非饱和黄土结合水特性及水分迁移问题研究

摘要

非饱和黄土遍布黄土高原，其水分状态对其工程性质有显著影响，目前对其水分状态尤其是结合水状态的研究尚欠缺。论文通过等温吸附法和热重分析法确定了黄土中强结合水和弱结合水的含量，试验结果表明黄土中结合水的含量主要与粘土矿物的含量有关，并且随着粘土矿物含量的增加而增加，建立了不同类型结合水含量与粘土矿物含量之间的关系式，并通过试验和理论分析相结合的方法确定了不同类型的结合水的密度和水膜厚度。 吸力是影响非饱和土渗流问题的重要变量，不同含水量水平的土体可存在不同吸力类型，其对渗流问题有不同影响，目前针对非饱和土渗流问题尚缺乏对吸力的分类的研究。为此，在分析孔隙水赋存状态及及其吸力作用的基础上，将非饱和土中孔隙水分为结合水、毛细角边水和连通毛细水三种类型，非饱和土中的吸力可分为吸附作用力、吸附毛细作用力和毛细作用力。结合水在自然条件下的迁移可以忽略不计，处于毛细角边水状态的非饱和土以气态水迁移为主，当非饱和土中的毛细水连通时，水分以液态水迁移为主，并给出了非饱和土黄土结合水、毛细角边水和毛细水的界限含水量。 进一步在物理化学相关原理的基础上给出了吸附作用力的理论计算公式，吸附作用力可以通过结合水化学势能的减小量来衡量；基于分析非饱和土中吸附毛细作用力的作用效应，给出了吸附毛细作用力的确定方法；基于非饱和土力学原理列出了毛细作用力的确定方法，并对其适用性进行了评述。固-液接触角的不易确定性和孔径分布的随机性致使毛细作用力的理论计算公式难以在实际中应用，因此，往往通过以陶瓷板为代表的高进气材料来测定土体中的吸力。基于对水-气-陶瓷板-非饱和土测试系统的分析，给出了毛细作用力量测时适宜的含水量范围，只有当非饱和土中的毛细水处于联通状态时才可以通过该系统量测非饱和土中的吸力。 基于上述分析，选择毛细水连通的非饱和黄土，开展了其在基质势梯度作用下的水分迁移试验。试验结果表明，毛细水连通状态下的非饱和黄土中的水分迁移量大体上随着基质势梯度的增加而增加，并建立了水分迁移量与基质势梯度之间的统计关系式，可为评价基质势梯度对水分迁移的驱动作用所参考。进一步针对黄土高原旱区浅层土体水分场随气候变化问题，开展了非饱和黄土在温度梯度作用下的气态水迁移和液态水迁移试验。试验结果表明，气态水迁移量和液态水迁移量均随着温度梯度的增加而增加，气态水迁移量的增加幅度显著大于液态水迁移量的增加幅度。在气态水迁移中，温度效应随着土样初始含水量的增加而显著增加；在液态水迁移中，温度效应与土样初始含水量的关系不大。在对试验结果分析的基础上，建立了综合考虑温度梯度和初始含水量影响的非饱和黄土稳态时含水量梯度的关系式。 最后，在上述研究成果的基础上完善了非饱和土二维非稳态有限元计算方法，并对黄土高原浅层土体水分场在连续干旱条件下的动态变化进行了数值分析。水分场的数值计算结果与实测结果较为一致，表明了用数值计算预测浅层黄土水分场动态变化的可靠性。基于实测和计算结果，分析得到了黄土高原旱区浅层土体水分场在连续干旱条件下的变化规律以及土层含水量在不同干旱时间范围内的减小程度，可以为黄土高原旱区植物防护工程建设所参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1选题背景

1.2结合水的研究历史和现状

1.3土体中水分迁移的研究历史和现状

1.4本论文的研究内容

第2章 黄土中结合水特性研究①

2.1试验方法的确立

2.2试验

2.3结合水类型及含量的确定

2.4结合水的密度和水膜厚度的确定方法

2.5结果与分析

2.6小结

第3章 非饱和黄土吸力的分类及其确定方法研究

3.1现有的吸力分类方法

3.2孔隙水赋存状态的分类

3.3基于孔隙水赋存状态的吸力分类方法

3.4不同类型吸力的确定方法

3.5高进气值材料量测吸力的适用性分析

3.6小结

第4章 基质势梯度作用下非饱和黄土水分迁移研究

4.1试验

4.2水分迁移量与基质势梯度的关系

4.3小结

第5章 温度梯度作用下非饱和黄土水分迁移研究①

5.1试验

5.2温度场的动态变化

5.3含水量的动态变化

5.4含水量梯度的变化

5.5水分迁移的温度效应

5.6小结

第6章 连续干旱期黄土高原浅层土体水分场的数值分析①

6.1现场实测结果及分析

6.2二维非稳态流数值计算方法的完善

6.3数值计算结果及分析

6.4小结

第7章 结论与展望

7.1创新点

7.2结论

7.3展望

参考文献

攻读博士期间已发表的论文

作者简介

致谢