陇西黄土浸水入渗特性研究

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黄土地区的地基病害主要因黄土湿陷而引起,且实际工程建设中,由于黄土浸水湿陷引起的工程事故屡见不鲜,造成了很大的经济损失。浸水是黄土湿陷的直接诱因,因此,研究黄土的浸水入渗和增湿变形特性,预测黄土增湿变形量,具有重要的工程实际意义。 论文通过甘肃陇西黄土的现场浸水试验和原状黄土的物理性质、渗透性质等相关室内试验,结合有限元数值计算,主要取得如下研究进展: (1)建立了考虑变形影响的黄土渗流连续性方程及其有限元控制方程 黄土湿陷因水而发生,水在黄土中的渗流直接影响其湿陷变形;水在黄土中的渗流又受到黄土湿陷变形的影响,因此建立水在黄土中的入渗模型时应考虑湿陷变形的影响。 本文在建立黄土入渗模型时依据质量守恒定律,考虑了水的重力对入渗的影响,考虑了土体变形和饱和度对渗流的影响,不再假定土体为刚性多孔介质,建立了考虑土体变形影响的轴对称渗流连续性方程,并应用Galerkin加权残数法对该方程进行离散,得到水在黄土中渗流的有限元控制方程。该模型适用于非饱和-饱和、非稳态的渗流计算。 (2)探讨了土水势各分势的确定方法 土水势表明了土中水的能量状态,是土中水运动的驱动力,是研究土中水运动的重要概念。目前,关于土水势中温度势和溶质势的研究,只有一些分散的试验结论。 本文基于已有资料分析,总结得出受溶质和温度影响的土水势表达式。若需考虑溶质势对土中水渗流的影响时,可将溶质势和基质势作为一个整体来考虑。建议不把温度势作为土水势中独立的量来考虑,而是在确定基质势、水分运动参数等时考虑温度的影响。 (3)得到了考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元模型 在陇西原状黄土室内侧限压缩试验的基础上,建立了黄土增湿变形本构方程。将水在黄土中渗流的有限元控制方程和黄土增湿变形有限元方程组合,即得到考虑渗流和变形耦合的黄土增湿变形有限元模型。 (4)确定了黄土的渗透系数随孔隙比和基质吸力变化的关系式 渗透系数是非饱和土的重要参数之一,其值变化范围大且不易测量。本文基于试验成果,确定了非饱和黄土的渗透系数。 通过对陇西黄土的室内变水头渗透试验,得出土样饱和状态下的标准渗透系数(K20)和孔隙比(e)的关系。 通过对陇西黄土的粒度成分分析试验,得到其粒度成分累计曲线,进而获得相应的土样水分特征曲线,结合陇西黄土现场浸水试验,利用瞬时剖面法,得到了渗透系数与吸力的关系。 而后利用数学变换得出渗透系数随孔隙比和基质吸力变化的关系式,为研究黄土的浸水入渗特性和黄土增湿变形数值计算打下基础。 论文研究成果己通过实例得到验证。
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