水平变形呈正态分布,与近地铁侧基坑围护结构同深度处的水平变形趋势一致。     

示踪法测量坡面水流速度理论缺陷分析

示踪法需对经验系数进行修正才能得到水流速度;而经验系数受多种因素的影响,在不同的条件下如何使用,有较大的随意性。对溶质运移数学模型解析解的分析发现,由溶质浓度在观测点达到最大值的时间计算得到的速度无法推算出实际水流速度,以此为基础的染色示踪法或盐液示踪法存在着理论上的缺陷。溶质的弥散系数对示踪法测量水流速度也有较大的影响,弥散系数越大,质心到达观测点的时间与浓度最大值到达该点的时间偏离越远。在实验测量中,泥沙含量对经验系数影响较大,这可能是其影响弥散系数的结果;理论上水流速度增大使经验系数增大,但在实验测量中不同泥沙含量下水流速度对经验系数的影响并不显著,因此在修正经验系数时必须考虑水流中的泥沙含量和其它水质差异。     

苏州地面沉降区土层微观结构和宏观力学性质分析

地面沉降是苏州地区主要的地质灾害之一,由于长期开采地下水,该地区地面沉降不断加剧,制约了经济发展。结合土体微观结构定量分析和宏观力学性质试验,探索地面沉降问题的微宏观机制。以苏州地面沉降区200m的钻孔土样为研究对象,开展了快速固结、液塑限测定等一系列土工试验。采用冷冻干燥法获取各土层的SEM图像,使用PCAS分析软件对土样进行微观结构分析并在钻孔中布设FBG光缆进行持续性土层应变监测。结合液、塑限试验,快速固结实验数据,微观结构定量分析结果与光纤监测数据,得出以下结论:沉积土层的含水率,液性指数,压缩系数随深度递减;随着深度的增加,土层的定向性由差变好;第二承压含水层土层孔隙大且数量多,压缩潜力强于第三承压含水层,稳定性较差,有必要开展进一步监测研究。     

地下管线的有效应力地震反应分析

地下管线的地震反应与管线周围土体的动力特性以及管土之间的相互作用密切相关。在地震作用下,孔隙水压力的发展会导致土体有效应力的降低,并且影响土体的动力特性。根据有效应力方法以及土体的非线性动力本构模型,可以研究孔隙水压力的增长与消散、有效应力的降低以及土动力特性的变化。在地下管线与周围土体之间引入接触单元,来模拟管土之间的接触传递问题;通过有限单元法,对地下管线的地震反应进行了全过程地震反应分析的数值模拟。计算结果表明:在地震作用下,孔隙水压力的增长造成了土体的软化,使得土体的动力特性发生变化,因此管线的地震响应也发生了相应的变化。     

土壤水分对沙尘暴的阈值反应--以内蒙古中西部地区为例

以2001年4月至2003年6月内蒙古中西部地区逐时观测的土壤体积含水百分率资料为基础,论述了土壤体积含水百分率的时间变化规律及其对沙尘暴的阈值反应.得到的主要结论是:(1)土壤体积含水百分率有着单峰型日波动反应,最高和最低值分别出现在午后4时和午前9时.(2)土壤体积含水百分率的月际变化基本遵循以1a为周期作简单振动的变化规律,最低值出现在3～4月.土壤体积含水百分率全年波动介于18.5%～37.3%之间,年平均值为26.5%.(3)沙尘暴的发生在土壤体积含水百分率含量一定范围内并不随土壤含水量的降低而发生明显变化,但当土壤体积含水百分率低于19.5%时,则随着土壤体积含水百分率的降低而明显增加,表现为土壤体积含水百分率有明显的阈值反应.(4)引进沙尘暴时度的概念研究了沙尘暴发生的持续时间,由沙尘暴时度与土壤体积含水百分率的指数关系发现,在时度大于200min和小于120min的两类沙尘暴中,土壤体积含水百分率每降低1%,沙尘暴时度将分别增加19.94min和10.14min.