降雨入渗下黄土地基渗流规律与湿陷特征研究

摘要

湿陷性黄土地基对水的敏感性很强，尤其是长时间的降雨会致使基质吸力发生明显变化，引起土体抗剪强度的衰减，从而导致地基灾害。因此研究持续降雨作用下黄土地基中的渗透性和湿陷性，不仅对地基稳定等实际工程问题具有重要的指导意义，而且还能有效的减少灾害的发生和经济财产的损失。 本文采用物理试验与数值试验相结合的方法。通过物理试验，探究了重塑和原状黄土地基渗流规律，并验证了降雨入渗数值模拟的关键要素（参数、边界、流程）。应用水文统计的方法，得出西安市连阴雨降雨特征与不同重现期下的降雨总量，将此作为边界条件，并对已有资料进行挖掘，应用数值模拟分析不同实测的土水特征曲线、渗透系数等对地基渗流场的影响。在此基础上，基于简化的黄土湿陷变形模型，应用有限元软件进行二次开发，分析了黄土地基的湿陷变形。论文的主要内容和结论如下： (l)应用自行设计的工具，对SWR土壤水分传感器进行标定，总结出了室内标定SWR传感器的方法并得出三次标定关系式;自行设计了一套大尺寸室内积水入渗装置进行试验，探讨重塑黄土地基渗流规律，发现含水率随时间呈现先增加然后降低再趋于平稳状态，湿润锋运移速率随着运移距离的增大而减小，项部的土体接近饱和状态，而下部的饱和度较小。 (2)应用SEEP/W模拟现场浸水试验，探讨原状黄土地基入渗规律：浸水过程中，浸润线形状始终近似为对称分布的“喇叭形”，停止供水后，浸润范围主要发生在下部地基内。应用ABAQUS平台进行二次开发，将黄土湿陷变形模型应用于数值模拟中，得出黄土湿陷变形规律，并与实测结果对比发现：变形随深度增加而减小，湿陷主要发生在上部区域，且减小速率快，湿陷变形从试坑中心向试坑外方向逐渐减小，由此验证了所开发的程序用来模拟湿陷变形的可行性与合理性。 (3)对西安市1981年～2015年的实测日降雨量进行统计分析，发现西安市连阴雨降雨天数分布在4～12天，平均降雨天数为5.6天，降雨总量分布在20.3～186.7mm，平均降雨总量为71.6mm：应用水文频率分析计算软件，采用计算机优化适线法绘制出的皮尔逊Ⅲ型频率曲线，通过曲线得到了西安市不同重现期下的连阴雨降雨总量。 (4)针对实际工程中处理后的黄土地基，根据不同重现期下的连阴雨，利用SEEP/W进行降雨入渗计算，分析出了能够反映实际情况的不同降雨量、降雨持续时间、土水特征曲线、渗透系数和不同地基处理深度对降雨过程中地基渗流场变化均有不同程度的影响。降雨结束时，地基表面的变形大于处理后地基表面的变形。对于地基表面，靠近基坑一侧的变形小于远离基坑一侧；对于处理后地基表面，基坑角处的变形大于远离基坑角处的变形。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 积水入渗研究现状

1.2.2 现场浸水试验研究现状

1.2.3 降雨入渗研究现状

1.3 主要研究内容和技术路线

2 重塑黄土地基渗流规律试验研究

2.1 试验土样

2.1.1 取样

2.1.2 土样制备

2.2 重塑黄土击实试验

2.2.1 试验目的

2.2.2 试验步骤

2.2.3 试验结果分析

2.3 供水筒标定试验

2.3.1 试验目的

2.3.2 供水筒标定步骤及标定关系式

2.4 SWR土壤水分传感器标定试验

2.4.1 试验目的

2.4.2 试验仪器

2.4.3 标定过程

2.4.4 标定结果

2.5 积水入渗试验

2.5.1 试验目的

2.5.2 试验装置

2.5.3 试验方案及过程

2.5.4 试验结果分析

2.6 积水入渗数值模拟

2.6.1 SEEP/W简介

2.6.2 计算模型及相关参数

2.6.3 初始条件及边界条件

2.6.4 网格划分

2.6.5 数值计算结果与试验结果对比

2.7 本章小结

3 原状黄土地基渗流和湿陷规律试验研究

3.1 现场浸水试验简述

3.1.1 试验场地工程地质条件

3.1.2 现场试验设计

3.1.3 观测系统建立

3.1.4 试验过程简述

3.2 水分入渗规律研究

3.2.1 计算模型及边界条件

3.2.2 初始条件和计算参数

3.2.3 水分入渗规律分析

3.3 湿陷变形规律研究

3.3.1 ABAQUS简介

3.3.2 黄土湿陷变形原理

3.3.3 计算模型及边界条件

3.3.4 湿陷变形规律分析

3.4 本章小结

4 降雨边界概化模型

4.1 降雨资料的搜集与分析

4.1.1 资料搜集

4.1.2 资料的三性检查

4.2 水文统计基本知识

（1）频率

（2）累积频率

（3）重现期

（4）变差系数Cv

（5）偏态系数Cs

（6）皮尔逊Ⅲ型曲线

（7）水文频率适线法及分析软件

（8）统计参数对频率曲线的影响

4.3 西安市连阴雨分析

4.3.1 西安市连阴雨特征分析

4.3.2 西安市连阴雨频率分析

4.4 本章小结

5 降雨入渗下黄土地基渗流和变形规律分析

5.1 降雨入渗基本理论

5.2 降雨入渗黄土地基渗流规律分析

5.2.1 计算模型的建立

5.2.2 降雨方案设计

5.2.3 连阴雨入渗对地基体积含水率的影响

5.2.4 连阴雨入渗对地基孔隙水压力的影响

5.3 降雨入渗黄土地基湿陷变形规律分析

5.3.1 计算模型与相关方案

5.3.2 湿陷变形规律分析

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

笔者攻读硕士学位期间主要成果和从事的实践活动