文摘

土壤的两个subcurves工程水土特征曲线(SWCC)(双孔隙度土壤)内可能发现各种残余土壤。位于不同深度土壤有不同围压。残留在非饱和区土壤深层地下水位。之间存在线性相关的水力性质土壤非饱和区及其不饱和特性。本研究旨在研究围压的影响向SWCC双重土壤孔隙度。本研究的范围涉及到测量干燥和湿润SWCC使用坦佩细胞,压力板,一个先进的三轴仪。在这项研究中,开发了数学方程解释SWCC围压的影响。实验结果表明,双孔隙度土壤表现出双峰特性干燥曲线SWCC的展品SWCC润湿曲线的单峰特性。随着围压的增加,空气输入值,拐点,干燥的标准差SWCC增加。此外,SWCC越来越小的滞后与围压增加。

1。介绍

饱和土壤完全由固体和水的空气空间内装满水。经典土力学的原则可以用来关联饱和土壤的属性和行为。非饱和土孔隙内,包含水部分包括土壤实体,水,空气和水的组合在其第四阶段称为收缩皮肤(1,2]。由于各个阶段,非饱和土的特性偏离典型土壤的机制。土壤的层在地下水位的正常形成的土壤性质(3,4),而在回填,分层土壤障碍系统是人为创建的。

因为当前岩土工程操作主要采用非饱和土的使用在饱和土壤,实验研究非饱和土的参数可以获得很多好处。在非饱和土,孔隙水压力( )低于孔隙气压力(u_一个);这占其积极的基质吸力(u_一个− )(1,5,6]。孔隙水的相对湿度定义的蒸汽在土壤基质和渗透吸水占整个吸结构(7]。由于渗透吸力的变化是微不足道的基质吸力与偏差,全部吸入可能会考虑基质吸力为唯一值为便于计算;反过来也可能(1,8,9]。

大量的残余和塌积土壤间断级配和演示双峰粒度分布(德牧)[10- - - - - -14]。美世et al。15记录,间断级配土主要是与双重孔隙结构有关。双重孔隙度土壤(土壤表现出双峰工程水土特征曲线或SWCC)包括大幅大量粗土壤粒子和大量的小颗粒。这使得大孔和小孔,分别为(16]。

背后的基本原理的形成孔隙大小分布函数内的两次峰会经[被研究17]。他们推断,发生毛细管内的两个不同的多孔系统域的双峰模式SWCC创建的。多孔系统矩阵(intra-aggregate、结构、微观)毛孔内土壤总量和结构(interaggregate、宏观)骨料之间的孔隙。

矩阵的工程水土流体静力学领域直接相关的安排土骨架。骨料的形状、大小和稳定也是影响因素之间的联系结构毛孔。的空气进口价值矩阵之间的分隔屏幕是毛孔矩阵和结构毛孔。它也对应于毛孔中残留的水结构的数量(18]。双重孔隙度的典型结构和孔隙大小分布土壤(土壤双峰SWCC)呈现在图1。Feuerharmel et al。19]记录SWCCs大多数崩积层的土壤表现出明显的双峰属性对应于德牧的双峰特性。土壤具有双峰特征SWCC有两个空气输入值,两个拐点,两个标准差由于大孔和小孔的存在在土壤基质。图1提出了双重孔隙度的典型形状土壤(土壤双峰SWCC)变量。

基质吸力的作用与土壤的含水量。体积含水量、重量含水量或饱和水平都可以与水相关的内容(1]。因此,含水量可以获取SWCC对基质吸力值。SWCC可以用来预测非饱和土壤的吸收速率20.]。

SWCCs主要由单峰形态的典型模型(一个曲线)或双峰形式(两个subcurves)。之间的相关性也可以画边远的粒度分布和SWCC(德牧)曲线。历史研究指向表明双峰德牧土壤更可能有双峰孔隙大小分布(21),双孔隙度是由大孔隙和微孔隙。饱和含水量和干密度可以作为指标的双峰和单峰特征类型中演示了土壤的SWCC双峰德牧[16,22,23]。细颗粒无法完全补丁之间的空的空间大的谷物;因此,双峰SWCC将产生一个双峰孔隙大小分布(13]。

围压应用于土壤是影响因素之一SWCC [24,25]。Ng和庞25)确定净围压越大应用于土壤、空气进口价值越大,SWCC更加渐进的斜率。李等人。24]说明测试结果表明,应用净围压之间存在反比关系,在任何给定的基质吸力,饱和体积含水量。然而,它直接与土壤AEV的关系。

