非饱和土应力状态变量试验验证和非饱和重塑Q2黄土渗水特性研究

摘要

本文以国家自然科学基金资助项目（非饱和土的应力理论研究）和延安新区建设项目（延安新区高填方的渗流-变形研究）为依托，以非饱和土力学为基础，以笔者改进升级的非饱和土三轴仪与渗水设备为工具，对非饱和土的两个应力状态变量进行了系统的试验验证，对重塑 Q2黄土渗水特性进行了初步探讨。本文的主要研究工作和创新成果如下。
　　首先，对常规非饱和土三轴仪和水平土柱入渗设备进行了改进升级。一是采用三个GDS压力-体积控制器分别控制压力室的内、外压力和反压力，有效提高了土样体变和含水率的量测精度；二是给三轴仪配置了轴向加荷器，使其既可应变控制，又可应力控制，满足了不同试验方案的需要；三是采用 TDR水分传感器量测非饱和土水平土柱入渗试验的含水率，并采用DT80远程监测系统采集试验数据，提高了含水率量测的精度和试验过程的自动化水平。
　　其次，使用改进的非饱和土三轴仪共做了三类非饱和土三轴试验。第一类是控制净围压的非饱和土的各向等压试验，包括不同初始干密度、不同初始饱和度、不同初始吸力的3组重塑Q3黄土的各向等压试验、1组原状Q3黄土的各向等压试验；第二类是2组控制净围压、偏应力和吸力的重塑 Q3黄土的三轴固结不排水剪切试验。在上述两类试验中，等值改变（增加或减少）总围压、孔隙水压力、孔隙气压力而保持应力状态变量本身不发生变化；发现试样体积变化和水量变化都非常小，可以忽略不计，从而从变形方面和水量变化方面验证了两个非饱和土应力状态变量的合理性；第三类是3组控制净围压和吸力的重塑 Q3黄土的固结排水剪切试验，试验的每一组包含两个控制净围压和吸力分别相同的固结排水剪切试验，其中一个试样在固结完成后直接进行排水剪切试验，另一个试样在固结完成后等值增加总围压、孔隙水压力和孔隙气压力而保持净围压和吸力本身不发生变化的条件下进行排水剪切试验，发现二者的抗剪强度、剪切过程中的体积变化和排水量都分别十分接近，可以认为两两相等。从而从变形、水量变化和强度三个方面检验了两个非饱和土应力状态变量的合理性。本文的研究结果说明描述非饱和土的两个应力状态变量是合理的，夯实了非饱和土力学的应力理论基础，为非饱和土的两个应力状态变量理论提供了牢靠的试验依据。
　　第三，为了研究非饱和重塑Q2黄土的渗透特性及其和Q3黄土渗透特性的差异，对重塑Q2和Q3黄土分别做了4个干密度的水平土柱入渗试验；试样的干密度分别为1.30、1.40、1.50和1.60g/cm3；采用MP-406水分计及数据采集系统量测不同断面处体积含水率随时间的变化情况。试验研究结果表明：相同干密度的重塑Q2和Q3黄土渗水特性存在较大差异。在相同饱和度情况下，重塑Q3黄土扩散率大于重塑Q2黄土，并且随着饱和度的增大这种差异逐渐减小。不管是重塑 Q2黄土还是Q3黄土，扩散率以饱和度0.6为转折点近似由两条直线段组成；对于重塑Q3黄土，当饱和度低于0.6时，干密度的不同对扩散率影响不大；当饱和度高于0.6时，扩散率存在较大差异；但对于重塑Q2黄土，此规律不明显。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 非饱和土应力状态变量研究现状

1.3 非饱和土渗水特性研究现状

1.4 本文的课题来源及主要研究内容与方法

1.5 本章小结

第2章 非饱和土应力状态变量的试验验证研究

2.1 试验原理

2.2 非饱和土各向等压试验

2.3控制偏应力的非饱和土三轴固结不排水剪切试验

2.4 非饱和土三轴固结排水剪切试验（控制剪切速率）

2.5 本章小结

第3章 非饱和重塑Q2黄土渗水特性研究

3.1 试验仪器与设备

3.2 试验方案设计

3.3 水分传感器标定

3.4试验方法

3.5 计算方法简介

3.6 试验结果与分析

3.7 本章小结

结论及展望

4.1 非饱和土应力状态变量试验验证结论及展望

4.2 非饱和重塑Q2黄土渗水特性研究结果及展望

参考文献

致谢

附录A：攻读学位期间发表的学术论文