文摘

探索不饱和土壤的保水性能的液体桥近年来一直是一个热门话题。本研究首先措施水保特性曲线(SWCCs)颗粒标本来确定粒径对基质吸力的影响从宏观的角度来看。然后,内部机制的影响粒子的大小和体积含水量对基质吸力从细观的角度分析了通过使用Young-Laplace (Y-L)方程来计算两个相等的球体之间的基质吸力。宏观和介观实验都表明,基质吸力随粒子半径的增加而减小。此外,识别的内部机制从液体桥角度SWCC只适用在重力的影响可以无视或处于过渡阶段。体积含水量和球面半径的影响基质吸力变化引起的主要是液体的外半径桥( )和颈部的液桥半径( )。与体积含水量和球体直径的增加,增加的速度远高于 ,和宏观基质吸力逐渐减少。

1。介绍

一些关键特性的非饱和土其保水性能。正确理解这些属性的一个热点问题在科学研究和形式岩土工程施工的基础和依据。不饱和土壤的保水性能的研究起源于土壤科学领域。研究人员利用基质吸力代表吸收水分的能力从土壤的环境氛围,建立了工程水土特征曲线(SWCC)来描述水能源数量和土壤之间的关系。在1980年代末,SWCC的概念被介绍给非饱和土的研究。长期以来,许多学者利用基质吸力代表不饱和土壤的保水性能,取得了相当大的进步。典型SWCC提供了一个“S”形状,可分为残留在高吸力阶段,中间抽吸的过渡阶段,和边界效应在低吸力阶段(1]。切线的交点的剩余阶段和过渡阶段被定义为残余水分含量点,和切线交点的过渡阶段和边界效应阶段被定义为空气进口价值,吸入主导毛细水的力量最大的土壤孔隙(2]。压实度、初始含水量、粒度分布、应力历史影响SWCC不同区段(3- - - - - -6]。

然而,提高认识,发现基质吸力的测量在不同初始条件下极大地受到外部环境和土壤属性。因此,它并不足以正确认识非饱和土的水潴留的内在机制。作为一个典型的散装材料,当土壤吸收环境空气中的水,液体桥将形成两个土壤颗粒的接触面积。因此,一些研究人员提出,保水性的变化属性可以被视为发展的液体桥(7),液体的调查桥已经获得了更多的关注。液体的开创性研究桥可以追溯到表面科学领域开始费舍尔(8),研究了液桥之间形成两个相等的领域。Gillespie和Settineri9和克拉克et al。10假定液体的形象是圆形找到一种简单而有效的数值计算方法。液体桥分为四种类型,如摆动的,登山,毛细管,泥浆,根据饱和的价值和液体桥和颗粒之间的相互作用模式,如上所示(11,12]。

近年来,研究人员在岩土工程领域的积极探索不饱和土壤的保水性能的角度液体桥。利用灰色处理软件过程中,不饱和的图像颗粒通过x射线microcomputed断层标本获得,固体水,和水煤气边界识别,SWCCs被测量的值量化固体水和水煤气接触角(13]。Molenkamp和Nazemi14)用无量纲方法调查液体力和固液接触角之间的关系,球面半径,和表面粗糙度,发现无量纲基质吸力随粒子半径的增加,基质吸力的存在引起的,凝聚力在土壤颗粒级配好甚至在干燥的环境中。Likos和陆15]研究了固液接触角的影响强度的土壤在干湿循环过程中通过改变接触角从0°到40°模拟drying-to-wetting流程;结果表明,基质吸力=时,固液接触角越大,体积含水量越小。上的毛细力的影响在润湿过程中晶粒间应力大于干燥过程。考虑到接触斥力、摩擦和毛细粒子之间的凝聚力,江和李16)和Soulie et al。17建立接触模型,可以表示粒子之间的相互作用和液体桥模拟非饱和砂的宏观力学行为。简化了土壤质量与球形粒子聚合,杨和陆18)建立了一个理论模型预测SWCC在脱水的情况下根据粒子之间的几何关系和液体桥,和SWCCs接触角的影响也进行了研究。不同类型的液体SWCC桥梁与每个阶段,根据试样的饱和度和液态粒子间(19,20.]。

