（岩土工程专业论文）气体在饱和粘性土中渗透行为的模拟试验及其工程应用.pdf

摘要 非饱和软土层中的渗流问题，是近年束非饱和土力学中重要的研究内容之 一。如何实现气体通过饱和一非饱和粘性土层中的渗流研究，对于固一液一气多 相耦合理论应用研究具有重要的工程价值和学术意义。 在有关气体渗透工程中，压气沉箱工法施工较有代表性，而且压气沉箱工法 在我国至今未见到过有关工程实例报道，施工期i 日j 气体渗透参数的确定方法也未 见公丌发表。本文以压气沉箱工法施工为模拟背景，主要通过全过程渗压室内试 验柬了解压气沉箱工法施工期间饱和粘性土中气体渗透行为，通过同济大学自行 研制的土壤气体渗透测试系统实验室测定法( 稳念法) ，获得了不同固结压力状 态下( 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 k p a ) 的气体渗透参数，建立了气体渗透流量与气 压梯度之l 、b j 的依赖方程，研究了饱和牯性土的气体渗透规律，初步解决了压气沉 箱工法施工设计中气体渗透参数的取值问题。 本项研究对上海典型土层( 、，、。、。、) 共7 层土进 行了非饱和土一水特征实验和气体彦透试验，获得了含水土层从饱和到非饱和过 程中气体渗透变化情况的基础资料。 本文针对含水土层中的气、水运移规律，采用室内理论分析、室内实验研 究以及非饱和多相流数值模拟研究等方法，所获得的相关渗透参数以及气水运移 规律可直接用于指导压气沉箱法设计与施工。 对气体在含水土层中运移的理论分析表明： ( 1 ) 空气在饱和粘性土层中流动的主要通道是土中的孔隙。在压力梯度的 驱动下，气体沿压力降低的方向作层流流动，其流动规律近似符合达四定律。对 于低渗透情况可以通过改进达西定律束描述。空气在饱和粘性土层中流动，除了 空气外，还存在水，即气、水两相以各自独立的相念流动。 ( 2 ) 空气在饱和枯性土层中流动主要有三个阶段：单相水流阶段、非饱和 单相流阶段、非饱和气水两相流阶段。 ( 3 ) 土层中气、水渗透系数之日j 满足：k 。= 苎生k 。，渗气系数要大于土 d 的水力渗透系数值约1 2 个数量级。在2 0 时，气、水渗透系数的定量关系即： k 。= 5 3 k 。 ( 4 ) 根据包承刚等的“气相四形态”划分“气相四形态”划分原理，将气体 在土中渗透存在性念根掘s w c c 分为：气相边界效应段、气相内部连通段、气相 部分连通段、气相完全连通段。 在含水土层中进行气体渗透施工时，气体为内部连通状态应是合适状念，其 施工压力应满足：( p c + h ) p z ( p s + h ) 其中，p z ：气体施工压力； p c ：进气值；p s ：s w c c 曲线“气体部分连通段”起始压力；h ：静水压力 对气体在含水土层中运移的室内试验表明： ( 1 ) 本项研究采用的经典的稳念法试验方法是可行的。试验设备采用同济 大学自行研制的g d s 土壤气体渗透删试系统，进行不同土样在不同气压差条件下 的稳念渗透试验。根掘实验数据曲线，得到气体在饱和一非饱和土层中渗流相关 规律。 ( 2 ) 当饱和度达到一定时，土层中气体渗流将偏离达西定律，并存在“启 动压差”和“启动压力梯度”等现象。 ( 3 ) 根据土层气测渗透率与土的干密度关系得出：土体中气体渗透系数随 压实密度增加呈指数规律衰减。压气沉箱的工作深度最深可达6 0 8 0 m ，施工设 计时，要根据不同土体的具体情况，充分考虑土层干密度对气体迁移运动所带柬的 影响。 ( 4 ) 通过气体在饱和粘性土中渗透过程的试验可以得到非饱和土的重要参 数：进气值。进而得出了在含水土层中进行气体渗透施工时的压力取值方法和相 关非饱和土力学参数。 本项研究还针对压气沉箱工法施工的实际工况，采用室内试验结果，对气体 在含水土层中运移特性进行了水气二相流数值模拟，获取如下结论： ( 1 ) 结合饱和一非饱和渗流理论和室内试验研究，将水气二相流数学模型 以及其模拟方法应用于压气沉箱工法施工模拟过程。结果基本符合实际情况。 ( 2 ) 压气沉箱施工模拟表明，刃角是气体渗漏主要部位。当压气沉箱在渗 透率上小下大土层中施工时，沉箱刃角处仍是是气体渗属的主要部位，气体渗漏 主要方向是渗透率较大的土层。 ( 3 ) 压气沉箱施工模拟表明，气体渗漏与渗透率和颗粒分靠有很好的相关 关系。对目标土层而吉，s h 、s h 2 为含砂质粉土或央砂，渗透率较大，因此 气体渗漏量很大；s h 、s h 3 、s h l 、s h 等土层均为粉质粘土，渗漏量次之； s h 为淤泥质粘土，颗粒较细，渗透率较小，渗漏量也较小。 ( 4 ) 土层s h 、s h 2 气体传播速度较快；s h 、s h 1 次之；s h 3 、s h 、 s h 气体传播速度较慢。 ( 5 ) 本研究丰富了土体非饱和渗流工程理论，对压气沉箱工法设计等具有 实际应用意义。 项目成果可直接用于指导上晦地区软土中气压沉箱施工，特别是对施工过程 中沉箱中的气压调控是非常有益的，并对今后长距离地下隧道中采用气压平衡法 施工具有借鉴作用。同时，本项目成果对于饱和软土地区因施工产生的工程非饱 和念软土的研究也具有重要的参考价值。 