非飽和土水特征曲線的溫度效應(yīng)研究.pdf

1、非飽和土水特征曲線通常定義為土中基質(zhì)吸力s(kPa)與重力含水量w或體積含水量θ、飽和度S之間的關(guān)系。它反映了土壤的儲(chǔ)水和釋水性質(zhì),與孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布密切相關(guān),可以用于預(yù)測(cè)非飽和滲透性函數(shù)、抗剪強(qiáng)度等物理和力學(xué)參數(shù),因此在非飽和土力學(xué)中有著非常重要的意義。影響土水特征曲線的因素有很多,如滯回性、液體粘滯性影響、應(yīng)力狀態(tài)影響、應(yīng)力歷史影響、顆粒級(jí)配等,這些因素對(duì)土壤的持水能力影響很大,因而引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。相比較而言,自然環(huán)境中溫度

2、的變化是不大的,其對(duì)土壤持水能力的影響體現(xiàn)得并不顯著,所以往往被忽視。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,巖土工程領(lǐng)域所涉及的問題越來(lái)越復(fù)雜,如地下核廢料的處置、二氧化碳地下封存、地?zé)豳Y源開發(fā)、石油開采、高壓電纜的埋設(shè)等,更多的工程設(shè)施將承受較大的溫度變化。此時(shí),溫度對(duì)土水特征曲線的影響變得不可忽略。目前,對(duì)于如何獲取考慮溫度影響的土水特征曲線以及其影響機(jī)理,學(xué)者們還沒有達(dá)成一致意見。
　　本研究開發(fā)了一套高精度土水特征曲線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),開

3、展了不同溫度作用下粉土質(zhì)砂土水特征曲線試驗(yàn),討論和分析了溫度影響下非飽和土水特征曲線的變化規(guī)律及溫度的作用機(jī)制,并建立了考慮溫度影響的土水特征曲線預(yù)測(cè)模型,進(jìn)行了一維土柱非飽和土蒸發(fā)試驗(yàn)與數(shù)值分析。研究的主要內(nèi)容及結(jié)論如下:
　　1)研制了一套高精度土水特征曲線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試過程的全自動(dòng)化控制,同時(shí)提高了氣壓力控制精度、修正了每一級(jí)氣壓下排水體積量和實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)溫度的控制,在滿足特定試驗(yàn)需求的同時(shí)提高了試驗(yàn)效率

4、和保證了試驗(yàn)的精度,特別適用于粗顆粒土的相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。為了實(shí)現(xiàn)儀器的規(guī)范化操作,還特別編制了儀器的操作規(guī)程,介紹了儀器操作注意事項(xiàng),為后續(xù)試驗(yàn)提供了技術(shù)支持。
　　2)將高精度土水特征曲線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)置于溫控箱中,開展了4種不同溫度作用下粉土質(zhì)砂的土水特征曲線試驗(yàn),并與其他學(xué)者的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,討論和分析了溫度影響下非飽和土水特征曲線的變化規(guī)律及溫度的作用機(jī)制。結(jié)果表明,溫度對(duì)非飽和土水特征曲線的影響不可忽略,隨著溫度的升高土壤

5、的進(jìn)氣值和殘余含水量均在減小,基質(zhì)吸力相同時(shí),土壤的體積含水量隨溫度上升逐漸減小,土壤顆粒大小和孔隙尺寸分布的不同導(dǎo)致溫度對(duì)粉土質(zhì)砂、粉質(zhì)土、粘性土和膨脹土的土水特征曲線的影響出現(xiàn)局部的差異性。
　　3)以熱力學(xué)及非飽和土相關(guān)理論為基礎(chǔ),考慮表面張力、浸潤(rùn)角和吸力的溫度效應(yīng),借助于van Genuchten模型,在分析研究模型中各參數(shù)隨溫度變化規(guī)律的同時(shí)建立了考慮溫度影響的土水特征曲線預(yù)測(cè)模型。通過將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可以

6、發(fā)現(xiàn)該模型具有較好的適用性。對(duì)于粘粒含量較大的土,由于忽略了溫度對(duì)顆粒表面水合作用的影響,在基質(zhì)吸力大于進(jìn)氣值的區(qū)段,預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的偏差。
　　4)研制了可變環(huán)境條件自動(dòng)蒸滲測(cè)量系統(tǒng),開展了一維土柱室內(nèi)蒸發(fā)試驗(yàn),同時(shí)采用非飽和土水-熱遷移方程及相關(guān)預(yù)測(cè)參數(shù)對(duì)蒸發(fā)條件下土壤水分的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,最后將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,檢驗(yàn)了水-熱遷移方程及相關(guān)預(yù)測(cè)參數(shù)的可靠性。結(jié)果表明,非飽和土的蒸發(fā)過程可分為三