水-力耦合作用下非饱和土渗流特性演化规律的试验研究

论文摘要

在高速公路填方路堤、填埋场防渗垫层、土质隧道与边坡等工程中,掌握水-力耦合条件下非饱和土体的渗流特性,对上述结构的安全设计及施工至关重要。然而,水-力耦合特性作为非饱和土区别于饱和土最为显著的特征,在现有研究中对水-力耦合条件下非饱和土变形和强度特性的关注较多,却鲜有研究者针对水-力耦合作用下非饱和土渗透系数演化规律进行深入探究。针对上述问题,研制了一套考虑水-力耦合作用的非饱和土渗流土柱试验装置,利用该装置,对强风化砂岩和砂质黄土开展了一系列水-力耦合作用下非饱和土渗流土柱试验研究,取得以下创新性成果:（1）开展了全吸力范围内强风化砂岩与砂质黄土的土-水特征曲线试验研究。采用张力计法、滤纸法与露点水势仪（WP4C）法相结合,分别对3种不同初始干密度的上述土体在不同吸力阶段的土-水特征曲线进行了试验测试,通过试验获取了强风化砂岩与砂质黄土全吸力范围土-水特征曲线,试验结果还进一步验证了土体初始干密度与进气值的正相关关系,即初始干密度越大,进气值越大。（2）自主开发研制了考虑水-力耦合效应的非饱和土渗透系数测量试验装置。详细分析了现有的非饱和土土柱试验装置设计的优缺点及适用性,在此基础上,研制了新型非饱和土渗流土柱试验装置,该实验装置包括装置框架、气动系统、量测系统和附属装置等4部分,可实现对土柱轴向荷载的控制,以及对土柱整体轴向变形以及土柱不同位置含水量的精准量测。（3）基于所研制的非饱和土土柱试验装置,采用“湿润锋前进法”开展了强风化砂岩和砂质黄土的系列渗流土柱实验。①针对完全干燥的强风化砂岩和砂质黄土,分别开展了不同初始干密度为1.40、1.54、1.60 g/cm3和1.40、1.55、1.65 g/cm3以及每一种初始干密度土样下竖向荷载分别为0、40和80 kPa条件下的土柱实验,实验结果表明:土柱体积含水率分布随着土柱深度的增加而逐渐减小;湿润锋速率的对数与时间对数呈现正比例关系;土柱干密度相同时,不同轴力作用下的土柱其湿润锋速率最后趋于相同;随着土柱干密度增大,不同轴力作用下的土柱湿化速率之间的差异减小;土柱不同剖面处渗透系数函数受到干密度和轴力双重作用影响;轴力越大,不同剖面处渗透系数函数差异性越大,干密度越大,不同剖面处渗透系数函数差异性越小;土柱轴向变形与轴力呈正相关关系,与干密度呈负相关关系。②针对具有天然含水量的砂质黄土,开展了初始干密度为1.40g/cm3,竖向荷载分别为0、40和80 kPa条件下的土柱实验,实验结果表明:土柱体积含水率分布随着土柱深度的增加而逐渐减小;湿润锋速率的对数与时间对数呈现正比例关系;不同轴力作用下的土柱其湿润锋速率最后趋于相同;轴力越大,不同剖面处渗透系数函数差异性越大;土柱轴向变形与轴力呈正相关关系;相较于干燥砂质黄土土柱,其湿化速率大幅度增加、最终稳定渗透系数大幅度增加、轴向变形大幅度减小。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 稳态法
•     1.2.2 瞬态剖面法
•     1.2.3 湿润锋前进法
•   1.3 研究目的和内容
•     1.3.1 研究目的
•     1.3.2 研究内容
•   1.4 创新点
•   1.5 论文大纲
• 2 全吸力范围非饱和土土-水特征曲线试验研究
•   2.1 土体基本物理性质
•     2.1.1 强风化砂岩
•     2.1.2 砂质黄土
•   2.2 全吸力范围非饱和土土-水特征曲线试验
•     2.2.1 土-水特征曲线测量方法
•     2.2.2 土体材料土-水特征曲线测量结果
•   2.3 干密度对土水特征曲线的影响
•   2.4 小结
• 3 水-力耦合作用下渗流土柱试验装置开发
•   3.1 土柱试验装置研究现状
•   3.2 装置研发
•     3.2.1 装置框架
•     3.2.2 气动系统
•     3.2.3 量测系统
•     3.2.4 附属装置
•   3.3 标定水分传感器
•   3.4 小结
• 4 水-力耦合作用下强风化砂岩渗流土柱试验
•   4.1 试验原理
•   4.2 试验方案
•   4.3 强风化砂岩渗流土柱试验结果
•     4.3.1 入渗过程中土体含水量变化
•     4.3.2 水-力耦合作用下土柱湿润锋速率
•     4.3.3 水-力耦合作用下土柱渗透系数演化规律
•     4.3.4 轴向变形
•   4.4 小结
• 5 水-力耦合作用下砂质黄土渗流土柱试验
•   5.1 试验原理
•   5.2 试验方案
•   5.3 砂质黄土渗流土柱试验结果
•     5.3.1 入渗过程中土体含水量变化
•     5.3.2 水-力耦合作用下土柱湿润锋速率
•     5.3.3 水-力耦合作用下土柱渗透系数演化规律
•     5.3.4 轴向变形
•   5.4 黄土湿陷现象
•   5.5 小结
• 6 湿润黄土渗流土柱试验
•   6.1 试验方案
•   6.2 渗流土柱试验结果
•     6.2.1 土体含水量变化
•     6.2.2 湿润锋速率
•     6.2.3 渗透系数函数
•     6.2.4 轴向变形
•   6.3 湿润土柱与干燥土柱试验结果比较
•     6.3.1 湿化速率比较
•     6.3.2 饱和渗透系数比较
•     6.3.3 轴向位移比较
•   6.4 小结
• 7 结论与展望
•   7.1 论文的主要工作和研究成果
•   7.2 本文研究的不足之处和后期工作的展望
• 参考文献
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 学位论文数据集

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨雨

导师: 蔡国庆

关键词: 非饱和土,水力耦合,土水特征曲线,渗透系数,湿润锋

来源: 北京交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 北京交通大学

分类号: TU43

DOI: 10.26944/d.cnki.gbfju.2019.001388

总页数: 140

文件大小: 16706K

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