非飽和土壤滲透特性及飽和入滲機(jī)理試驗研究.pdf

1、非飽和滲透系數(shù)的確定與土中水—氣運動規(guī)律是非飽和土壤水分入滲問題研究的關(guān)鍵。由于非飽和土中水的滲透性難以測定，許多學(xué)者提出的滲透性函數(shù)形式又極為不統(tǒng)一，使得目前還沒有一種儀器或函數(shù)形式得以推廣，也無法滿足非飽和土理論研究以及工程實踐的要求。土壤積水入滲過程中土中氣體壓力的變化規(guī)律及對入滲過程的影響對節(jié)水灌溉和水土保持等的實施具有重要的指導(dǎo)意義。 本文試圖通過試驗研究、理論推導(dǎo)兩個方面，對非飽和滲透系數(shù)的確定及積水入滲過程中土中水

2、—氣運動規(guī)律進(jìn)行較為全面、深入地研究。主要研究成果如下： (1)本文從非飽和土滲透特性研究的需要出發(fā)，針對目前研制的非飽和土滲透儀的不足，根據(jù)非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗裝置量測非飽和滲透系數(shù)的主要特點及存在的問題，提出了新型非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗裝置研制開發(fā)的整體思路，完成了重要內(nèi)容的研制。采用穩(wěn)態(tài)水壓力發(fā)生器作為水壓力控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了壓力的穩(wěn)定控制和滲透水量的精確測定。針對新型穩(wěn)態(tài)滲流試驗裝置工作原理，總結(jié)出了一套行之有效的操作方法。

3、通過對試驗結(jié)果的擬合分析，明確了土壤非飽和滲透系數(shù)隨土壤飽和度的變化關(guān)系。 (2)運用邵龍?zhí)断嘟橘|(zhì)的相互作用原理并結(jié)合水力學(xué)中層流阻力中滲透流速的概念重新推導(dǎo)了飽和與非飽和土壤水分的運動方程，給出了單一均質(zhì)飽和與非飽和土壤滲透系數(shù)的理論表達(dá)式。根據(jù)飽和土滲透系數(shù)方程，考察了土水相互作用力系數(shù)的物理基礎(chǔ)。由穩(wěn)態(tài)滲流方法量測非飽和滲透系數(shù)的水力條件，分析了非飽和滲透系數(shù)理論表達(dá)式的應(yīng)用。 (3)通過理論分析了非飽和土積水入滲

4、條件下，土中氣體壓力對入滲區(qū)土體平衡的影響，并建立了理想狀態(tài)下土體平衡的臨界條件。通過試驗驗證了土體平衡狀態(tài)的存在形式。試驗結(jié)果表明，入滲土體孔隙率和初始含水量決定著入滲初始階段土中氣體的運動形態(tài)和入滲過程。土體的孔隙率越大、初始含水量越小，入滲初期作用水層對土中氣體的封閉作用越弱，氣體越容易逸出，逸出過程中對土表附近土體的擾動程度和范圍越大，土中氣體壓力的波動幅度和頻率越大，并導(dǎo)致入滲率出現(xiàn)階梯狀變化；反之，入滲初期作用水層對土中氣體

5、的封閉作用越強(qiáng)，氣體越難逸出，入滲土體內(nèi)越易出現(xiàn)裂縫，且氣體逸出時只對裂縫以上土體有擾動，而裂縫以下土體則幾乎不受擾動，氣體壓力波動的幅度和頻率也越小，入滲率顯著減小，并可能造成入滲過程的停止。 (4)通過試驗發(fā)現(xiàn)，入滲土體內(nèi)存在兩個明顯的分界面，將濕潤鋒以外的另一鋒面給出了定義，將其定義為飽和鋒，通過對破壞土體的平衡分析說明了定義的合理性。試驗結(jié)果表明，飽和鋒的位置與入滲過程有關(guān)。對于結(jié)構(gòu)較疏松的土體，飽和鋒的位置隨著土體擾動

6、深度的增加而增加。對于結(jié)構(gòu)較牢固的土體，飽和鋒的位置隨著裂縫深度的增加而增加。從飽和鋒的位置出發(fā)，研究了土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體破壞的過程，并將土體破壞分為三個階段，對應(yīng)三種不同的狀態(tài)：臨界狀態(tài)、過渡狀態(tài)和穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 (5)對于不同類型的土，當(dāng)入滲土柱內(nèi)出現(xiàn)裂縫時，裂縫的形狀不同。對于具有一定粘性的土(硅微粉)，土體出現(xiàn)裂縫時，因為土顆粒之間存在粘性，裂縫面多不規(guī)則。對于砂性土(粉煤灰、細(xì)砂)，裂縫面則多是規(guī)則的。對于顆粒比重不同的