干湿循环条件下黄土边坡水气变换规律试验研究及稳定性分析

发布时间：2017-10-05 02:35

  本文关键词：干湿循环条件下黄土边坡水气变换规律试验研究及稳定性分析

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【摘要】：降雨和日照对地表非饱和黄土的含水率影响非常大,随着黄土地区基础设施工程不断的发展和建设,非饱和黄土边坡在干湿循环条件下的水气变换规律问题开始引起岩土工程界的重视。降雨入渗和水分蒸发都会引起非饱和黄土边坡内孔隙水压力、孔隙气压力和基质吸力的变化,边坡土体抗剪强度随之发生变化,从而导致边坡土体产生位移。另外,水分场和温度场的影响深度还直接影响边坡失稳时滑动面的位置。降雨作为非饱和黄土边坡冲蚀、失稳的主要诱因已经成为人们的共识,然而干湿循环作用的变化对非饱和黄土边坡的影响研究还不尽完善。系统地研究非饱和黄土边坡在干湿循环条件下含水率、孔隙水压力、孔隙气压力以及土体位移的变化规律,在滑坡整治过程中,就能科学合理地制定治理措施,节省工程投资。本文以兰州马兰黄土为研究对象,定性与定量分析相结合,对非饱和黄土边坡在干湿循环条件下的水气变换规律和稳定性进行了系统分析、研究,并取得了一些有价值的研究成果。首先进行物理特性实验,测定填土所用马兰黄土的级配曲线、最优含水率、最大干密度、液塑限和渗透系数等参数,为之后的工作做好准备。其次,进行室内模型试验。其中利用“吊瓶”的方式来增加边坡土体的含水率,用浴霸灯直接照射的方式来模拟日照使土体内水分蒸发。使用到水分传感器、温度传感器、大量程百分表和自制的土体内气压变化规律测试装置,其埋设位置严格按照试验方案执行。室内模型试验一共进行了三组干湿循环试验,记录和监测非饱和黄土边坡在干湿循环作用下,边坡内水分场、温度场、土体位移和土体内气压等相关物理量的变化情况,探究在干湿循环条件下非饱和黄土边坡水气变换的规律及变形破坏的影响因素。最后,应用软件Geo-Studio中的SEEP/W模块,模拟非饱和黄土边坡在不同降雨持时下的瞬态渗流场,得出了黄土边坡在降雨入渗时不同时间段的孔隙水压力和体积含水率分布情况。之后将非饱和渗流分析结果,耦合到VADOSE/W中,设置日照条件,得出在持续加热情况下边坡内温度场分布,以及温度场对水分场的影响。最后再将渗流分析结果耦合到SIGMA/W和SLOPE/W模块中计算边坡的位移和应变场变化,并且进行边坡稳定性分析,探讨抗剪强度随深度的变化,以及安全系数随降雨时间的变化规律。本文通过室内模型试验和应用软件进行多场耦合数值模拟试验等手段,得出了几点重要研究结论,为实际工程提供理论支持和设计依据。
【关键词】：非饱和黄土边坡 降雨入渗 水分蒸发 水分场 温度场 稳定性
【学位授予单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU444
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 问题的提出和研究的意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 非饱和土研究现状12
• 1.2.2 非饱和黄土研究现状12-14
• 1.2.3 降雨对非饱和土边坡稳定性影响的研究现状14-15
• 1.2.4 大气-非饱和土之间相互作用的研究现状15-16
• 1.3 本文的主要研究内容及技术路线16-18
• 1.3.1 本文主要的研究内容16-17
• 1.3.2 本文研究思路17-18
• 2 非饱和黄土的工程特性18-28
• 2.1 非饱和土中的基质吸力18-19
• 2.1.1 概述18
• 2.1.2 基质吸力的量测18-19
• 2.2 非饱和黄土的土-水特征曲线19-22
• 2.2.1 概述19-20
• 2.2.2 土-水特征曲线的经验表达式20-21