关键词：饱和粘性土，渗透行为，模拟试验，非饱和，气体渗透参数，数值模拟， 工程应用 a b s t r a c t p a r h c u l a ra t t e n t i o n sh a v eb e e np a i dt ot h es e e p a g ep r o b l e m si nu n s a t u r a t e ds o f t s o i l si nr e c e n ty e a r s s t u d i e so ng a sp e r m e a b i l i t yt h r o u g hs a t u r a t e d t m s a t u r a t e ds o i l s h a v es i g n i f i c a n tp r a c t i c a la n da c a d e m i cv a l u ef o rs o i lm e c h a n i c s t h ec o n s t r u c t i o no fp n e u m a t i cc a i s s o nw o r km e t h o d ( p c w m ) i st y p i c a li n p r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e l a t e dt og a ss e e p a g e ，b u tw i t h o u ta n yi n s t a n c er e p o r t e di n c h i n a t h em e t h o do fi d e n t i f y i n gt h eg a sp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e ri nt h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s sh a sn e v e rb e e np u b l i s h e d i nt h i sc o n t e x t , as e r i e so fl a b o r a t o r yt e s t sw e r e c a r r i e do u tu s i n gt h eg a sp e r m e a b i l i t yt e s t i n gs y s t e md e v e l o p e db yt o n g i iu n i v e r s i t y , i no r d e rt os t u d yt h eg a sp e r m e a b i l i t yb e h a v i o r d u r i n gt h ep c w mc o n s t r u c t i o n p r o c e s s t h eg a sp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tc o n s o l i d a t i o nc o n & t i o n s ( 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 - 1 2 0 0 k p a ) w e r eo b t a i n e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg a s f l o wa n dt h eg a sp r e s s u r eg r a d i e n tw a sg i v e no u t t h ep r o b l e mo fh o wt oi d e n t i f yt h e g a sp e r m e a b i l i t yp a r a m e t e r sh a sb e e np r i m a r i l ys o l v e di nt h ed e s i g no fp c w m c o n s t r u c t i o n t h e7l a y e r so f t y p i c a ls h a n g h a is o i l s ( 、l 、2 、3 、) w e r e t e s t e d ，i n c l u d i n gt h es t u d i e so fs o i l w a t e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d t h eg a sp e r m e a b i l i t y a i m i n g a tt h ew a t e ra n dg a sm i g r a t i o nr u l e s ，d i f f e r e n tm e t h o d ss u c ha st h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，l a b o r a t o r yt e s t sa n dm u l t i p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw e r ea d o p t e di nt h i s p a p e r , a n dt h er e s u