残余土壤(土壤双孔隙度)和两个subcurves SWCC可以在很多地方找到(在新加坡26]。位于不同深度土壤有不同的围岩压力。残余土壤通常位于不饱和区由于深层地下水表。热带地区如新加坡经验很多全年雨量(4]。水渗透入土层孔隙水压力变化多雨的时期。因此,它会影响行为的双重土壤孔隙度(27]。其他的研究也一直在进行调查凝聚力和noncohesive土壤的SWCC Fattah et al。28),Abd et al。29日),法塔赫et al ., (30.),Abd et al。31日),而法塔赫et al。32]。

过去的研究只集中在调查SWCC为单峰变化的土壤由于围压不同。没有研究围压的影响在SWCC土壤具有双峰特征或双孔隙度。检查各种可能结果的SWCC双孔隙度土壤不同围压是本研究的主要目的。本研究的范围涉及到测量干燥和湿润SWCC使用坦佩细胞,压力板,一个先进的三轴仪。此外,数学方程是理解的围压效应SWCC双重孔隙度的土壤。

2。适用的理论

最好的德牧方程拟合双峰德牧在这项研究中的应用是由(16)所示 在这里,我们有以下:P=累积土壤的粒度分布β₁= 1时d≤d_max2;β₁= 0时d>d_max2β₂= 0时d≤d_max2;β₂= 1时d>d_max2d=土壤粒子直径(毫米)d_r=参数代表的最大粒径微粒d_米=参数代表土壤粒子的几何平均直径(毫米)d_最小值=参数表示的最小粒度,可以使用比重计测量分析(典型值= 0.0001毫米)d_马克斯=参数代表土壤粒子的最大直径(毫米)年代_d=参数代表德牧的几何标准差曲线W=参数代表的比例内土壤粒子粗或细粒度的颗粒 d_米=土壤颗粒的几何平均数%d_0.001=百分比的土壤颗粒直径小于0.001毫米

下标1和2表示subcurves 1和2,分别。

对于SWCC曲线显示双峰特性,方程(4(提出)16使用: 我们有以下: =体积含水量决定 =体积含水量饱和状态 =体积含水量状况残留 = (u_一个− )在剩余条件(kPa) = (u_一个− )与占主导地位的孔隙大小(kPa) =空气进口价值的土壤(kPa)年代= SWCC几何标准差 =免费误差函数

下标1和2表示subcurves 1和2,分别

3所示。研究项目

实验室检测进行了压实土壤,以研究在双峰SWCC围压的影响。压实土壤是由混合粗高岭土和渥太华砂。压实土壤被用于研究更好地避免土壤异质性的分析。ASTM级配砂,渥太华砂,这是由美国硅公司,被选中的粗高岭土和由高岭土有限公司马来西亚SDN(马来西亚)生产sand-kaolin混合物。索引属性50%的高岭土和50%的土壤混合物的渥太华砂界限含水量试验,获得粒度分布测试,比重计测试和比重测试。指标特性测试后进行了ASTM标准(33- - - - - -37]。

下面记录的步骤(38),执行静态压实。甚至混合土壤是手动完成的。的含水量在12.2%开始,与最大干密度95%干压实曲线的最佳条件。得到了三个独立的土壤样本具有相同重量从最初的样品,放入三个圆形模具50毫米宽。均匀压实使用静态压实机然后发生创建10毫米的折叠恒加载速率每分钟1毫米。最后,物理数据(即。,weight and dimensions) for the 30  mm × 50  mm specimen were determined after it was extruded. The experimental works to obtain drying and wetting SWCC were conducted using Tempe cell, pressure plate [39),和修改三轴细胞。每个测试的相关程序和设备在部分解释3.1- - - - - -3.3。

3.1。SWCC测试使用坦佩细胞

坦佩细胞主要是利用在低几百帕的压力,而压力板被使用在高压力几百五百帕(40]。每日记录当时标本的质量。后形成的土壤标本,以同样比例的高岭土和砂,这是定制的,然后它会精确到铜缸。应用程序的缺氧纯净水操作真空干燥器在多孔陶瓷板将使它完全饱和。铜缸然后休息到板上。圆柱形试样的体积可以获得使用数据的高度和直径。图2描绘了坦佩单元的设置。坦佩细胞和压盘的主要部分是多孔陶瓷板。

SWCC测试的程序进行了研究后(42]。之前联系的坦佩细胞压力出口总管,饱和土壤标本。饱和过程停止时土壤样品的含水量达到饱和值。饱和阶段后,饱和试样的重量和坦佩细胞被记录。气压系统从坦佩的顶端细胞连接。空气压力被应用到指定值创建各自的土壤基质吸力的标本。空气不会流经多孔陶瓷板高气压引入细胞时,只要空气压力不超过空气进口价值的陶瓷板,陶瓷板保持饱和。出于这个原因,坦佩的底部细胞连接到一个容器装满水的饱和度保持陶瓷板。定期称量的样品是必要的,以获得足够的数据,水量的情节标本在不同基质吸力的变化。陶瓷盘和水舱被刷新后每次读数被送往确保陶瓷磁盘和水舱处于饱和状态。

