粉土和砂土非饱和渗透性试验及在双层毛细阻滞系统中的应用

发布时间：2020-07-07 01:53

【摘要】：由降雨诱发的山体滑坡是世界上最严重的自然灾害之一,各种非饱和地层的边坡失稳已经引起了全世界的广泛关注。土水特征曲线(SWCC)和非饱和渗透系数(k(ψ),其中ψ代表吸力)是影响边坡土体性质的重要水力学参数。然而,直接测量k(ψ)往往比较困难且耗时,并且大多数测量结果不能用于研究干湿路径的影响。为此,本文设计了一种可以实现一维水流的土柱装置。在干湿循环的过程中,孔隙水压力(Pore-Water Pressure,PWP)和体积含水量(Volumetric Water Content,VWC)可以使用先进的传感器进行连续监测,最后根据试验结果得到土水特征曲线,并使用瞬时剖面法确定了土的非饱和渗透函数。本文利用设计的土柱装置测得了粉土和砂土在干湿循环过程中的土水特征曲线和非饱和渗透系数。粉土的进气值为8kPa,高于砂土的进气值(3.2kPa)。在给定的基质吸力作用下,沿着土水特征曲线干燥过程测得的体积含水量总是大于沿着湿润过程测得的值,表现出了滞回特性。砂土的饱和渗透性高于粉土,两种土的非饱和渗透函数随吸力的增大而降低,粉土的下降速度较慢。本文利用有限元软件VADOSE/W建立了数值土柱模型并且采用试验结果进行了验证。此外,分别对粉土上覆砂土和砂土上覆粉土的土柱进行模拟,以研究双层土柱系统在干湿循环情况下的水流行为。模拟结果表明,由粉土作为上层土的双层组合可以作为双层毛细阻滞系统减少水的向下渗流。最后,进一步分析了一系列有代表性的模拟,以观察初始土壤饱和度、降水持续时间、毛细阻滞材料厚度和毛细阻滞材料对双层毛细阻滞系统的影响。在相同降水量的作用下的毛细阻滞模型在初始干燥的情况下表现良好,但是对于初始湿润情况下毛细阻滞系统变得不那么有效。在长时间的降雨作用下,毛细阻滞层的隔水作用减弱。毛细阻滞覆盖系统土层较厚时,水分下渗的较慢,有利于维持系统的有效性,但随着降水量的增加,材料厚度对毛细阻滞系统的影响效果变得不明显。另外当下层土过于粗糙时,毛细阻滞系统维持负孔隙水压力方面效果较差。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.22
【图文】：

土水特征曲线,土水特征曲线,理想状态,脱湿

值模拟研究似乎是研究毛细阻滞系统最可行的手段。内外研究现状1 土水特征曲线和土土水特征曲线是土体含水量(重力含水量、体积含水量、饱质吸力、总吸力)的关系曲线。它表示了土壤中水的能量与数量redlund 1993; Ng 2007)。最常用的吸力和含水量的形式是基质吸力。土水特征曲线有脱湿和吸湿两种，这归因于滞回特性。产生滞主要是由于土中孔隙的几何形状所引起的。由于吸湿和脱湿两个颈现象而导致相同的吸力值对应于不同的含水量。另外，脱湿过中的液、固表面接触角不同也是引起滞后现象的原因。对于相同燥过程中的土壤可以比湿润过程中保留更多的水分(Fredlund et al. 2001)。土水特征曲线的形状是土壤类型的函数。

土水特征曲线,毛细,覆盖系统,结构示意图

图 1.2 毛细阻滞覆盖系统结构示意图细阻滞层已被研究并广泛应用于环境工程中，作为覆盖层，减少雨水和其他外来水分侵入垃圾堆体内n et al. 1990; Nyhan et al. 1997; Lacroix Vachon et al. 20水向下迁移，水可以暂时储存在储水层中，随后通水分排出土体(Hakonson et al. 1994; Stormont 1995)。和时水才会进入下面的粗粒层，并且粗粒层表面处土水特征曲线中接近残余水含量的值。粗粒土层的（Breakthrough）速度越快(Stormont and Anderson 不同强度的降水条件下的毛细阻滞系统具有不同的99; Khire et al. 2000; Rahardjo et al. 2011)。数值模拟也降雨和短时间强降雨下毛细阻滞系统的性能(Khire 了各种数值分析确定了毛细阻滞层的最佳尺寸和合

技术路线图,毛细,粉土,砂土

（4）应用 VADOSE/W 对经历干湿循环的双层土柱（粉土上覆砂土，砂土上覆粉土）的渗透特性进行研究。（5）模拟初始地面饱和度、降水持续时间、毛细阻滞材料厚度和毛细阻滞材料对双层毛细阻滞系统的影响。1.3.2 技术路线综合本文研究内容，研究技术路线分为理论研究阶段、试验阶段和数值模拟阶段，具体如下图所示：

【参考文献】