土水特征曲线及其在非饱和土力学中应用的基本问题研究

摘要

土水特征曲线(Soil-WaterCharacteristicCurve，简称SWCC)是非饱和土力学中描述土的非饱和状态对其水力、力学特性影响的一个重要工具，它在“含水量-吸力”空间中的位置和形状能够反映土中孔隙结构的特点(孔隙的大小和分布规律)以及土的持水能力；非饱和土力学中的许多研究领域，如强度理论、渗流理论、固结理论、本构理论都涉及到SWCC的应用；由于SWCC的量测成本高、周期长、难度大，且试验数据处理和分析也远比饱和土更加复杂，这在一定程度上导致了非饱和土力学的实践和应用还远远地落后于理论研究。为了使非饱和土力学理论能够方便地应用于工程实践，本文围绕SWCC在工程应用中存在的问题，开展了一系列的研究，主要包括以下几方面的工作：
　　 (1)根据SWCC试验散点，拟合得到能够正确地反映土中孔隙结构特点和持水能力的函数，是SWCC应用的基础和前提。本文在分析了SWCC应用的基本步骤、SWCC形状特点的基础上，结合现有SWCC模型的函数形式的特点，分析了拟合SWCC试验散点时可能出现的问题，而后在统计了21种土的SWCC拟合结果的基础上，首次提出了一种使用不完整SWCC(测量未到达残余状态)的试验点，拟合得到能够正确地反映土中孔隙结构特点和持水能力的函数的计算方法，使用这种方法，可以解决在试验条件有限，无法测得完整SWCC时，难以根据试验结果准确地确定一些非饱和土力学模型中的相关参数的取值问题。
　　 (2)以概率论为基础，利用SWCC和孔隙(水)分布函数之间的关系，提出了平均孔隙半径的概念，而后以此为基础得到了一个能够模拟变形对SWCC影响规律的计算模型；由于该模型考虑了土中的初始孔隙结构对SWCC随变形的变化规律的影响，所以它能够给出比较理想的计算结果；该模型可为建立分析非饱和土的水力、力学特性相互影响的计算模型奠定基础。
　　 (3)以概率论为基础，提出了一个能够考虑土中孔隙结构影响的饱和土渗透系数计算模型，而后结合本文提出的模拟SWCC随变形的变化规律的计算模型，以及Mualem(1976)相对渗透系数模型，建立了一个能够模拟变形对非饱和土渗透系数影响的计算模型，该模型不仅能够考虑孔隙大小的变化对渗透系数的影响，更能够考虑孔隙结构变化的影响，这使得预测结果能够更加接近于实际情况。
　　 (4)以传统域模型的基本原理为出发点，提出了一个能够方便地模拟多次浸润(吸湿)、干燥(脱湿)过程，以及在含水量(吸力)变化历史未知的情况下模拟含水量随吸力变化规律的SWCC滞后模型；而后以该模型为基础，得到了一个利用边界干燥曲线以及一条一阶浸润扫描线预测边界浸润曲线的计算方法，使用该方法，可以减少SWCC滞后模型计算时所需实测的数据，从而使现有的一些SWCC滞后模型能够方便地应用于实际工程中。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究的背景

1.2 研究的意义和内容

1.3 本论文的创新点

1.4 本论文的组织结构

2 文献综述

2.1 土水特征曲线的定义

2.2 影响土水特征曲线的因素

2.2.1 压实含水量的影响(土孔隙结构的影响)

2.2.2 塑性(土的矿物成分和粒径)的影响

2.2.3 密实程度的影响

2.2.4 应力历史的影响

2.2.5 土水特征曲线随变形变化规律的研究现状

2.3 土水特征曲线的模型及参数确定方法

2.4 土水特征曲线滞后性研究现状

2.5 预测边界浸润曲线的研究现状

2.6 水特征曲线的应用

2.6.1 抗剪强度

2.6.2 渗透系数

2.6.3 扩散系数

2.6.4 吸附系数

2.7 本章小结

3 利用不完整SWCC标定SWCC模型参数计算方法研究

3.1 引言

3.2 SWCC实测样本有效性及其对应用的影响

3.2.1 SWCC样本有效性及完整性判别条件

3.2.2 SWCC样本有效性判别条件的验证

3.2.3 不完整SWCC出现的原因

3.2.4 无法通过拟合结果的优劣判别SWCC是否有效的原因

3.2.5 不完整SWCC对SWCC应用的影响

3.3 判别SWCC是否完整以及利用不完整SWCC确定SWCC模型参数的计算方法

3.4 利用不完整SWCC确定SWCC模型参数的计算方法验证

3.5 本章小结

4 变形对土水特征曲线影响规律模拟研究

4.1 引言

4.2 研究现状

4.3 变形对SWCC影响规律模拟研究

4.3.1 平均孔隙半径

4.3.2 平均孔隙半径与孔隙率之间的关系

4.3.3 进气值随孔隙率的变化规律

4.3.4 饱和、残余体积含水量随孔隙率的变化规律

4.3.5 计算方法总结

4.4 模型的验证

4.5 孔隙结构随变形变化规律讨论

4.6 本章小结

5 变形对非饱和土渗透系数影响规律模拟研究

5.1 前言

5.2 基础知识和研究现状

5.2.1 非饱和土的渗透系数的基础知识

5.2.2 变形对非饱和土渗透系数影响研究现状

5.3 变形对HCF影响规律模拟研究

5.3.1 考虑孔隙结构影响的饱和土渗透系数模型推导

5.3.2 Mualem(19761相对渗透系数计算模型简介

5.3.3 土孔隙结构参数随变形的变化规律

5.4 变形对HCF影响的计算模型的验证

5.4.1 计算方法

5.4.2 试验数据和模型验证

5.5 本章小结

6 土水特征曲线(SWCC)的滞回特性模拟研究

6.1 引言

6.2 SWCC滞回圈相关基本概念简介

6.3 域模型的基本原理

6.4 简化计算模型的推导

6.5 简化计算模型预测扫描线能力的检验

6.6 吸力变化历史未知时扫描线预测方法初探

6.7 边界浸润曲线预测方法初探

6.7.1 基本计算方法

6.7.2 计算方法验证

6.8 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

作者简历

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