溫度變化對(duì)土體基質(zhì)吸力的影響研究.pdf

1、基質(zhì)吸力廣泛存在于孔隙介質(zhì)中，是水氣交界面上收縮膜所承受的表面張力，該收縮膜上氣壓力與水壓力不等而產(chǎn)生的不平衡力稱為基質(zhì)吸力?；|(zhì)吸力是描述非飽和土物理力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，其能反映土體的滲透性、強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等。基質(zhì)吸力的影響因素有土體含水量、孔隙率、孔隙特征、土質(zhì)親水性和溫度等，其中溫度直接影響水膜張力和土質(zhì)親水性，又間接影響水粘滯性、吸附力和分子熱運(yùn)動(dòng)從而影響整體的基質(zhì)吸力。傳統(tǒng)的基質(zhì)吸力研究大多集中在飽和度與基質(zhì)吸力的相關(guān)

2、性研究中，而溫度對(duì)基質(zhì)吸力的影響研究較少。鑒此，本研究以理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，開展溫度對(duì)非飽和土體基質(zhì)吸力的影響研究并對(duì)Van Genuchten模型進(jìn)行溫度修正，主要工作如下：
　　1）基于孔隙介質(zhì)物質(zhì)傳輸?shù)幕纠碚?，推?dǎo)了包含溫度影響函數(shù)的基質(zhì)吸力數(shù)學(xué)模型。參考前人對(duì)基質(zhì)吸力模型推導(dǎo)的研究思路，考慮了土體材料的孔隙結(jié)構(gòu)、水膜形態(tài)、飽和度、孔隙率、水表面張力和溫度等因素，經(jīng)過一系列的公式轉(zhuǎn)化、擬合和和合并，建立了包含多因素影響

3、的基質(zhì)吸力模型，模型最終形式為(此處為方程式略過），是含有4個(gè)參數(shù)和4個(gè)未知量的非線性數(shù)學(xué)模型，該模型的推導(dǎo)為不同溫度下基質(zhì)吸力測(cè)試試驗(yàn)的開展和模型參數(shù)的界定提供了理論基礎(chǔ)。
　　2）設(shè)計(jì)和完成了一套高精度測(cè)試不同溫度條件下基質(zhì)吸力與飽和度關(guān)系的試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫絻煞N孔隙率下不同溫度的基質(zhì)吸力與飽和度的數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步界定基質(zhì)吸力模型參數(shù)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由基質(zhì)吸力測(cè)試裝置、溫度控制裝置、水量測(cè)量裝置和氣動(dòng)加載裝置四

4、大部分組成。在試驗(yàn)過程中，根據(jù)試驗(yàn)需要改裝了空壓機(jī)使其能在低壓時(shí)自動(dòng)加壓，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)自動(dòng)控制；改裝了壓力板儀自帶的玻璃管水體積測(cè)量裝置，更改出水管路使用高精度天平進(jìn)行測(cè)量；并根據(jù)試驗(yàn)土樣飽和要求自主設(shè)計(jì)發(fā)明了《簡(jiǎn)易土體飽和器》（專利號(hào)：ZL201620792414.7）。
　　3）基于最小二乘法，MATLAB編程，結(jié)合壤土試驗(yàn)數(shù)據(jù)和前人文章中膨脹土試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)已推導(dǎo)的基質(zhì)吸力模型進(jìn)行參數(shù)界定。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入MATLAB程序中計(jì)算出模

5、型的4個(gè)參數(shù)，得到了壤土和膨脹土的多因素影響基質(zhì)吸力模型的最終表達(dá)式，并驗(yàn)證了模型的合理性。
　　4）根據(jù)已求得的壤土和膨脹土的基質(zhì)吸力模型，分析溫度直接和間接對(duì)基質(zhì)吸力的影響規(guī)律，并對(duì)傳統(tǒng)Van Genuchten模型（VG模型）進(jìn)行溫度修正。控制其中變量分析溫度與基質(zhì)吸力的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示，溫度與基質(zhì)吸力呈對(duì)數(shù)關(guān)系，隨溫度的增加基質(zhì)吸力減小，且在溫度較低的時(shí)候溫度對(duì)基質(zhì)吸力影響敏感性較大。傳統(tǒng)VG模型未考慮溫度對(duì)基質(zhì)吸力的影