非饱和土的渗透系数研究及其应用

发布时间：2020-05-28 19:29

【摘要】：孔隙水在土中的流动满足达西定律,其中渗透速度与水势梯度的比值被称为渗透系数。渗透系数是研究土体渗流、沉降变形、结构稳定和污染物运移等问题的重要参数,它主要受土的矿物成分,土中孔隙的大小及其分布,土的温度、含水量以及盐离子浓度等因素影响。本文主要对非饱和渗透系数进行以下5个方面的研究:1.改进渗透仪,防止土体孔隙水在压力室内发生蒸发;增加对照皿,实时监测盛水皿中的水分蒸发并进行水分补偿,从而更加准确地测量土体孔隙水的排出体积,同时分析了水分蒸发对非饱和渗透系数测量的影响。2.基于土水特性曲线和瞬态含水量曲线,提出了一种直接测量非饱和渗透系数的方法。在溢出法试验中,把气压增量分为两个部分:一部分克服渗透阻力,驱赶土体孔隙水的排出;另一部分平衡静水表面的张力,从而转化为土体的基质吸力,再结合达西定律求出瞬态渗透系数。对硅微粉和广西桂平土分别进行多步溢出法和两步溢出法试验,并对比Gardner分析方法和van Genuchten-Mualem模型,证明了直接测量方法的可行性。3.基于非饱和土的孔隙水平衡微分方程,推导出了非饱和渗透系数的预测公式。该公式只有一个参数,这个参数可以通过饱和渗透系数与孔隙率之间的关系曲线求出。对比分析了Touchet粉沙壤土、Columbia沙壤土、松砂和硅微粉这4种不同类型土的试验结果和预测值,证明了非饱和渗透系数预测公式的可靠性。4.非饱和土在干湿循环下水力特性的研究是岩土工程领域非常重要的一部分。然而,大多数对土水特征曲线或渗透系数的研究仅限于单次干湿循环试验或少数类型土的多次干湿循环试验。本文基于多步溢出法对硅微粉和广西桂平粘土分别进行了5次干湿循环试验,分析了干湿循环对这两种土水力特性的影响。5.基于非饱和渗透系数的预测公式,采用Comsol软件模拟不同类型土的非饱和渗透系数对溶质运移的影响,并与van Genuchten-Mualem模型相比,证明了非饱和渗透系数预测公式的实用性。
【图文】：

非饱和土,饱和土

自然条件下的土体可分为饱和土和非饱和土两种状态。饱和土一般分布在水位线以逡逑下的区域，它主要由土颗粒相和液相组成。而介于水位线与地表之间的土体一般被称为逡逑非饱和土，其土体孔隙水的饱和度低于１００％，它比饱和土多一相（即气相），如图１．１逡逑所示。非饱和土广泛分布在土质边坡、土石坝、路基填土、垃圾填埋场以及干旱－半千逡逑旱地区等。在外界气候或其他因素的作用下，，土体通常介于饱和与非饱和两种状态，它逡逑们之间是可以相互转换的。逡逑■ＢW逡逑图１．１饱和土和非饱和土的不意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｓａｔｕｒａｔｅｄ邋ａｎｄ邋ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ邋ｓｏｉｌ逡逑非饱和土力学在理论上有很大的发展，己经取得了很多公认的成果，但非饱和土的模逡逑型参数测量周期长，它的处理与分析方法比饱和土复杂，导致非饱和土力学的应用落后逡逑于理论的研宄。其中大多数岩土工程还是按照饱和土力学理论来设计的，实践表明这类逡逑方法的适用性强且安全性高，但这类方法较为保守，预留的安全值较大，且施工成本高。逡逑比如路面塌陷、地基膨胀或失陷、降雨诱发浅层滑坡和库区水位变动诱发地质灾害等现逡逑象，大部分是在非饱和土区域内产生的［１］。因此非饱和土力学的研宄不仅具有理论意义，逡逑也具有重要的工程应用价值。逡逑由于土体孔隙水的变化容易引起土体性质的改变，使得非饱和土存在很多不确定性逡逑和可预测性较差等问题。气候变化使土体处于干燥或润湿状态

土水特征曲线,工程灾害,边坡失稳,坝基

其中边坡失稳、坝基坍塌等地质灾害问题和人类自身的改造活动（如地下水的大量逡逑开采导致地下水位下降而引起的地表塌陷、大量化肥、农药的使用、工业污染物的直接逡逑排放及城市生活垃圾等不妥当的处置）引起的环境污染问题，如图１．２所示，这些问题的逡逑研宄均会涉及到流体在非饱和土孔隙中的流动问题。描述非饱和土孔隙中流体的流动问逡逑题离不开对非饱和土水力特性（包括土水特征曲线和渗透系数）的测量。非饱和土中存在逡逑的气相使得土体含水量发生变化，从而导致非饱和土水力特性的改变。土水特征曲线就逡逑是描述土中水气两相比例的变化规律，即土中的吸力与含水量之间的关系，这种关系的逡逑－２－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU41

【参考文献】