l t sc a nb ea p p l i e dt ot h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fp c m w t h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eg a sm i g r a n o ni nt h ew a t e r ys o i l ss h o w s ： ( 1 ) t h em a i np a t ht h r o u g hw h i c hg a sm i g r a t e si ns a t u r a t e ds o i l si st h es o i lp o r e s u n d e rt h ed r i v eo f p r e s s u r eg r a d i e n t ，g a sf l o w st ot h ed i r e c t i o ni nw h i c ht h ep r e s s u r e g r a d m n td e c r e a s e s ，a n dt h ef l o wl a w i sc l o s et od a r c y sl a w t h eg a sf l o wb e h a v i o r u n d e rl o w p e r m e a b i h t yc o n d i t i o n sc a nb ee x p l a i n e db yt h ei m p r o v e dd a r c y sl a w e x c e p tf o rt h eg a s ，w a t e ra l s oe x i s t si nt h es o i l g a sa n dw a t e r f l o w ss e p a r a t e l yi n t h e i ro w n p h a s e s ( 2 ) t h eg a sf l o wh a st h r e es t a g e si ns a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds o i l s ：o n e p h a s ew a t e r f l o w s t a g e 、o n e - p h a s eg a sf l o ws t a g ea n dt w o - p h a s ef l o ws t a g e ( 3 ) t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np e r m e a b d i t yc o e f f i c i e n to f g a sa n dw a t e ri s ： ， k 。= 盐k 。，t h ep e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f g a si sb i g g e rt h a nt h ep e r m e a b i l i t y 1 1 1 c o e f f i c i e n to f w a t e r b y l 一2o r d e r so f m a g n i t u d e a t2 0 。c ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e p e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f g a sa n dw a t e ri s ：k 。= 5 3 k ， ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e “f o u rs h a p eo f g a sp h a s ei ns o i l ”a n ds w c c ，t h e g a sc o n d i t i o nc a nb es p l i t t e di n t of o u rs e c t i o n s ：t h eg a sp h a s eb o u n d a r ye f f e c ts e c t i o n ； t h eg a sp h a s ei n t e m a lc o n n e c t i o ns e c t i o n ；t h eg a sp h a s e p a r tc o n n e c t i o ns e c t i o na n d t h eg a sp h a s ec o m p l e t ec o n n e c t i o ns e c t i o n t h ea n a l y z a t i o ns h o w s ，w h e nc o n s t r u c t i n go ng a sp e r m e a t i o ni ns o i l ，t h e t h el a b o r a t o r yt e s t so nt h eg a sf l o wi nw a t e r ys o i li n d i c a t et h a t ： ( 1 ) t h es t e a d y s t a t em e t h o d sf o rt e s t i n gt h eg a sf l o wi ns o i l sa r ef e a s i b l e u s i n g t h eg a sp e r m e a b i l i t yt e s t i n gs y s t e md e v e l o p e db yt o n g j iu n i v e r s i t y , as e r i e so f s o i l s p e c i m e n sa r et e s t e du n d e rd i f f e r e n tg a sp r e s s u r ec o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec u r v e s o b t a i n e d ，t h eg a sf l o wl a w si ns a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds o l l sc a nb eg i v e no u t ( 2 ) w h e nt h ed e g r e eo fs a t u r a t i o nc o m e su pt oac e r t a i nd e g r e e ，t h eg a sf l o wl a w i nt h es o i l sm a yd e p a r t u r ef r o mt h ed a r c y sl a w , a n ds o m es p e c i a lp h e n o m e n as u c h a s i n i t i a lp r e s s u r e a n d i n i t i a lp r e s s u r eg r a d i e n t i so b s e r v e d ( 3 ) t h er e l a u o n s h i pb e t w e e ng a sp e r m e a b i l i t ya n ds o i la r ed e n s i t ys h o w s ：g a s p e r m e a b l l i t yd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fs o i ld r yd e n s i t y t h ec o n s t r u c t i o nd e p t ho f p c w mc a ne x t e n dt o6 0 8 0 mu n d e r g r o u n d ，s ot h ei n f l u e n c eo fs o i ld r yd e n s i t yo n g a s f l o wm u s tb ec o n s i d e r e d ( 4 ) t h r o u g ht h eg a s p e r m e a b i l i t y t e s t si ns a t u r a t e d - u n s a t u r a t e d s o i l s ，t h e i m p o r t a n tp a r a m e t e ro f u n s a t u r a t e ds o i l s ，a i re n t r yv a l u e ，c a l lb eo b t m n e d t h em e t h o d o fi d e n t i f y i n gt h ep r e s s u r ev a l u e sd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s so f g a sp e r m e a b i l i t y i nw a t e r ys o i l si sa l s oo b t a i n e d ，a sw e l la st h ep a r a m e t e r so f u n s a t u r a t e ds o i l s m u l t l p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa l s oa p p l i e di nt h i sp a p e r , a n dt h e f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r eg i v e no u t ： ( 1 ) c o m b i n i n g t h es a t u r a t e d - u n s a t u r a t e ds e e p a g et h e o r ya n dt h er e s u l t so f l a b o r a t o r yt e s t so ng a sf l o w , t h em u l t i p h a s ef l o wn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sa