监控和增加细胞内的空气压力到所需的数量使用压力表。通过增加孔隙气压力(u_一个),这意味着基质吸力(u_一个− )将增加,因为孔隙水压力( )保持在零整个SWCC测试。当测量试样的质量需要在预定的时间间隔,坦佩细胞将远离出口的压力。没有进一步提高质量是观察后,空气压力出现,这将导致基质吸力(u_一个− )在坦佩的细胞增加。重新运行这些步骤,直到最后基质吸力(u_一个− )是获得。干燥SWCC测量后的基质吸力渐进步骤0.5,1、3、5、10、20、30、40岁,60岁,80 kPa。然后,标本进入压盘。一旦完成干燥过程的压盘,润湿过程就开始了。润湿过程是由减少土壤标本内的基质吸力。坦佩的润湿SWCC测量细胞基质吸力递减步骤之后的50、20、10、5、1 kPa。

3.2。使用压盘SWCC测试

操作上升压力量表(u_一个− ),需要使用压盘。压盘由一个压力室,其中包含一个饱和陶瓷板。压盘被连接到一个滴定管测量水的体积变化和维护饱和度的陶瓷板。之间必须有一个良好的接触土壤标本和陶瓷板,以确保标本和板之间的水流是连续的。最高的空气压力应用于压力板在这个研究是400 kPa。图3说明了压盘的设置由一室压盘细胞和滴管垂直直立站。在这个实验中,土壤样品的压盘在指定的时间间隔来测量其质量。后质量无显著变化被观察到,提高空气的压力是为了增加基质吸力(u_一个− )压盘。重复这些步骤直到最后基质吸力(u_一个− )。

干燥SWCC测量在压盘基质吸力的渐进步骤之后的100年,200年和400 kPa。一旦完成干燥过程的压盘,润湿过程就开始了。润湿SWCC测量在压盘后的基质吸力递减步骤200和100 kPa。

3.3。SWCC测试使用修改后的三轴细胞

修改三轴细胞是用来执行SWCC测试的应用程序的压力。修改的三轴仪,所描述的1),用于进行SWCC测试。5条高空气进口陶瓷圆盘厚度为6.35毫米,直径50毫米是密封基座通过应用缓慢沉降环氧胶以及它的周长。样品是直接放置于饱和陶瓷盘虽然滤纸,粗刚玉石头,顶盖上的标本。橡胶膜是放在顶部的标本和o型环保护帽以及基座。所有标本都是饱和的测试有一个统一的初始条件和基质吸力减少到一个较低的值。饱和度是由应用细胞压力,σ3,背压,华盛顿大学,从数字控制器(DPVC)压强和体积。10 kPa的净围压是维护,以防止显著肿胀的标本,直到孔隙水压力参数,B,大于0.95所显示(43]。

各向同性的整合标本饱和后直接应用。整合之后才停止平衡阶段孔隙水的体积。一旦整合完成后,干燥过程的SWCC应用指定的基质吸力是由使用axis翻译技术(44]。孔隙水和细胞压力和体积变化被DPVCs应用和控制。SWCC的干燥过程是通过指定渐进步骤后基质吸力而SWCC润湿过程是通过指定递减后基质吸力的步骤。基质吸力和水体积变化后达到平衡,基质吸力增加到下一个步骤是通过减少孔隙水压力,同时保持恒定围压和孔隙气压力。标本后达到最大基质吸力440 kPa在这个研究中,润湿阶段的标本是由孔隙水压力增加,同时保持恒定围压和孔隙气压力。在递增或递减基质吸力,水舱是刷新到除去水舱空气扩散。

4所示。报告和结果

索引属性测试结果如表所示1。土壤的粒度分布曲线呈现在图4。

图5说明了压实曲线推导,建立了各自的干密度和含水量决定土壤样本。它也表明95%的最大干密度和最大干密度。图5表明,最佳干密度为1.84毫克/米³水分含量14.2%。最大干密度95%干燥的最佳条件为1.75毫克/米³水分含量12.20%。图6说明了SWCC从坦佩获得单元测试。

SWCC数据从实验室检测是最好的安装使用(4)。然后,SWCC的拟合参数与变量(即。,AEV1, AEV2, inflection point 1, and inflection point 2) that were manually determined from the SWCC curve graph. Hence, the fitting parameters are close to the variables of SWCC. Therefore, the fitting parameters from (4)被用来确定SWCC变量。在坦佩的拟合参数SWCC细胞测试整理在表2。空气输入值1是10 kPa,空气入口值2 40 kPa,拐点1 15 kPa,拐点2是105.6 kPa,标准偏差1是0.5,1.202的标准偏差2是干燥曲线。曲线的拐点是5 kPa润湿。

