非饱和风积沙路基土土-水特征曲线试验研究与模型修正

发布时间：2020-10-27 10:51

　　 内蒙古西部沙漠地区风积沙路基土是一种典型的非饱和土,由于沙漠地区特殊的气候条件和温湿度环境作用,风积沙路基土土-水特征曲线受含水率、干密度、温度、含盐量等因素影响显著。为探究各因素对风积沙路基土土-水特征曲线的影响规律并建立相应的修正模型,本文以内蒙古阿拉善沙漠地区非饱和风积沙路基土为实验土样,通过ASTM D5298-16滤纸法测试了土样在不同条件下的基质吸力和总吸力,分析了含水率、干密度、温度、含盐量以及不同盐类对土-水特征曲线的影响规律,通过正交试验设计和灰关联度法分析了影响因素的显著性,在理论推导和数据分析的基础上,对van Genuchten模型进行温度和含盐量修正,建立能综合考虑水-热耦合和水-盐耦合的风积沙路基土土-水特征曲线修正v-G模型。通过研究本文主要得到以下结论:(1)风积沙路基土土-水特征曲线受干密度和温度影响显著。随着干密度增大,土-水特征曲线呈现整体平行向右上方偏移的趋势,即当饱和度相同时,干密度越大,土体基质吸力越大,土的持水特性越强。而且这种影响在含水率较低的高吸力区更加明显。随着温度的升高,土-水特征曲线呈现整体向右下方偏移的趋势,即:当土样中基质吸力相同时,其含水量随平衡温度升高而降低,而且温度对土-水特征曲线的影响在高温或低吸力区更加明显。(2)硫酸钠(Na_2SO_4)盐分含量对风积沙基质吸力、渗透吸力和总吸力均有影响,基质吸力、渗透吸力和总吸力土-水特征曲线均随着土中硫酸钠(Na_2SO_4)含量增加而向右移动。当体积含水率较高时,含盐量主要通过影响渗透吸力而对总吸力影响较大;而当体积含水率较低时,含盐量会对基质吸力产生一定影响。硫酸钠盐渍土和碳酸钠盐渍土土-水特征曲线分布形式基本相似,当含盐量相同时,相同含水率条件的硫酸钠盐渍土土样比碳酸钠盐渍土土样土中基质吸力更大。(3)基于SPSS极差、方差分析和灰关联度分析结果显示:初始含水率、初始干密度和平衡温度均对风积沙路基土基质吸力有显著影响,其显著性顺序为:初始含水量初始干密度平衡温度。(4)基于热力学原理,综合考虑温度对表面张力和润湿系数的影响,建立的能考虑温度效应的土-水特征曲线v-G修正模型拟合不同温度下风积沙路基土土-水特征曲线模型时相关系数均大于0.93,拟合效果良好。分析v-G模型参数a随含盐量变化关系式,代入v-G模型从而使v-G模型参数包含含盐量变化影响,分别建立的基质吸力和总吸力土-水特征曲线含盐量修正模型分别在拟合阿拉善含硫酸钠风积沙基质吸力和总吸力土-水特征曲线时适用性较好。
【学位单位】：内蒙古大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：U416.1
【部分图文】：