p p l i e di n t h es i m u l a t i o no f p c w m c o n s t r u c t i o n a n dt h er e s u l t sa r es a t i s f l e d ( 2 ) t h es i m u l a t i o no f p c w mc o n s t r u c t i o ns h o w s ：i n t e r f a c eo f p n e u m a t i c c a i s s o n sr a k ei st h em a i ng a sl e a k a g ep o s i t i o n 1 1 1 ed i r e c t i o no f g a sl e a k a g ei st ot h e b i g g e rp e r m e a b i l i t y ss o i l ( 3 ) g a sl e a k a g ei sr e l a t e dt ot h ep e r m e a b i l i t yr a t ea n dt h ep o r e s i z ed i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt ot h es o i l st e s t e di nt h i sp a p e r , t h eg a sl e a k a g eo f s h ) a n ds h 2i st h e l a r g e s t ；t h eg a sl e a k a g eo f s h ) 、s h 3 、s h l 、s h i sr e l a t i v e l ys m a l l e r ；a n dt h eg a s i v l e a k a g eo f s h i st h es m a l l e s t ( 4 ) t h eg a sf l o wi ns h 、s h 2i sf a s t e s t ；t h eg a sf l o wi ns h 、s h li s r e l a t i v e l ys l o w e r ；a n dt h eg a sf l o wi ns h 3 、s h 、s h i st h es l o w e s t ( 5 ) t h er e s e a r c h e si nt h i sp a p e ra r es u p p l e m e n t a r yt ot h es e e p a g et h e o r yi n u n s a t u r a t e ds o i l sa n dh e l p f u lt ot h ed e s i g no f p c w mc o n s t r u c t i o n t h er e s u l t so f t h i sp a p e rc a nb eu s e dt og u l d m gt h ep c w m c o n s t r u c t i o n , e s p e c i a l l yf o r t h er e g u l a t i o no f g a sp r e s s u r e ，a n di ti sh e l p f u lt ot h eg a se q u i l i b r i u m c o n s t r u c t i o ni nl o n g d i s t a n c e dt u n n e l s a tt h es a m et i m e ，t h er e s u l t sa r eb e n e f i c i a lt o t h eu n s a t u r a t e ds o f ts o i lm e c h a n i c sr e s e a r c ha n dh a v ea ni m p o r t a n tr e f e r e n e ev a l u e k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds o i l ，p e r m e a t i o na c t i o n ，g a sc o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y , s i m u l a t i o nt e s t ，d e s i g np a r a m e t e r v 第一章绪论 第一章绪论弟一早z 百t 匕 1 1 立论的依据及研究的目的和意义 气体通过饱和一1 r 饱和十层中的房魔，厂泛地存在丁桥梁基础i 稃、地pi 稗、1 1 油、 大然气、化f 苫领域。在国k 经济中有重要意义的产业都有其各白的气体渗流问题。如地f 热能的开发中的渗流相变等，核废十 储存中有天的渗流闯题，币气沉箱i 法中有关的渗流问 题，都牵涉剑气体渗流平岩、十介质的相且t r 用，气体渗流力学问题的研究有着重要的理论 与府h j 价值“。 研究高气乐 1 f 饱和f 十层中的气体流动规律贝有现实的理论意义和实际府川价值。 