快速测定土水特征曲线方法试验与模型研究

发布时间：2020-04-21 06:11

【摘要】：我国地缘辽阔,非饱和土的分布范围十分广泛,自然界中的土体以固、液、气三相状态存在,地下水位之上的土体以非饱和状态存在。非饱和土水力特性包含了非饱和土研究的两个基本的要素,即土水特征曲线和渗透函数;其中最基本的要素是:土水特征曲线,该曲线描述的是基质吸力与饱和度之间的关系。土水特征曲线是非饱和土重要的水力特性参数,它在分析非饱和土强度及边坡稳定等问题时起到重要的作用。我们通常测定土水特征曲线使用的方法基本上都是在试样处于平衡态下测得,等待平衡时间较长,消耗人力物力也比较高;本文围绕土水特征曲线的快速测试原理与方法开展了研究,进行了以下四个方面的工作:(1)对欧美大地代理的GEO-Experts应力相关的土水特征曲线压力板仪系统进行改装,改装后压力板仪增加了数据采集系统、小型蓄水管装置和真空泵。数据采集系统是一端与电脑连接,利用跟定制天平相配套的数据采集软件来完成数据采集功能,另外一端与天平相连,可以在数据采集软件上实时采集试样中水分排出量的变化数据;数据采集软件可以根据试验需求对采集时间进行设定,时间间距可以从几秒到几小时不等,一般设置30S采集一次数据;小型蓄水管装置可以储存一整管的水对仪器的整个系统进行气泡冲刷和管线饱和,真空泵的作用是待小型蓄水管中水量不足可从外部储水仪器中抽水使得小型蓄水管中水量足够对整个仪器冲刷和管线饱和。(2)利用改装后的压力板仪器开展了一步流动试验。将粉土试样放入改装后压力板仪的不锈钢压力室中,首先对饱和粉土试样加载一较小气压力值约10 KPa,使试样中水分溢出由饱和状态转为非饱和状态,待试样中水分溢出量不在变化后即达到稳定状态后,将加载的气压力值增加到290KPa,进行脱湿过程的一步流动法试验。在试验过程找中利用数据采集软件采集试样中水分溢出量随时间变化的关系曲线,然后换算成试验试样的体积含水率随试验时间变化的关系曲线。(3)利用HYDRUS-1D软件建模板块,建立一维水分运移模型,使用该模型对试样中水分溢出量随时间的变化曲线进行拟合,拟合得到的试样体积含水率随时间变化的关系曲线与实测的曲线基本吻合。再依据得模型拟合到的关系曲线、初始界限值、试验上下边界范围和陶土板对水分渗透的材料参数结合HYDRUS-1D建立的一维水分运移模型进行反向推算,拟合出脱湿过程试样中水分溢出质量随加压时间变化的曲线,同时分析反向推算出VG模型中难以实测的参数α和n,进而能够快速有效的得到粉土试样脱湿过程的SWCC。(4)原压力板仪在前已对粉土试样进行常规试验方法测定了脱湿过程SWCC;的压力板仪在对粉试样脱湿过程SWCC测定试验中花费时间约为45天左右,改装后的压力板仪对粉土试样进行一步流动法试验测得其SWCC所花费的时间约为4天左右,对两种方法测定得到的SWCC比较来看,改装后的压力板仪能够快速测定粉土试样脱湿过程SWCC,相对的压力板仪常规试验方法来说能够节省大量时间。
【图文】：

示意图,非饱和土,四相,示意图

我们称其为非饱和土。土颗粒间存在着一定大小的孔隙，，如果孔隙完全种孔隙中仅仅只有水存在的土就是饱和土；如果孔隙没有完全充满水，量的空气则这种土就是非饱和土。从饱和度定义的角度来讲，饱和土的0% ，反之非饱和土的饱和度不足百分百；因此非饱和土是一种由固（土颗）、气（空气）组成的三相体[1]；然而 Fredlund 和 Hasan 将非饱和土比2]，即在土中不仅有水分、空气、土颗粒之外还增加了水气分界面作为第四1。三相体系土和四相体系土，这两种类型下的土体所呈现出的强度、变力学性质的差异很大；例如由于第四相水气分界面的存在，当压缩土体表面张力的影响，导致非饱和土中水分流动状态和孔隙气压力分布不明就促使了已研究出的饱和土理论在非饱和土上不能完全适用甚至不能适和土影响着我们在实际工程开展工作的方方面面，如降雨入渗过程中深膨胀土干湿循环过程中的胀缩开裂以及土体中各种物质运移过程等，这题无法与饱和土力学建立的本构理论、固结理论和强度理论[3-5]相适用。孔隙被水和空气填充，土颗粒、水分、空气三者之间比例不同，使得土

示意图,土水特征曲线,示意图,孔隙

图 1-2 土水特征曲线示意图Fig. 1-2 Diagram of Soil-Water Characteristic Curve土体位于边界效应区这一范围中，土是一种饱和的状态，土的孔隙中充空气，饱和度几乎不会受吸力的增加发生改变；加载的吸力不断加强直时，气体开始向土孔隙中较大孔隙进入，孔隙中水开始被进入的气体挤压，此时对应的吸力值称为进气值(Air enter value，简称 AEV)。加载的吸后，土体失去水分由饱和状态变成非饱和状态，进入过渡区。进入过渡区着加载的吸力逐渐增大而发生骤减。这就意味着孔隙中原本均匀且连续孔隙水变成了离散不稳定分布的孔隙水；孔隙中存在的气体从原来大小被孔隙水包围，慢慢成为孔隙中的水和气二者彼此互相分离且不连续的当土体处于这个区域范围时，土孔隙中所含有的水分质量对土的水力学，非饱和土力学的研究也主要汇集于这一区域范围内；当加载的吸力接大至 G2点，此时孔隙中的气体形成贯通状态，孔隙中包含的水分大部分质吸力的继续增加将不会引起土体含水率或饱和度的明显改变，此时土
【学位授予单位】：华北水利水电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU43

【参考文献】