图7显示了SWCC与25 kPa的净围压三轴压缩试验。SWCC变量的确定遵循相同的程序进行SWCC数据图6。的拟合参数SWCC与25 kPa净围压三轴细胞测试表进行了总结2。空气输入值1是12 kPa,空气进口价值2是60 kPa,拐点1是20 kPa,拐点2是200 kPa,标准偏差1是0.6,1.35的标准偏差2是干燥曲线。曲线的拐点是15 kPa润湿。

图8显示了SWCC与50 kPa围压三轴压缩试验。SWCC变量的确定遵循相同的程序进行SWCC数据图6。SWCC的拟合参数与50 kPa净围压三轴细胞测试表进行了总结2。空气输入值1是20 kPa,空气入口值2是90 kPa, 1是35 kPa拐点,拐点2是300 kPa,标准偏差1是0.65,1.35的标准偏差2是干燥曲线。曲线的拐点是30 kPa润湿。

图9显示了SWCC与75 kPa净围压三轴压缩试验。SWCC变量的确定遵循相同的程序进行SWCC数据图6。的拟合参数SWCC与75 kPa净围压三轴细胞测试表进行了总结2。空气输入值1是30 kPa,空气入口值2是200 kPa,拐点1 50 kPa,拐点2是650 kPa,标准偏差1是0.75,1.5的标准偏差2是干燥曲线。润湿的转折点是75 kPa曲线。

5。讨论

基于SWCC数据部分中给出5,空气入口值增加而增加的净围压如图10和11。SWCC测试生成0 kPa净围压的最低空气进口价值,而SWCC测试75 kPa净围压产生空气进口价值最高。这可能发生,因为净围压越高,密度越高的土壤,因此,毛孔变小,使水更加难以流出的毛孔。图10表明AEV1 = 0.272 + 7.8(围压)。图10表明AEV2 = 2.04(围压)+ 21。

基于SWCC数据,拐点SWCC subcurve 1和subcurve 2内净围压增加而增加如图12和13。SWCC测试0 kPa净围压产生最低的拐点,而SWCC测试75 kPa净围压产生最高的拐点。这可能发生,因为净围压越高导致缓慢的水流从土壤的孔隙对吸入空气输入值的土壤。图12表明拐点1 = 0.48(围压)+ 12。图13表明,拐点2 = 6.93(围压)+ 54。

基于SWCC数据的标准差SWCC净围压增加而增加如图14和15。SWCC测试生成0 kPa净围压的最低标准偏差值,而SWCC测试75 kPa净围压产生最高的SWCC标准差。这可能发生因为SWCC标准差越高,SWCC图的斜率温和,因此从土壤的孔隙水流慢吸空气入口以外的值。图14表明,标准偏差1 = 0.0032 + 0.505(围压)。图15表明,标准偏差2 = 0.0036 + 1.216(围压)。

基于所有SWCC的观察,干燥曲线表现出双峰特征,但润湿展品单峰曲线特征。干燥曲线和润湿曲线的差异是由于土壤颗粒的重排和裹入气。土壤颗粒的重排可能发生由于土壤体积变化(收缩)在干燥过程中。因此,没有更多的润湿过程中裹入毛孔和SWCC成为单峰。干燥过程也导致了土壤的孔隙内裹入气。因此,在润湿阶段,土壤标本无法吸收等量的水。

根据SWCC数据,入水值随净围压的增加,如表所示2。润湿SWCC测试生成0 kPa净围压入水值最低,而润湿SWCC测试75 kPa产生最高的净围压入水的价值。这可能发生,因为净围压越高,密度越高的土壤。因此,土壤孔隙小,水流入土壤孔隙更困难。

6。结论

总之,双孔隙度的土壤,将会呈现出一种双峰SWCC展品的干燥曲线和曲线的单峰SWCC润湿。土壤颗粒的重排和裹入气带来干燥和湿润曲线之间的差别。

随着净围压的增加,空气进口价值增加,这是由于土壤的密度的增加。当净围压的增加,增加干燥曲线上的拐点,这表明有一个下降的速度水后流出的空气输入值。随着净围压的增加,标准差也在不断增加。

SWCC润湿的曲线,随着净围压的增加,入水的价值增加。随着净围压的增加,土壤孔隙小,水流入土壤孔隙更加困难。

本研究仅限于沙质土壤体积变化不显著。必须进行进一步的研究来调查围压对细粒度的影响土壤高体积变化。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢意大利比娜达玛提供资金和准备数据,这样就可以完成。