2 01 廿纪9 0 年代以来，随着地铁线路的人茸建及，在气乐法隧道施1 以及乐气沉箱基坑 管气体彦透i 拌施l 过拌中，出现了对气乐调控以及廿饱和带中十体廖流力学性态变化特祉 苫问题的迫切天心，这给岩七j 程学科带来了一系列新的挑战眭课题。本文以压气沉箱j 法 施_ l 为背景，对这个问题进彳了了研究。 地f 1 稃气压法施j 过稃中，气体、水在含水软十中的廷动规律，直接影响剑维持气 压室止常i 作气压的变化牛十征。冈此，对十层中的气、水远移规律进行试验研究，以获取相 关的房透参数，对丁= 指导气乐法施r ，牛+ 别是施】过稃中的气厅调控是1 r 常有益的。 当考虑气体在含水十层中返动问题时，饱和问题已经转化为甘饱和问题。 含水十层中水的渗透系数是一个重要的水文地质参数。人们对这一参数的认识与获取手 段已相对成熟。目前，室内实验求取粘性十渗透系数的常川方法有：常水头与变水头法。气 体彦透性是1 r 饱和十体构成中影响气体房透的一项基本参数，找到一种精确的删定气体彦透 性的方法是必要的。 针对气压法隧道施i 过稃中，隧道中的气压调控与含水十层中气体_ i 垒移规律之间的大 系，以及由此而广上生的1 r 饱和带中十体力学性态的变化特征，本项研究拟通过现场采样、室 内1 r 饱和十试验( 包括：土一水特祉曲线的测定、可控制吸力的1 r 饱和十二轴剪切试验以及 含水十层中的气体渗透实验等) ，采川崩结仪改装成含水十层中气体远移房透系数的管测设 备，结合先进的g d s 控制系统，以及高级府力路行二轴试验系统，对上每地阿含水软十中气、 水房透参数及其相且天系，含水十层中气体彦透特征及田此产生的竹饱和态十体i 稃犄性展 开试验研究。 第一章绪论 在日本，随着近年城市内部爵开发及城市交通网的不断扩人，狭窄的市区、山地等的特 殊环境或高地p 水付、软弱地层笛的牛十殊地基条f ，| r 的较为凼肛的复杂施il 稃也住迅速增 加，同时加之当代建筑物、构筑物不断向高层化，人深度化，重荷裁化筲方面发展的必然趋 势，贝有独牛十施i 效果_ 稠l 独牛+ 施r 方弦的压气沉箱施l1 珐l l 在桥梁、大喇殴备基础、隧道、 基坑笛人掣i 拌中得土d 越来越j 泛的府用”“。 与其他的施i 方法相比，乐气沉箱i 法具有汀多独特的优点。长期以来日本在设计理论、 旌i 技术方面进 一了不断的完善与发展，使该i 法进入了远科白动化控制施1 时代。从理论 上讲，该施i 方珐不再受 沉深度和i 作( 或理论) 气压的限制，但在挖拥机的检存、维修 筲特殊怙况，什业人员还不得不进入高压i 作室内。1 9 8 0 1 9 9 0 年期间的有笑蛹齐资 表明， 在3 o k g c m 2 的乐力环境p ，呼吸高压空气k 时间j 什，减乐病等高压职业病的患病率还比 较人，减乐病患病率超过了2 。目前由丁施f 技术的改进，只在机械检修等村姝情况h 短时 间进入1 作室从事轻体力it r ，患减乐病筲高乐职业病的可能性变得1 r 常小，但危险性还不 能完全排除。随着深度的不断加深，i 作气压的增人，这种危险发生的可能性也在增加。通 常人们认为人体的耐乐极限4 o k g c m 2 ，从以往实际j 稃的统计资料来石，对丁较人深度压 气沉箱i 稃，采埘深升降水等辅助施i 方法可将最人竹压力控制住4 o k g c m 2 以内”。 通常所说的沉箱( c a i s s o n ) l 珐可以分为开口沉箱( o p e nc a i s s o n ) 与斥气沉箱 ( p n e u m a t i cc a i s s o n m e t h o d ) f 法两种，其中开口沉箱f 法在中国已经有讦多施1 实例，但 是厝气尻箱i 法在中国却至今未见剑过有天l 稃实例方面的公开报导，施j 期间采t l f 的气体 房透参数的获取方法也朱见公开发表”1 。实际上，采j 压气沉箱l 法在饱和枯十层中的施f ， 沉箱i 仃面附近十层经过了从饱利态剑1 r 饱和态的动态变化过稃。 压气沉箱i 法，简单来说就是在其 部最置一个气密删高的钢筋混凝十刍l i 构i 作室 ( w o r k i n gc h a m b e r ) ，以便i 作人员可以住无水较干的环境p 进行挖十排七。为了防l r 地p 水渗入j 作主，该1 法是通过气斥白动调竹袈置向i 仃室内注入压力与刃口处地p 水乐力相 等的压缩空气，在 竹室内挖播f | 地层升向外排十，箱体在本身的重苗以及上部荷载川水重蟹 的竹川rp 沉剑指定的深度，最j 斤在沉箱结构的底部硗筑税撮十底板”。 水的渗透系数是一个重要的水文地质参数。人们对这一参数的认识与获取手段己相对成 熟。白4 0 年代以米，很多等者”“对水在饱和粘性十中的彦透规律有不同的认识，门纳起来 有二种观点；一是符合达曲定律；一是不符合丛曲定律；二是视十体中水存在的形式而定， 即重力水彦透符合丛阳定律，结合水则不符合。 但是，对丁气体在饱和i 粘性十中的彦透行为和房透规律，l 拌界与学木界了解还不多。 2 第一章绪论 实际上，在饱和粘十层中进行施i ，十层经过了从饱帚i 态仝1 j 竹饱和态的动态变化过科。蔓内 试验的目的是反映这种动态变化，f 建立饱和i 粘性十气体房透速度与气庠梯度的笑系方袢， 以求进一步了解气体在饱和粘性十中的彦透规律。冈此，找到任饱平l i j ：占十层中删定气体渗透 性的方法是必要的，升初步角罕决乐气沉箱i 怯攻计中气体渗透参数的设计取值筲贝体问题。 