非饱和土恒压吸水试验研究.docx
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非饱和土恒压吸水试验研究
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日期:
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学位论文作者签名:
指导教师签名:
年月日
论文题目:
非饱和土恒压吸水试验研究
专业:
地质工程
本科生:
汤廉超 (签名)
指导老师:
王念秦 (签名)
摘要
以西安某黄土塬区离石黄土为研究对象,以马氏瓶恒压供水原理、非饱和土达西定律、毛细作用原理为理论指导,设计试验装置,进行不同天然含水率的原状非饱和离石黄土土柱在不同管径下的向上渗流试验,得到一些有价值的结果、结论:
1、自主研制“非饱和土恒压吸水试验仪”,可模拟恒定压强水头下,水土作用过程。
2、利用自制仪器,对离石黄土土柱进行向上渗流试验,得到结果主要有:
(1)确定管径4.1cm,天然含水率13.6%时,快速上渗期的锋面上升速度为1.40cm/min,缓慢上渗期为0.67cm/min,拐点位于5.6cm处;天然含水率8.4%时,快速上渗期的锋面上升速度为1.75cm/min,缓慢上渗期为0.70cm/min,拐点位于7.0cm处;
(2)确定天然含水率4.3%,管径4.1cm时,快速上渗期土柱吸水量为20.46mL,缓慢上渗期为17.53mL;管径5.6cm时,快速上渗期土柱吸水量为20.46mL,缓慢上渗期为17.53mL;(3)确定管径5.6cm,天然含水率8.4%时,快速上渗期锋面上升的速度为2.30cm/min;天然含水率4.3%时,快速上渗期锋面上升的速度为2.18cm/min;(4)确定管径4.1cm,天然含水率4.3%时,锋面上升至7.8cm的入渗率为0.443cm/min,8.7cm为0.387cm/min;天然含水率8.4%时,锋面上升至7.7cm的入渗率为0.288cm/min,8.4cm为0.258cm/min;(5)确定管径4.1cm,天然含水率13.6%时,快速上渗期的入渗率为0.277cm/min,锋面的上升速度为1.40cm/min;天然含水率8.4%时,快速上渗期的入渗率为0.322cm/min,锋面的上升速度为1.75cm/min;(6)试验终态,确定天然含水率13.6%,管径4.1cm时,距土柱底端1cm、2cm、5cm、9cm处的含水率分别为31.8%、30.8%、28.9%、26.5%。
3、分析结果,得到一些结论:
(1)土柱底面与水面的接触面积一定,天然含水率越大,湿润锋面的上升速度越慢;
(2)天然含水率一定,土柱底面与水面的接触面积对土柱吸水量的影响较小;(3)水平裂隙阻碍土柱湿润锋面的上升,降低了湿润锋面的上升速度;(4)土柱底面与水面的接触面积一定,天然含水率越大,湿润锋面上升至同一高度处的入渗率越小;(5)土柱在快速上渗期与缓慢上渗期湿润锋面的上升速度都远大于入渗率;(6)试验终态,土柱不同断面处的含水率由底至顶逐渐减小。
关键词:
离石黄土;渗流;天然含水率;湿润锋面;入渗率
研究类型:
理论研究
Subject:
ExperimentalStudyonWaterAbsorptionofUnsaturatedSoilwithConstantHydrostaticPressure
Specialty:
GeologicalEngineering
Name:
TangLianchao (Signature)
Instructor:
WangNianqin(Signature)
ABSTRACT
AupwardseepagetestontheundisturbedunsaturatedLishiloessofdifferentinitialwatercontentalongsomeloesstablelandhasbeencarriedouttoinvestigatethemoisturemigrationofloessinvariousshapesofloesspillarwithconstanthydrostaticpressure.TheexperimentisbasedontheprincipleofMariottebottlewatersupplywithconstanthydrostaticpressure,Darcy’slawofunsaturatedsoilandtheprincipleofcapillaryrise.Thisthesishasdrawnthefollowingresultsandconclusions:
1.Asetoftestsystemcalled“waterabsorptiontestinstrumentofunsaturatedsoilwithconstanthydrostaticpressure”hasbeendevelopedtosimulatetheprocessofupwardseepagewithconstanthydrostaticpressure.