剩余饱和区是区水紧密吸收土壤颗粒(21]。在过渡阶段,基质吸力随体积含水量的增加,摆动的液体桥之间形成两个球体,几何图形的颗粒间的孔隙水半月板极大地改变(22,23]。含水量的增加,液体桥可能是共享的三个粒子,它将从摆动的变成缆索(24]。不断随着含水量的增加,SWCC进入边界效应部分,粒状标本几乎饱和,主要是毛细管液体桥。

然而,以往的研究主要是经营单方面从宏观、介观的角度通过数值模拟。在这种情况下,宏观和细观的结果之间的关系不仅是很难对应,但还缺乏相应的实验验证。如图1,与选择不同半径范围,消除颗粒形状的影响结果。假设水均匀分布在球体聚集,他们两个平等的球体和液体之间的桥梁视为单位进行中型试验。

使用生殖芽细胞肿瘤检测仪器来测量颗粒的SWCCs标本由粒子组成的。然后,一个单位的身体被选为一个对象,液体的形状参数测量与软件两个粒子之间的桥梁,和Young-Laplace (Y-L)方程是用来计算两个领域之间的基质吸力。的内部机理,分析了粒度对基质吸力的影响从液体桥在介观的角度视图。

2。测试程序

2.1。测试的想法

球体与不同半径选择消除颗粒形状的影响结果。假设水均匀分布在球体聚集,他们两个平等的球体和液体之间的桥梁视为单位进行中型试验。

考虑测试的可行性操作,颗粒的吸湿性标本组成的大型球差,因此,小球体。此外,图像视图软件的测量精度为0.01毫米,和一个很大的测量误差将发生如果粒径太小了。因此,大型球体被选中进行细观实验。

虽然使用的领域两个大小不一的测试,所选择的领域在当前的研究中属于同一规模,这只能进行定性分析,而不是定量的比较;因此,测试的总体设计是可行的。

2.2。SWCC测试

细粒度的标本是由玻璃球体直径为0.1,0.3,和0.5毫米。圆柱体试样直径是7.1厘米,高3.19厘米,一个初始干密度为1.58克/厘米³。水保特征压力计测试系统(图2(一个))共同发明的Fredlund教授和生殖芽细胞肿瘤公司用于SWCC研究。

一个5条首次饱和粘土板3 h,然后安装在仪器基础。用滤纸擦表面的水分,和切割环放置在板的中心。重相应数量的玻璃珠,珠子是一层一层地倒在环刀。珠子被轻轻压实,以确保样品的均匀性。试样的初始含水量是零,因此,采用饱和阶段的初级阶段。渗透路径设置为400 kPa⟶300 kPa⟶200 kPa⟶120 kPa⟶80 kPa⟶50 kPa⟶30 kPa⟶10 kPa。体积管的阅读记录在吸平衡来计算样品的体积含水量。的体积含水量可以获得除以区别左右体积管的读数在骨料颗粒的体积。

2.3。测量液体桥

五个不同的卷(0.1μ0.2 L,μ0.5 L,μ1.0 L,μL和1.5μL)的液体桥和三种大小的球体(3毫米,4毫米和5毫米直径)被选为测试(图2 (b))。用甘油代替水来模拟液体两个领域之间的桥梁为其低蒸发和类似的表面张力与水,乙醇和去离子水被用来除尘在球体表面的实验。上球体粘在硬钢,和较低的领域是粘在一个高灵敏度的春天。液体桥与一个已知的体积被放置在较低的领域使用微量调节注射器。较低的领域是保持不动,而上层领域走向平衡位置,在没有变形发生在较低的春天。图像视图,自有数值测量软件的CCD相机,是用来测量液体的脖子和外半径桥。测量图如图3。