内蒙古大学硕士学位论文第4页隙尺寸一种量度。图1.2典型非饱和土土-水特征曲线Fig.1.2Typicalsoil-watercharacteristiccurveofunsaturatedsoil残余含水率在用饱和度表示的土-水曲线图中又叫残余饱和度，是指引起含水率较小变化而需要较大吸力变化时所对应的最小含水率，也就是说，在此含水率下，增大基质吸力不能（或比较困难）引起含水率的进一步降低。当土中含水率达到残余含水率后，孔隙中的液态水开始变得不连续，弯液面消失，主要以薄膜水形式附着于土颗粒表面，增大吸力难以使薄膜水被排出而降低饱和度，此时含水率变化主要依赖蒸发作用。残余含水量与土中结合水含量密切相关，当非饱和土孔隙水较小到以结合水形式存在时，基质吸力随含水量变化非常敏感，结合水含量的少许减小会导致吸力迅速增大。残余含水量点往往也难以基于试验准确测定，而是从土-水特征曲线上作图确定。VanGenuchten等[32]曾指出土体中吸力为1500kPa时所对应的含水率为残余含水率，但随着吸力测量技术的发展和岩土工程中涉及的土类变化多样，能测到的土中吸力范围逐渐增大。Sillers等[33]通过研究认为参与含水率是指土中水由受毛细作用转变为受吸附作用时对应的含水率，并且指出土体中吸力为3000kPa时所对应的含水率为残余含水率。而目前普遍认为吸力为106kPa时的含水率为残余含水率。因此，对于图2.1所示的全吸力范围完整的土-水特征曲线而言，残余含水率即为拐点切线与基质吸力为106kPa的竖直线交点所对应的含水率。根据进气值和残余含水率两个吸力突变点，将土-水特征曲线分为三个阶段，不同阶段土体内部孔隙结构特征不同，所表现出的含水率随吸力变化程度不同。当处于边界效应段时，

内蒙古大学硕士学位论文第9页方法：1）滤纸法[58]滤纸法可用于测量土体的基质吸力与总吸力。滤纸是作为传感体使用的，属于测定土中吸力的“间接法”。如图1.3所示，土样中间放三层滤纸与土样直接接触，上下两层起保护作用，中间滤纸测量土样基质吸力，土样与滤纸间水分以液态水形式发生迁移，交换达到平衡后，可近似认为与滤纸具有相同含水率，将滤纸含水率代入对应率定曲线方程计算得到的吸力值即为土样中的基质吸力值；土样上方滤纸不与土样直接接触，因此，其水分以气态形式发生交换，交换达到平衡后，通过率定曲线换算出相当于土样中的总吸力值。图1.3滤纸法示意图Fig.1.3Schematicdiagramoffilterpapermethod2）张力计法[59]张力计是一种可直接量测出土中吸力的装置，主要由高进气值陶瓷头和压力量测系统组成，二者间用一塑料硬管相连，如图1.4所示。使用时，将充水饱和的陶瓷头插入待测土中，与土良好接触，由于陶瓷所特有的隔气、导水作用，使得土体中的负孔隙水压力能透过陶瓷头将张力计中的水体往外吸出，从而在张力计中形成负压，达到平衡时，张力计中的水将同土中的孔晾水具有相同的压力，通过连接在张力计上的真空表或负压传感器测量土中吸力。

内蒙古大学硕士学位论文第10页图1.4张力计法示意图Fig.1.4Schematicdiagramoftensiometermethod3）盐溶液蒸汽平衡法[53]当基质吸力超过1500kPa时，可用盐溶液法进行量测。如图1.5所示，蒸汽平衡法使用的化学溶液可以在封闭空间内产生恒定的总吸入条件，溶液渗透势迫使封闭空间和土壤样品达到平衡。试验时，盐溶液中放置磁力棒，用以搅拌盐溶液产生不同蒸气压，在盐溶液上放置干燥器，干燥器上放置盛放试验土样的坩锅，坩锅上放置滤纸，用以检测蒸气压是否平衡。待土样在不同蒸气压下平衡后，通过测试土样与坩埚质量变化计算含水量变化，并利用测得的含水量变化反算不同蒸汽压平衡后的吸力值。图1.5盐溶液蒸汽平衡法示意图Fig.1.5Schematicdiagramofsaltsolutionvaporequilibriummethod4）体积压力板仪法[53]体积压力板仪是将高吸力陶瓷盘放置在压力腔中，陶瓷盘的底部用橡胶密封并连接到外部平衡管，这为孔隙水提供了大气压，仪器结构如图1.6所示。该仪器可量测基质吸力值范围为10kPa~1500kPa（适用吸力限制取决于陶土板的最大鼓泡压力）。该技术通过增加气压同时
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本文编号：2858423