2.ThetestinstrumenthasbeenusedtocarryoutupwardseepageofLishiloesspillars.Themainresults:
(1)Forthelucitetubewith4.1cmdiameter,thesoakagesurfacerisevelocityintherapidinfiltrationperiodis1.40cm/minanditis0.67cm/minintheslowinfiltrationperiodwhentheinitialwatercontentis13.6%,andinflexionpointis5.6cm;Thesoakagesurfacerisevelocityintherapidinfiltrationperiodis1.75cm/minanditis0.70cm/minintheslowinfiltrationperiodwhentheinitialwatercontentis8.4%,andinflexionpointis7.0cm;
(2)Fortheloesspillarswiththe4.3%initialwatercontent,waterabsorptionis20.46mLintherapidinfiltrationperiodanditis17.53mLintheslowinfiltrationperiodwhenthelucitetubediameteris4.1cmand5.6cm;(3)Forthelucitetubewith5.6cmdiameter,thesoakagesurfacerisevelocityintherapidinfiltrationperiodis2.30cm/minwhentheinitialwatercontentis8.4%;Thesoakagesurfacerisevelocityintherapidinfiltrationperiodis2.18cm/minwhentheinitialwatercontentis4.3%;(4)Forthelucitetubewith4.1cmdiameter,theinfiltrationvelocityofloesspillarwith4.3%initialwatercontentis0.443cm/minwhentheheightofsoakagesurfacereaches7.8cm,whiletheinfiltrationvelocityisjust0.387cm/minwhentheheightofsoakagesurfacereaches8.7cm,andtheinfiltrationvelocityofloesspillarwith8.4%initialwatercontentis0.288cm/minwhentheheightofsoakagesurfacereaches7.7cm,whiletheinfiltrationvelocityisjust0.258cm/minwhentheheightofsoakagesurfacereaches8.4cm;(5)Forthelucitetubewith4.1cmdiameter,theinfiltrationvelocityofloesspillarwith13.6%initialwatercontentis0.277cm/minintherapidinfiltrationperiod,andthesoakagesurfacerisevelocityis1.40cm/min;Theinfiltrationvelocityofloesspillarwith8.4%initialwatercontentis0.322cm/minintherapidinfiltrationperiod,andthesoakagesurfacerisevelocityis1.75cm/min;(6)Forthe4.1cmdiameterloesspillarswith4.3%initialwatercontent,thewatercontentin1cmsection,2cmsection,5cmsection,9cmsectionisrespectively31.8%,30.8%,28.9%and26.5%bytheendoftheexperiment.
3.Themainconclusions:
(1)Forthedifferentinitialwatercontentloesspillarswiththesamelucitetubediameter,soakagesurfacerisevelocityvariesfrominitialwatercontent,ingeneral,thegreaterinitialwatercontent,thesmallerthesoakagesurfacerisevelocity;