液体的基质吸力之间的桥梁两个粒子可以表示为方程(1)依照Y-L方程。

在这基质吸力,空气压力,是液体的内部压力桥,液体的表面张力,在本文中,它等于0.068 kN / m,是液体的外半径桥,是液体的脖子半径桥,如图3。测量结果代入方程(1)获得的价值两个领域之间的基质吸力。

3所示。实验结果

3.1。SWCC结果

SWCC测试的结果在图所示4。SWCCs在本实验可分为剩余部分和过渡段。在剩余部分,束缚水被吸收到粒子的表面上。大多数土壤孔隙充满了空气,土壤和总是干。在过渡段,标本是不断向外排水,基质吸力随含水量的增加,和不饱和特征开始出现。

颗粒骨料的体积含水量表现出缓慢增长之后,与基质吸力下降迅速增加。当从400 kPa基质吸力下降到120 kPa,排水画廊不连续是由于孔隙水和孔隙气的分离,和体积含水量逐渐增加。当从120 kPa基质吸力下降到10 kPa,大量的水进入了标本。这时,连续水膜和排水画廊标本中形成,和体积含水量迅速增加。与此同时,在相同的体积含水量条件下,样品由索取领域将获得更低的基质吸力。

3.2。SWCCs通过液体桥实验

从球体microunit身体总,孔隙体积被认为是两个粒子之间的孔隙和浅蓝色区域,如图所示5。

孔隙水的体积等于液体的体积。这黑暗的蓝色区域,如图所示5。然后,microunit饱和的身体可以计算使用以下:

在这是饱和;孔隙水的体积,μL;孔隙体积,毫米吗³;液体的体积是桥,μL;和粒子半径,毫米。

饱和转化为体积含水量,见方程(3)。的孔隙比可以计算使用方程(4)。microunit身体在当前的研究中,孔隙比为0.91。

液体的外半径在左右测量桥。左侧外半径被表示为_左,右边外半径来表示_正确的。的平均值_左和_正确的被认为是最后的外半径和表示_平等的。基质吸力的价值可以得到甘油的表面张力,和_平等的在方程(1)。这项研究的结果发表在表1。

做一个直接比较的结果部分3.1,基质吸力水平轴和体积含水量为纵轴。的体积含水量与基质吸力之间的关系表1如图6。

如图6,从液体获得SWCCs桥实验中,基质吸力也经历了一个快速与体积含水量下降缓慢增加。当体积含水量变化从10%提高到0.4%,基质吸力增加率高。当体积含水量变化从0.3%提高到0.1%,基质吸力的增加慢了下来。同时,体积含水量相等时,球体半径越小,两个领域之间的基质吸力越高。这一发现与宏观SWCC结果是一致的。

当 毫米 μL,液体的概要桥是凸的,如图7。的价值无法衡量。,which means that the Y–L equation in an unsaturated soil field is no longer suitable under this condition.

4所示。讨论

Y-L方程是不合适的条件下 毫米 μl .因此,液桥理论的应用范围用于识别的内部变化机制SWCCs必须确定。

根据先前的研究,很大程度上取决于重力液体桥配置文件。滨et al。(25]介绍的概念通过研究数量液体体积和重力之间的关系。无量纲体积的乘积和数字是用来反映重力的影响液体桥上两个领域之间的配置文件。当 ,可以无视重力的影响。当 ,重力的影响不容忽视。当 ,重力的作用是在过渡阶段26]。无量纲液体体积和数量可以计算使用方程(5)和(6),分别。