• 2.2.3 非饱和黄土的土-水特征曲线21
• 2.2.4 非饱和黄土土-水特征曲线的影响因素21-22
• 2.3 非饱和土的渗透与蒸发22-23
• 2.3.1 非饱和土水分渗透特性与影响因素22
• 2.3.2 非饱和土水分蒸发理论与影响因素22-23
• 2.4 试验用土样物理特性研究23-27
• 2.4.1 筛分实验23-24
• 2.4.2 击实实验24-25
• 2.4.3 液、塑限的测定25-27
• 2.4.4 渗透系数的测定27
• 2.5 本章小结27-28
• 3 室内模型的准备与填筑28-38
• 3.1 试验目的28
• 3.2 试验的准备28-29
• 3.2.1 土样的制备28
• 3.2.2 模型箱的制作28
• 3.2.3 观测面(有机玻璃)的处理28-29
• 3.3 试验所用装置及元器件29-35
• 3.3.1 降雨模拟装置29-30
• 3.3.2 日照模拟装置30-31
• 3.3.3 水分测试元件（水分传感器）31-32
• 3.3.4 温度测试元件32-33
• 3.3.5 边坡位移测试装置33-34
• 3.3.6 土体内气压变化规律测试装置34-35
• 3.4 模型的填筑35-36
• 3.5 试验步骤及数据采集36-37
• 3.6 本章小结37-38
• 4 试验数据的处理与分析38-67
• 4.1 第一组干湿循环38-47
• 4.1.1 第一循环渗水过程土体含水率变化38-40
• 4.1.2 第一循环加热过程土体含水率变化40-41
• 4.1.3 第一循环加热过程温度与含水率的关系41-45
• 4.1.4 第一循环过程中百分表的变化45-47
• 4.2 第二组干湿循环47-53
• 4.2.1 第二循环渗水过程土体含水率变化47-48
• 4.2.2 第二循环加热过程土体含水率变化48-50
• 4.2.3 第二循环加热过程温度与含水率的关系50-53
• 4.3 第三组干湿循环53-61
• 4.3.1 第三循环渗水过程土体含水率变化53-55
• 4.3.2 第三循环加热过程土体含水率变化55-56
• 4.3.3 第三循环加热过程温度与含水率的关系56-59
• 4.3.4 第三循环过程中百分表的变化59-61
• 4.4 土体内气压变化规律分析61-62
• 4.5 试验结束后土体的开挖与含水率的测定62-65
• 4.5.1 边坡土体的开挖62-63
• 4.5.2 开挖时取不同位置土体测定含水率63-65
• 4.6 本章小结65-67
• 5 黄土边坡干湿循环数值模拟67-81
• 5.1 概述67
• 5.2 数值模拟软件简介67-68
• 5.3 黄土边坡的基本特征及水力学特征68-69
• 5.3.1 黄土边坡土体的基本物理特征68
• 5.3.2 黄土边坡轮廓68
• 5.3.3 模型中所用黄土的水力学特征68-69
• 5.4 降雨入渗数值模拟69-73
• 5.4.1 黄土边坡有限元网格的划分69-70
• 5.4.2 边界条件的确定70
• 5.4.3 渗流结果分析70-73
• 5.5 日照条件下水分蒸发数值模拟73-77
• 5.5.1 初始条件和边界条件73-74
• 5.5.2 温度场的变化74-75
• 5.5.3 水分蒸发条件下的瞬态分析75-77
• 5.6 降雨条件下黄土边坡稳定性分析77-79
• 5.6.1 渗流场与位移变形耦合77
• 5.6.2 降雨入渗后黄土边坡稳定性分析77-79
• 5.7 本章小结79-81
• 6 结论与展望81-84
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-84
• 致谢84-85
• 参考文献85-88
• 攻读学位期间的研究成果88

【参考文献】

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本文编号：974328