为将来上霹的重人城市基础设施建设中人深度现代压气沉箱技术的府川提供有力的技 术支撑，上晦城建( 集团) 公司与同济人学笛联合开展了上霹市科委2 0 0 4 重人科研计划项 目人断面矩形地r 通道及现代压气沉箱施l 艺与殴备研究( 0 4 d z l 2 0 0 7 ) ，同济人中承 担了其中子课题上霹地区含水十层中高乐气体彦透与耗散规律的试验研究的研究。本论 文原题的开展既依托丁此项目。 1 2 国内外研究现状 一些对国l t 经济有重要意义的产业都有其各自的气体彦流问题。如青每盐湖盐卤的房流 伴有结晶过稃，地h 热能的开发中的房流相交筲等，核废$ 储存中有关的房流问题，乐气沉 箱i 往中有大的房流问题，都牵涉剑气体彦流和岩、十的相且仃埘，只有重要的理论意义。 所以，气体渗流力学问题的研究有着重要的理论与府川价值“。 同剑本项研究中来，气体通过十层的流动，1 泛廊埘丁桥梁基础1 拌、地pi 科、l i 油、 大然气、化1 筲领域。研究十层中的气体藏动规律贝有巨人的经济教舔和社会效箍“3 。 1 2 。1 非饱和渗流研究 目前在岩十l 稃界里能够府川丁实际f 稃中的基本理论还土要是饱和十力学理论。造成 这种状况有以h 儿种原冈。首先，人部分实验十力孚较发达的国家的气候一般较温和，十壤 一般接近丁饱和状态。其一，在人多数情况p ，十力学在l 科中的府用夫系剑十的抗剪强度， 然而众所周知，十在饱利状态h 的抗剪强度最低，如果1 科没计墓丁饱和十强度，那么我们 就侍丁安全的一面。第二，饱和十属丁一相材料，相比二相的1 r 饱和十，我们了解各种水十 相且仃川现象的凼难要少很多。最后，节饱和十的研究通常需要 十姝昂贵的殴备，这就束缚 了1 f 饱和十实验技术的发展。直剑一十付纪七十年代，付界某些国家像法国、曲所才，加拿 人、关国筲才加人了这方面的投资，使1 r 饱和十力孚达剑了现在的水平与规模”1 。 计饱和十的研究历史儿乎与饱和十一样k 久。只是由丁人部分发达国家均付丁温带，遇 3 第一章绪论 剑的土要是饱硐【十，十力等方面的文献# 竹一直是以有关饱羊十的问题为土。此外，了解1 r 饱币十性状所需要的理论知识祠i l 式验技术要比了解饱和十性状所需要的复杂得多，冈此1 r 饱 和十研究k 期以来进展缓慢，百剑最近才出现加速发展的趋势。 值得一提的是，1 r 饱和十力学府是岩十i 稃人员的理论基础，而饱和十力学只是其中的 一种特殊情况，就是在所谓的气候腽和i 国家，1 r 饱和十力宁的席川也是相当j 泛的。我们首 先以十蜘 的建为例进行介纠。在建造过稃中，十是在接近最仉含水堵的状态 一层一层地 被压实，由丁十是1 r 饱和的，在十坝的稳定分析中府考虑1 r 饱和冈素的影响。还是在建造过 祥中，如遇剑阴而大气，我们府确保由丁渗水而造成的强度r 降不会造成十蜘 的稳定问题， 这孰需要了解十的渗透力学特性。十坝建立r 以后，水芊滞水过稃会引起十坝中出现1 r 饱和状 态1 - 的渗流，使渗瘫自由面以i - 的十经历从1 r 饱羊| i 状态剑饱和状态的转变，从而引起其力学 特性的重人变化。在十坝的总体稳定分析中，我们经常需要考虑水彦流与1 r 饱和十变形的耦 合问题“。 公路填方也是一个很酊的1 r 饱干十力学的廊h 例子。1 r 饱和十力孚的发展使我们能够合 理地考虑水渗透效府及人气影响。公路填方一口造盯后，十中孔隙水一部分破吸力保留在十 中，另一部分由丁人气湿度相对较低而蒸发。在无币情况p ，补水土要由大然地基十来承担： 填方十吸取地p 水付以p 的水，由此引起的向上运动的水流对填方的稳定起着不可忽略的f r 川。此外，如果水蒸发现象很严重，填方表面会有干裂的危险，从而引起十渗透力学边界条 f 1 的变化”。 1 r 饱平| i 十力学研究，国际，国内众多学者进行过人茸的研究，取得了众多成粟。 有天甘饱币十的性状甲在1 9 3 6 年的第一扁国际十力学与基础j 稃会议上己有人竹过探 讨。其后的近4 0 年间，非饱和十的研究一直处丁缓慢发展阶段。对5 0 年代以前的资 同顾 表明，当时对哲饱和十给予最多注意力的是毛细水流动问题，曾经企幽用毛细管上升模即米 解秆观察剑的1 r 饱和十的现象。这种模掣虽有一定的价值，但其局限性日益明显。实际上， 企图完全依靠毛细管上升模掣的做珐，止是造成前饱和十十力。学发展缓慢的一个重要原冈。 s o 年代厉刺，解秆竹饱_ 千fr - i - 性状的若干概念才由b i s h o p 1 9 5 6 ) 在英国带国人学进行的研究 i 作中建立起米，l a n o n ( 1 9 6 7 ) 以辽续体力学为基础升将仳合体理论同近续介质力学结合起来 进行研究，将这类原理廊朋丁1 r 饱和多相系，为保让对1 r 饱和十性状的解秆是建立在可靠的 理论基础做出了贡献”1 。 直剑1 9 7 7 年才由m o r g e n s t e m 和f r e d l u n d 建立起比较完善的1 r 饱和十理论”1 。此后， 1 r 饱和十f f 为十力学的一个研究 丸点而得以迅速发展。a l o n s o ( 1 9 8 7 ) 在柏林芈i 一的第九届欧 4 第一章绪论 洲十力学及基础i 群会议上吉读了故篇报告“十的牛+ 殊问题一1 r 饱和十与很软的十。