在这是液体的密度差和外部空气,公斤/米³;重力加速度,m / s²;和特征长度,这是一种液体体积的函数,方程(7)所示。

在这球体的直径和吗正如上面提到的有相同的意义。

在这篇文章中, 公斤/米³, N / m, 米/秒², 分别为毫米,4毫米和5毫米。用这些值到方程(5)和(6),并给出了计算结果和重力的影响在桌子上2。

显示在表中1和2情况下,液桥理论条件下都适用,可以无视重力的作用,液体的概要桥在这个阶段是凹的,与理论可以识别SWCCs的内部变化机制。当重力的影响在过渡阶段,液桥理论仍然是有意义的;然而,液体桥是nonaxisymmetrically凹的概要文件,和之间存在差异_左和_正确的。当重力的影响不能忽视 毫米 μL),液体桥是凸的概要文件,和液体桥理论是不合适的。根据液体的饱和程度和内部机制的桥梁,液桥内粒子可分为摆动的,登山,毛细管和泥浆状态,如表所示3。

因此,识别的内部变化机制SWCCs从液体桥的角度时只适用液体体积很小,可以无视重力的影响还是在过渡阶段,和液体桥是凹的形象。如果液桥体积大于所需的体积形成一个凹形桥,桥梁采用圆柱形或凸形状,和液体桥理论不再适用。

体积含水量和之间的关系和如图8。这两个和增加与体积含水量的增加,显示了一个不断增加的趋势先增加,然后保持稳定。体积含水量的拐点曲线随球体直径的增加,的情况下 毫米,拐点对应体积含水量的2.2%左右。条件下的 嗯,虽然没有明显的拐点,增长速度已经慢了下来。条件下的 嗯,减速的趋势并不明显。

一方面,尽管的价值总是小于 ,率的增加明显高于当体积含水量变化在同一范围内。球体的 毫米,增加了97%,增加了51%,当体积含水量从0.29%上升到4.27%。球体的 毫米,增加了91%,增加了43%,当体积含水量从0.15%上升到2.18%。另一方面,对于大直径的球体,曲线的体积含水量和获得一个陡峭的斜坡,这意味着更高的增长率和将获得。

可以推断,球面半径对基质吸力的影响主要是由变化引起的和 。一方面,随着体积含水量的增加,孔隙压力(大气压)保持稳定。孔隙水压力的作用下,液体桥不断向外扩展,导致的增加和 ,而在这个进步,增加的速度远高于 。另一方面,当液体体积等于,小型球体,相对应的液固界面是有限的。固液界面直径增加而增加;液体桥可以更好的传播,而在这种进步的敏感性对球体的直径远远高于 。这些都导致减少的倒数之间的区别和 ,和宏观基质吸力逐渐减少。

5。结论

本研究选择颗粒标本为研究对象,用生殖芽细胞肿瘤标本的检测仪器测量SWCCs,组成的球体直径为0.1,0.3,和0.5毫米,分别从宏观角度研究保水性能。两个相等的领域有三个不同尺寸(3毫米,4毫米和5毫米直径)和它们之间的液桥五个不同的卷(0.1,0.2,0.5,1.0,和1.5μL)被视为单位的身体从细观的角度研究水潴留属性。两个领域之间的基质吸力是通过测量单元体的形状参数和使用Y-L方程。的内部机制体积含水量和粒度的影响基质吸力从宏观和细观的角度进行了分析。同时,液桥理论的应用范围,这是用来确定SWCCs的内部变化机制,进行了讨论。发现:(1)细观实验表明,球面半径越小,两个领域之间的基质吸力越高。这一发现与宏观SWCC结果是一致的(2)识别的内部变化机制从液体桥角度SWCCs只适用在重力的影响可以无视或液体的过渡阶段,概要文件桥是凹的。如果重力的影响不容忽视,液桥采用凸形状,然后液体桥理论不再适用(3)体积含水量和球面半径的影响基质吸力主要是由变化引起的和 。与体积含水量和球体直径的增加,增加的速度远高于 。固液界面直径增加而增加,而在这种进步的敏感性对球体的直径远远高于 。这些都导致减少的倒数之间的区别和 ,和宏观基质吸力逐渐减少

数据可用性

使用的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

这项研究是由中国国家自然科学基金(51679198和51679198号)。