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土体水分迁移试验及数值模拟

孔令坤  
【摘要】: 土体中的水分及水分迁移会引发许多工程问题,水分的改变会影响土体的强度及变形;孔隙水压力会改变土体中的有效应力;渗流产生的渗透力会影响土坡的稳定;水分的冻结与融化会引发路基的不均匀冻胀、融沉和翻浆。因此,对土体内部水分的变化过程进行研究,是正确预测土体性质的改变、合理选用设计参数的依据,对保证工程稳定性有着十分重要的意义。本文从分析国内外水分迁移动力、迁移模型及水分迁移试验的研究现状出发,对封闭体系、开放体系的土体进行恒温及冻结过程中水分迁移试验,对土体中水分变化特征进行深入系统分析,取得了以下研究成果: 1)应用滤纸法确定粘性土土体水分特征曲线,并结合土体含水量时变曲线,基于达西定律,提出了确定土体水分运动参数的方法。 2)针对非冰冻土体,在恒温状态下进行了封闭系统和开放系统下土体内部水分迁移试验。通过动态监测低液限粘土、粉土、细砂内部含水量的变化过程,分析了土性、不同初始含水量等因素对水分迁移特征的影响规律,揭示了非冰冻土体的水分迁移机理和迁移动力。并建立了一维土体水分迁移控制方程,应用有限元软件对水分迁移过程进行了数值模拟。 3)针对冰冻土体,进行了冻结过程中封闭系统和开放系统下土体内部水分迁移试验。通过动态监测低液限粘土、粉土、细砂内部温度和水分变化过程,分析土性、温度梯度、冻结速率对土体温度变化、水分迁移变化的影响,揭示了冻结土体水分迁移机理及聚冰原理。并建立了一维土体温度场控制方程,对冻结土体在封闭系统和开放系统下水分变化进行了数值模拟。 4)在常温状态下,进行了低液限粘土、粉土、细砂的渗水试验,通过监测土体内部各点水分的变化,分析入渗率及累计入渗量的变化过程,揭示了入渗过程中土体水分的变化特征。并应用水分控制方程,基于象函数的拉氏逆变化,建立了简化的解析解,模拟了土体水分的入渗过程。


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