(2)Forthedifferentlucitetubediameterloesspillarswiththesameinitialwatercontent,lucitetubediameterhasafeweffectsonwaterabsorption;(3)Thehorizontalcrackwillimpedetheriseofsoakagesurface;(4)Forthedifferentinitialwatercontentloesspillarswiththesamelucitetubediameter,thegreatertheinitialwatercontent,thesmallertheinfiltrationvelocity;(5)Comparedwiththesoakagesurfacerisevelocity,theinfiltrationvelocityisfarsmaller;(6)Thewatercontentofloesspillarbasicallydecreasesfromthebottomtothetopbytheendoftheexperiment.
Keywords:
Lishiloess;Vadose;Initialwatercontent;Soakagesurface;Infiltrationvelocity
Thesistype:
Theorystudy
目录
1绪论1
1.1选题背景及研究意义1
1.1.1选题背景1
1.1.2研究意义2
1.2国内外研究现状2
1.3研究内容、方法及技术路线4
1.3.1研究内容4
1.3.2研究方法及技术路线5
2非饱和土恒压吸水试验仪研制7
2.1基本思路7
2.2试验基本原理及装置8
2.2.1试验基本原理8
2.2.2基本试验装置9
2.3仪器功能13
2.4本章小结14
3试验土样概述15
4结论与展望48
4.1结论48
4.2展望49
致谢50
参考文献51
1绪论
1.1选题背景及研究意义
1.1.1选题背景
近年来,由于地质、气候、水文等因素的作用,以及温室效应的加剧致使产生一系列的连锁反应,全球变暖海洋冰川逐渐消融,热膨胀加剧,从而导致海平面上升,加之城市建设不断发展,致使地下水位不断上升。
随着我国经济的迅速发展以及人类活动能力的提高,为了改善人民生活质量,各级政府不断投资,加大水利提灌工程建设,这一措施促进了灌溉农业的长足发展。
然而这种人类生产活动也会影响地下水水位,从而对黄土地区稳定的影响越来越大。
黄土在世界上分布相当广泛,占全球陆地面积的十分之一,而我国黄土面积位居世界之首,总面积达64万平方公里,占国土面积的6.6%。
而且我国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原,黄土高原的面积约占全国黄土分布总面积的70%以上。
地下水位的上升将会影响到这些黄土地区建筑物的地基。
如陕西省西安市,由于超高层建筑的出现,深基坑工程的需要,基坑降水使地下水位降低,随着工程的进展,地下水位不断回升,对建筑地基产生了一定的影响。
尤其是当地下水在基础底面下压缩层范围内上升时,地基土的物理性质和力学性质都相应的发生变化,影响到土体的抗剪强度,导致地基强度降低,压缩性增大,建筑物产生过大的沉降,导致严重变形。
同时地下水位的上升也将对路基产生破坏,路基土大都属于非饱和土,土中基质吸力的存在将引起毛细作用,毛细现象的产生对路基土中的水分分布造成了一定的影响。
地下水经毛细作用源源不断地浸润路基,改变了路基土中的含水率,尤其是地下水位的上升,将缩短毛细作用路径,加快毛细作用对路基中水的补给。
路基中含水率的增加将降低路基土强度,给路基稳定性带来危害。
对于黄土高原分布最大的西北地区,地下水位的上升将对黄土斜坡稳定性产生很大的影响,导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频繁发生。
据统计,2010年1-5月全国共发生地质灾害4175起,其中滑坡2915起,崩塌297起,泥石流138起。
而各种地质灾害的发生均伴随有水的存在,所以水是各种地质灾害发生的前提。
因此深入研究水在黄土中的迁移规律对于减灾、避灾、治灾及保证人民的生命和财产安全具有重要的意义。
1.1.2研究意义
由于黄土地区地质灾害频繁发生,而水是引发这些灾害的前提条件,因此黄土向上渗流规律的研究具有十分重要的意义。
主要包括:
(1)研制非饱和土恒压吸水试验仪,构造不同的水-土作用模式,对黄土向上渗流过程进行模拟,研究水在黄土中的迁移规律,具有重要的现实实用意义;
(2)黄土斜坡的灾变过程非常复杂,致灾机理尚无明确定论,利用所研制的仪器,研究地下水在黄土中的渗流规律,初步揭示水在黄土中的向上渗流规律,并将这些规律用于黄土灾害机理的解释,促进黄土灾害机理研究的发展,对于非饱和土土力学、灾害学等多学科的发展具有重要的理论意义;
(3)地质灾害频繁发生,不仅严重威胁着人类的生命、造成巨大的经济损失,而且在一定程度上会制约社会的发展。
我国黄土分布广泛,黄土灾害在众多地质灾害中占据着极其重要的地位,深入研究水在黄土中的迁移规律,可有效的减灾、避灾、治灾,减少因灾害所带来的损失,具有十分重要的社会意义;
(4)分析此次试验结果,得出黄土地区地下水在黄土中的渗流规律、土体内含水率的分布规律,为今后进行斜坡稳定性分析评价及规模更大更具体的试验体系做前提工作,具有十分重要的学术意义和实用价值。
1.2国内外研究现状
国内外对非饱和土水理性质、渗流规律方面的研究较多,并取得了可喜的成果,提出了影响水分迁移特性的因素,对黄土地区地质灾害预防做出了巨大贡献。
结合此次研究讨论渗流试验仪器研制、渗流原理及模型、渗流规律的国内外研究现状:
(1)渗流试验仪器研制的研究
2004年李永乐[1]利用特制的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土的渗透特性进行了试验研究,为非饱和土渗透系数的直接测定奠定了基础。
