非飽和土水特征曲線的溫度效應研究.pdf

1、非飽和土水特征曲線通常定義為土中基質吸力s(kPa)與重力含水量w或體積含水量θ、飽和度S之間的關系。它反映了土壤的儲水和釋水性質,與孔隙結構和孔徑分布密切相關,可以用于預測非飽和滲透性函數(shù)、抗剪強度等物理和力學參數(shù),因此在非飽和土力學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、應力狀態(tài)影響、應力歷史影響、顆粒級配等,這些因素對土壤的持水能力影響很大,因而引起了眾多學者的關注。相比較而言,自然環(huán)境中溫度

2、的變化是不大的,其對土壤持水能力的影響體現(xiàn)得并不顯著,所以往往被忽視。但隨著科學技術的不斷進步,巖土工程領域所涉及的問題越來越復雜,如地下核廢料的處置、二氧化碳地下封存、地熱資源開發(fā)、石油開采、高壓電纜的埋設等,更多的工程設施將承受較大的溫度變化。此時,溫度對土水特征曲線的影響變得不可忽略。目前,對于如何獲取考慮溫度影響的土水特征曲線以及其影響機理,學者們還沒有達成一致意見。
　　本研究開發(fā)了一套高精度土水特征曲線自動測試系統(tǒng),開

3、展了不同溫度作用下粉土質砂土水特征曲線試驗,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)律及溫度的作用機制,并建立了考慮溫度影響的土水特征曲線預測模型,進行了一維土柱非飽和土蒸發(fā)試驗與數(shù)值分析。研究的主要內容及結論如下:
　　1)研制了一套高精度土水特征曲線自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了整個測試過程的全自動化控制,同時提高了氣壓力控制精度、修正了每一級氣壓下排水體積量和實現(xiàn)了對試驗溫度的控制,在滿足特定試驗需求的同時提高了試驗效率

4、和保證了試驗的精度,特別適用于粗顆粒土的相關試驗測試。為了實現(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,為后續(xù)試驗提供了技術支持。
　　2)將高精度土水特征曲線自動測試系統(tǒng)置于溫控箱中,開展了4種不同溫度作用下粉土質砂的土水特征曲線試驗,并與其他學者的相關試驗數(shù)據(jù)對比,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)律及溫度的作用機制。結果表明,溫度對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、的進氣值和殘余含水量均在減小,基質吸力相同時,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致溫度對粉土質砂、粉質土、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)以熱力學及非飽和土相關理論為基礎,考慮表面張力、浸潤角和吸力的溫度效應,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)律的同時建立了考慮溫度影響的土水特征曲線預測模型。通過將預測結果與實測數(shù)據(jù)進行對比可以

6、發(fā)現(xiàn)該模型具有較好的適用性。對于粘粒含量較大的土,由于忽略了溫度對顆粒表面水合作用的影響,在基質吸力大于進氣值的區(qū)段,預測結果與實測結果存在一定的偏差。
　　4)研制了可變環(huán)境條件自動蒸滲測量系統(tǒng),開展了一維土柱室內蒸發(fā)試驗,同時采用非飽和土水-熱遷移方程及相關預測參數(shù)對蒸發(fā)條件下土壤水分的運動進行了數(shù)值模擬,最后將數(shù)值計算結果與實測試驗結果進行對比,檢驗了水-熱遷移方程及相關預測參數(shù)的可靠性。結果表明,非飽和土的蒸發(fā)過程可分為三