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粉土和砂土非饱和渗透性试验及在双层毛细阻滞系统中的应用

侯思雨  
【摘要】:由降雨诱发的山体滑坡是世界上最严重的自然灾害之一,各种非饱和地层的边坡失稳已经引起了全世界的广泛关注。土水特征曲线(SWCC)和非饱和渗透系数(k(ψ),其中ψ代表吸力)是影响边坡土体性质的重要水力学参数。然而,直接测量k(ψ)往往比较困难且耗时,并且大多数测量结果不能用于研究干湿路径的影响。为此,本文设计了一种可以实现一维水流的土柱装置。在干湿循环的过程中,孔隙水压力(Pore-Water Pressure,PWP)和体积含水量(Volumetric Water Content,VWC)可以使用先进的传感器进行连续监测,最后根据试验结果得到土水特征曲线,并使用瞬时剖面法确定了土的非饱和渗透函数。本文利用设计的土柱装置测得了粉土和砂土在干湿循环过程中的土水特征曲线和非饱和渗透系数。粉土的进气值为8kPa,高于砂土的进气值(3.2kPa)。在给定的基质吸力作用下,沿着土水特征曲线干燥过程测得的体积含水量总是大于沿着湿润过程测得的值,表现出了滞回特性。砂土的饱和渗透性高于粉土,两种土的非饱和渗透函数随吸力的增大而降低,粉土的下降速度较慢。本文利用有限元软件VADOSE/W建立了数值土柱模型并且采用试验结果进行了验证。此外,分别对粉土上覆砂土和砂土上覆粉土的土柱进行模拟,以研究双层土柱系统在干湿循环情况下的水流行为。模拟结果表明,由粉土作为上层土的双层组合可以作为双层毛细阻滞系统减少水的向下渗流。最后,进一步分析了一系列有代表性的模拟,以观察初始土壤饱和度、降水持续时间、毛细阻滞材料厚度和毛细阻滞材料对双层毛细阻滞系统的影响。在相同降水量的作用下的毛细阻滞模型在初始干燥的情况下表现良好,但是对于初始湿润情况下毛细阻滞系统变得不那么有效。在长时间的降雨作用下,毛细阻滞层的隔水作用减弱。毛细阻滞覆盖系统土层较厚时,水分下渗的较慢,有利于维持系统的有效性,但随着降水量的增加,材料厚度对毛细阻滞系统的影响效果变得不明显。另外当下层土过于粗糙时,毛细阻滞系统维持负孔隙水压力方面效果较差。


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