根据试验结果,得出了黄河大堤非饱和土土体在不同含水量下的围压-渗透系数关系及其变化规律,以及不同围压条件下质量含水量-渗透系数关系及其变化规律。
2005年高永宝[2]用水-气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验,结果表明,一定含水量、不同干密度的土样浸水后,渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律,即具有在起初浸水后的短时间内减小,然后逐渐增大,最后趋于稳定的过程。
2005年刘翠然[3]利用改进的非饱和土三轴仪,研究非饱和土在不同围压条件下的基质吸力与含水量的关系。
并根据试验结果,绘制非饱和土的土-水特征曲线与围压-基质吸力关系曲线。
分析曲线规律,拟合基质吸力与体积含水量之间的函数,并通过土水特征曲线计算非饱和土的渗透系数及预测非饱和土的抗剪强度。
2006年李成全,唐巨鹏[4]等在原有三轴渗透仪基础上研制了自压式三轴渗透仪,其体积小、方便、灵活、适合野外和室内试验。
2010年吴胜军,王鸿[5]等研制的变水头压力渗透仪,可对黏性土进行不同荷载条件下土体渗透系数的测定。
(2)渗流原理及模型的研究
饱和土中的渗流通常用Darcy定律来表达,1907年Buckingham、1931年Richard及1950年Childs和Collis-George均证实Darcy定律也适用于非饱和土中水的流动。
W.H.Green[6]和GA.Ampt在1911年提出了入渗理论,这是最早系统研究土壤入渗的模型,该模型的建立基于毛细管理论。
1962年Lumb[7]利用一维垂直入渗简化模型研究了香港地区地质条件和降雨特征对斜坡稳定性的影响。
2002年朱文彬,刘宝琛[8]等建立了饱和-非饱和土的统一非线性弹性模型,并应用于降雨滑坡的机理分析。
2003年王文焰,汪志荣[9]等提出将饱和层与传导层统一视为饱和区,而将非饱和与湿润层的含水率变化视为施加于上层饱和区的吸力势,从而根据白金汉-达西定律与水量平衡原理推导出了适于黄土区的Green-Ampt入渗模型。
2006年李锐[10]应用Geo-slope软件模拟立于水中的圆柱土柱,分析土柱中毛细上升的高度,并做了相关的土柱试验,得到毛细上升高度及上升规律。
2013年陈辉[11]依据非饱和土土-水特征曲线动态模型,推导出不考虑土骨架变形的气-水两相非饱和土的饱和度演化方程。
利用饱和度演化方程并结合多步流动瞬态试验的成果,通过数值反演,提出了一种能利用多步流动瞬态试验数据快速确定非饱和土土-水特征曲线的方法。
(3)渗流规律的研究
2004年AndreasBlum[12]通过声换能器(acoustictransducers)和TDR(timedomainreflectometry)等设备研究了非饱和土中水分流动的速率。
2007年张志清[13]通过宁夏路基黄土颗粒组成和化学成分的分析,对黄土路基的水理特性进行了深入研究,探讨了宁夏黄土路基渗透和湿陷的发展规律,得出渗透流量和时间的关系及纵向、横向渗透剖面。
2008年陈义民等[14]通过在室内对不同土质的10种土料进行竖管法毛细水上升高度试验,获得了含水量与毛细水上升高度的规律。
2009年Li等[15]通过自研设备对非饱和土毛细上升时湿润锋的速度、含水率、吸力等参数进行了测定,提出了一套计算非饱和土渗水系数的方法。
2010年黄瑜,史继宁等[16]对湿陷性黄土地区3种地基土进行注水渗水原位试验,确定了浸润断面边界、断面形态变化、渗入深度、浸润线横向扩散角度、渗透系数等参数。
2011年苗强强等[17]开发了一套毛细上升试验系统,对非饱和含黏土砂做了3个不同初始含水率的毛细上升试验,得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律。
2011年许健等[18]在恒温状态下进行了开放系统水分迁移试验,利用灰色理论预测模型GM(1,1)并结合室内冻胀敏感性试验资料确定出了东北粘质黄土的有害毛细上升高度约为1.12m。
2011年王有昌[19]通过实测红黏土颗粒分析曲线、土水特征曲线,对两种红黏土进行毛细水综合试验,分析了颗粒大小、压实度、土体类型、土水特征曲线对红黏土毛细水上升的影响,得出毛细水上升高度随着土体压实度增加而减小、水位变化对毛细水上升有很大的影响、土水特征曲线对毛细水上升影响较大的结论。
国内外对非饱和土渗流试验仪器、水土作用机理、渗透系数以及水分的迁移对边坡、建筑物稳定性影响等方面研究已有显著成果,但以上的研究大多是以重塑土为研究对象,对于原状土的研究报道较少,同时原状黄土向上渗流的室内模拟试验装置较少。
因此选取原状非饱和离石黄土为研究对象,室内模拟地下水上升时原状非饱和离石黄土向上渗流过程,构造不同的水-土作用模式,设计非饱和土恒压吸水试验仪,通过分析原状非饱和离石黄土向上渗流试验结果,提出更加全面的水分迁移特性。
1.3研究内容、方法及技术路线
1.3.1研究内容
(1)设计试验装置-非饱和土恒压吸水试验仪;
(2)探索原状非饱和离石黄土水-土作用模式;
(3)测定3种不同天然含水率的原状非饱和离石黄土土柱在管径分别为4.1cm、5.6cm,底部压强水头15cm时,湿润锋面的上升高度、土柱的吸水量、入渗率和试验终态土柱自上而下不同断面处的含水率;
(4)对比分析试验数据,探索原状非饱和离石黄土向上渗流规律、吸水规律、试验
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- 饱和 土恒压 吸水 试验 研究