浸水过程中自重湿陷性黄土渗透和变形特性研究

摘要

为满足经济的发展，兰州地区开展了一系列“削山造城”的工程建设，这些工程涉及到重塑黄土填方。很多学者对重塑黄土的渗透和变形特性进行了深入研究，证明重塑黄土仍然具有自重湿陷性，本文在已有研究的基础上进一步深入探讨了自重湿陷性重塑黄土的渗透和变形特性问题。 本文以兰州自重湿陷性重塑黄土为研究对象，测试了黄土土样的持水曲线，开展了室内一维土柱积水入渗试验，并应用改进浸润锋前进法获取了非饱和渗透系数，比较了数值模拟方法的准确度。开展了无上覆自重应力下室内试坑浸水模型试验，得到试坑浸水过程中水分场分布并建立数值模型进行模拟。开展了上覆自重应力下室内试坑浸水模型试验，观测了浸水过程中土样的湿陷变形规律，为研究湿陷变形对渗透系数的影响，测试了土样各级压力固结后的饱和渗透系数。主要得出了以下结论： 1.根据一维土柱积水入渗试验，基于改进浸润锋前进法获得的非饱和渗透系数函数较间接法获得的非饱和渗透系数函数精度更高，与应用Hydrus反演更具有试验基础，为数值模拟参数选取提供了参考。 2.比较了Green-Ampt修正模型和王文焰等提出的模型以及基于Richard方程的数值方法在模拟积水入渗情况非饱和重塑黄土土柱水分迁移过程的准确度，Green-Ampt修正模型过慢地预测了浸润锋速率，王文焰等提出的模型预测的浸润锋速率较快，而采用相同参数情况下利用基于求解一维Richard方程的方法相较于其他方法更为接近实测值，为模拟方法的选取提供了参考。 3.本文建立模型所得数值模拟结果能较好地预测无上覆自重应力下室内试坑浸水试验中的浸润锋，说明应用一维土柱获得的非饱和渗透系数函数以及求解Richard方程数值方法的可靠性。 4.分析一维土柱积水入渗与二维试坑浸水入渗的差异，发现随着试坑直径的增加，试坑中心线下，浸润锋迁移规律趋向于一维入渗，且浸润锋入渗深度较小时更符合一维入渗。 5.获取上覆自重应力下试坑浸水过程中土层的竖向和水平湿陷变形规律，发现竖向变形较水平湿陷变形要大，得到不同深度处的湿陷变形量，并结合侧向压力的变化利用应力重分布揭示了湿陷变形过程中侧向变形机理，距离试坑中心线下较近区域含水率率先增加，导致此区域K0系数增大侧向土压力相应增大，而距离试坑中心线下较远区域含水率未发生变化，使得该区域K0系数以及侧向应力均小于距离试坑中心线下较近区域，由于存在应力差，导致土体内发生应力重分布，较近区域土体将较远区域土体挤出产生侧向变形。

目录

第一章 绪论

1.1 选题的目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 自重湿陷性黄土渗透特性研究现状

1.2.2 自重湿陷性黄土湿陷变形研究现状

1.3.1 技术路线

1.3.2 研究内容

第二章 无上覆自重应力下兰州自重湿陷性重塑黄土渗透特性

2.1.1 取土点地质概况

2.1.2 土样基本物理性质测定

2.2 持水曲线测定

2.2.1 试验目的与方法

2.2.2 测试结果拟合

2.3 渗透特性研究

2.3.1 一维积水入渗试验前准备工作

2.3.2 一维土柱的制备

2.3.3 水分传感器的埋设与标定

2.3.4 积水入渗试验过程

2.3.5 非饱和渗透系数函数的获取

2.4 本章小结

第三章 一维竖直土柱水分迁移数值模拟

3.1 数值模拟方法

3.1.1 Green-Ampt修正模型和王文焰等提出的模型

3.1.2 基于求解Richard方程的方法

3.2 模拟方法的结果分析

3.3 本章小结

第四章 无上覆自重应力下室内试坑浸水模型试验及数值模拟

4.1 试验方案

4.2 试验结果分析

4.3.1 土体水运动方程

4.3.2 初始条件

4.3.3 边界条件

4.3.4 SWMS-2D程序介绍

4.3.5 水分入渗过程的数值模拟

4.3.6 浸润锋迁移规律一维与二维差别分析

4.3.7 已有试坑中心线下水分分布计算模型的可靠性验证

4.4 本章小结

第五章 上覆自重应力下兰州自重湿陷性黄土变形特性研究

5.1 土样分级固结后饱和渗透系数变化研究

5.2 侧向土压力系数K0测定

5.3 试验方案

5.4 试验结果分析

5.4.1 不同深度湿陷变形量

5.4.2 应力分布解释侧向变形机理

5.5 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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