1 9 9 2 年3 月，中国十小j 拌宁会十力宁与基础i 拌彳会在北京召开了“1 r 饱_ 手i i 十的理论与实践” 学术研讨会，交流了国内有天1 r 饱和十研究的成果，1 9 9 2 年8 月，在关国召开的第七届国 际膨胀十会议上，1 r 饱和十力学成为会议的土题之一，1 9 9 4 年6 月，由中国十小i 拌学会 十力学与基础i 拌学会，加拿人国际开发研究中心及加拿人s a s k a t c h e w a n 人学在武汉联合 举办了1 r 饱和十学术研讨会，对有关残积十、膨胀十及湿i f f ；性黄十的抗剪强度、1 稃性质及 1 r 饱和十吸力错删技术筲领域进彳了了讨论交流，1 9 9 8 年8 月，第一届国际1 r 饱和士学术讨 论会在北京举行，该会议既汇集了国际最新1 r 饱和十研究成果，又是对国内1 f 饱和十研究的 一次人检阋。2 0 0 0 年住新加坡锚开了第一届耶洲计饱和十会议。第二届国际节饱和十会议 己丁2 0 0 2 年3 月在巴曲r e c l f e 举行“1 。 沈珠江院十( 1 9 9 6 ) 曾把1 r 饱和十的发展历史划分成二个阶段，即探糸期( 7 0 年代以前) ， 成熟期( 7 0 年代剑9 0 年代中) 及完成期( 9 0 年代中剑2 1 世纪2 0 - 3 0 年代) 第一阶段的成就 以b i s h o p 提出的计饱和十有效府力公式为代表第一阶段以f r e d l u n d 提出的双变营理论为开 端，直至9 0 年代初以a l o n s o 为首的曲欧孚派发展了1 r 饱平十的弹塑性模刑和中国学者杨代 泉，沈珠江发展了1 r 饱和十的| i i i i 结理论1 9 9 3 年f r e d l u n d 和r a h a r d j o 合转的1 r 饱和十十力 孚是这一领域的第一本专篇，也是1 r 饱和十近3 0 年米研究成果的总结。他f f j 建立了一套 竹饱和+ 理论体系，将竹饱和十力学研究推向了一个高潮。1 9 9 5 年9 月在巴黎召开的第一 届国际1 r 饱和十会议l l 是这一阶段成就的总结，同时也是1 r 饱和十研究历史上重人转折的标 忠此后，1 r 饱和十成为十力学研究方面钓热 ，有关的国际研讨会儿乎每年都有。 1 r 饱利渗流是1 r 饱和十力学的重要组成部分，也是水文地质、地 水资源与环境平i f 农田 水利、油气资源等学科领域共同芙心的问题，目前i n t e m e t 中有天资隙也相当丰哥，说明1 f 饱和彦流目前仍然是执i j 研究科题。 从1 r 饱和七力学理论上来考虑，1 r 饱和十性状由两个独立的府力状态变苗( 净廊力和吸 力) 来决定，在最一般的情况p ，牛十别是十体变形倍受关注时，需要同时给出净府力、吸力、 变形利含水肇变化的解答，这时必须通过藕合求解才1 r 饱和彦流研究及其在l 程中的府川能 解决。而求解过群必须要知道1 r 饱和十的本构模掣及其所有的参数，这是一个比较胖烦和凼 砸的i 竹1 。 r l c h a r d s ( 1 9 3 1 ) 将d a r c y 定律推j 府埘剑1 r 饱和彦流中以后，人们才开始了1 r 饱和房流 的研究。水相彦流所满足的控制方拌很快便建立起米，通常称之为r i c h a r d s 方拌。基丁 第一章绪论 r = c h a r d s 控制方科的饱和一1 r 饱和房赢后来得剑了深入的研究，f 成功地府h 剑斤多实际i 拌中。 在计笄机山现以前，对1 r 饱和渗流的研究土要是定性研究和在理论上求精确解或级数 解。c o l e m a n 和b o d m a n ( 1 9 4 4 ) 最甲研究了入渗一段时间后十壤剖面含水率分布，他mj 将含 水率剖面分为四个区：饱和羼，过渡耳，传导两和碰橱耳，这使人们对入渗过稃有了初步的 定性认识p h d l p ( 1 9 5 7 ) 研究了一维乖直入彦的级数解。另外，还有一些孚者对r 】e h a r d s 方稃 作了某些简化和线性化处理后得剑了一些理论解。 6 0 年代，随着计算机的出现，数值模拟廊_ l i j 剑求解r l c h a r d s 方科中，这使得理论上难 丁求解、实践中难丁模拟的1 r 饱和稳定与1 r 稳定彦流获得了合理的数值解。甲期土要_ l i j 有限 若分方法求解r 1 c h a r d s 方拌，后来随着有限元方法的迅速发展成熟，后者逐渐取代了前者 成为竹饱和房流数值模拟的土要方法。 在有限筹分数值模拟方面，r u b m ( 1 9 6 8 ) 研究了一维饱平一1 r 饱平| i 十中的房流，他用有 限筹分方法给出了一维r , c h a r d s 方科的数值解。f r e e z e ( 1 9 7 1 ) 研究了二维地r 含水层饱平一 1 f 饱和1 r 稳定流，升给出了数值解珐。r e m s o n 等( 1 9 7 1 ) 出版了地p 水文学的数值法专 # ，他们对7 0 年代以前的饱和一扑饱和渗流有限筹分数值模拟作了比较全面的同顾和介纠。 高骥曾( 1 9 8 8 ) 对堤坝中由丁洪水暴涨暴落产生的动态房虎作了饱和一1 r 饱和l 数值模拟研究。 他们在有限_ 莘分方法中采h j 了全隐式交替方向迭代法以及水加附加项米模拟饱和一1 f 饱和 渗流，从对赤升浩一等的砂槽模刑和驹田，也曾的粘滞模刑进 一模拟的结粟米石，计算精度 比较高。