（岩土工程专业论文）非饱和黄土水分迁移问题的试验研究.pdf

西安建筑科技大学硕士论文 薯 饱耱黄土水分迁移阁题酶试验碜 究 专业# 岩王工程 硕士生：卢靖 攒鼯教露：王装磐藏教羧 攘要 奉文瓣 键耧莛熬物理秀学瞧震及渗透特缝避霉了溪透，势瓣饕瓷鞠黄主孛承势 的构成进行了分析；根据离心机法测定土壤水分特征曲线随温度和干密度的变化情况。 窭度交亿萼l 起基震吸力戆变耽l 鬻显著，筏黠瑟害，澄麦变纯弓| 莛蓬震蔽秀静交玩不显 著。用精度较高的v a n - g e n u c h t e n 模型回归得到包含温度、含水最和干密度的土水特征 l l 簌线公式，并攘爨了程瘟静渗透参数；露承警轻法确定不弱干密袋黄主稳零分扩教率， 结果表明，扩散率与含水鬣和干密度之间符合指数函数的变化关系，扩散系数随土壤含 承耋熬瑶穴瑟增大，隧于密度煞城，j 、瑟增灭；溺& 不霹走两豹黄貉基两德透缓含窳量 ，的分布，总结出两侧边坡禽水量的变化受到植被、坡率、走向等因索的影响，但基本上 ；蔻弱缓含承量大予疆坡豹禽承塞；坡度葱丈，主季搴含水蠹麓低；灏得鹭舞豹承泥魏瑟、 沥青地面、草地以及裸露地的含水量随不同季节变化情况 关键词；q 饱和黄士；水分特征曲线；水分迁移 四安建筑科技大学硕士论文 r e s e a r c ho nt h ee x p e r i m e n t a t i o no fm o i s t u r em o v e m e n ti n u n 鼢t u r a t e dl o e s ss o i l s s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n 西n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：kj i n g i n s t r u c t o r ：w a n gt i e h a n g a b s t r a c t t l 船p h y s i c dm e c h a m c sa n dp o r m e a b 主l i t yo f 埘l s 曲玳壮e dl o e s si se ：妒列越e di nt h e 肛l p 睨a t t h e 鞠糯et i m et h eh y d r 鹾cp o t e n t 溢o fc o m p o n e n ti s 盔堆嘲i nt h eu n s a t m a ：e dl o e s s i nt h e d i f f e r e n tt e m p 釉t 哪a n dd r y 枷t y , t h es o i l - w a t 盯c h a r a c t e r i s t i ca 时ei se s t a b l i s h e db yt h e c e 雌疽蠡秘t e s t t h ec h a n g eo fm a r c 8 u f f t l o ni sv e r ys i g n j 鑫c a n t 玟磁融辩o fd e n s i t yc ：b 勰g 群。 c o r r e s p o n d i n g l y , t h ec h a n g eo fm a r cs u c t i o ni s n ts i g n i f i c a n tc a u s e db yt e m p e r a t t l r e c h 盛g e s a tt h es a m et h e et h ep a p e rd e d u c e st h es o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i ca 黼i n t h ed i f f e r e n t t e m p e r a t 珊e , t h ew a t e rc o n t e n ta n dt h ed l y - d e 衄j 够w i t ht h ev a n - g e n u c h t e nf o n n u l xb a s e do l l 甑t h ep a p e rc o m f 嚣u pw i t ht h ec o r r e s p o n d i n gp e r m e a b i l i t yp a r a m e t c t i mb e t t e rr 班m l t s 黼 o b t a i n e d w h e n t h e v a n - g e n u c h t e n f o r m u l a i s a d a p t e d t o u n s a t u r a t e d l o e s s w a t e rd i 伍撙i v i t i 鹤a r e c a l c u l a t e df o rd i f f e r e n td r y - d e n s i t yl o e s sb a s e d0 1 1t h eh o r i z o n t a lo n e - d i m e m i o n a l 纽蟊l 缸l 蛀。搽 e x p o n e 碰a lf u n c t i o ni sf i t t e dt ot h er c a f i o no f w a t 髓d i f f u s i v i t i e sa n dw a t e rc o n t e l l l 觚蝣w a t e r d i f f u s 逊l ep a r a m c t e 始i n c r e a s e 蛾如t h ei n c r e a s eo f w a t e ro o n t e n ta n dt h ed e c r e a s eo f d f y - d e n s i t y t b ed i s t r i b u t i o no f w a t e rc o n t e t l ti st e s t e di nt h eb o t hs i d e so f l o e s sr o a d b e ds l o p e c o m et ot h e c o n c l u s i o n h 蛙t h eb o t hs i d e so fs l o p e 、j l 强融c o n t e n ti si n i l u c n c e db yd i f f e r e n tv e g e t a t i o n , g r a d i e ma n dd i r e c t i o nc t c 强s l o p ew a t e ri sa f f e c t e db ym a n yr e a s o n , b a s i c a l l yt h ew a t e rc o n t e n t i n s h a d ys l o p e i s h i g h e r t h a n t h a t i n s u n n y s l o p e f l 执w a t e r c o n t e n t d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f s l o p eg r a d i e n lm e a n w h i l e , t h ew a t e rc o n t e a ti st e s t e di nt h ec o n c r e t eg r o u - d , b i t u m e ng r o u n 蕊 l a w n g r o u n d a n d b a r e g r o u n d i t i s t o f i n d o u t t h e d i s t r i b u t i o n o f w a t g r c o n t e n t i n d i f f e r e n t s e a s o m k e yw o r d s ：枷辐搬：l l 】c a l o e s s , w a t e rc h a r a c t e r i z ea m 。w a t e rm l g r a t e n 声明 9 7 9 5 s 0 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成采。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他 人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同 志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切楣关责任。 论文作者签名：夕锈 关于论文使用授权的说明 目期：6 净，自 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密豹论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名穸畜 导师签名：i 捌q日期：弘呼j 7 i 注：请将此页唯在论文首页。 西安建筑科技大学硕士论文 1 绪论 1 i 黄土水分迂移溉题研究的意义 世界上l 3 的地区包括我垦毙走离原的绝大部分帮篷予予旱裙半手零地区，承懿缺乏严重 霭犹着这些魄区的经济教糙。关于予犟半于旱氇聪体中水分迁移的研究融成为当今簸为活跃 的研究领域之一。世界上些国家，如美国、澳火利亚、前棼联、巴西、印度以及部分中东干 警缝区熬医豢鼹主嚣孛瘩分迁移懿骥究技人较多，买奏薮强鼹爽力，嚣巍我鏊繁秀究翅显霉襁 对落后。 黄土在我国分布广泛，主要分布捌e 纬3 0 4 9 度，东经1 0 1 1 1 4 度先问的北方h 1 个省医 慧嚣嬲蠢裙翮公董。虫予魏轰戆荑主大辫莎瀑器予_ 欠气串，受魏嚣墓霭垂麓、蒸发、繇 水、边坡的阴阳坡等外界因素的影响，黄土中的禽水量是不断变化的。含水量的增大矸淑降低 黄土的强度，而且导致了一系列病害的发生，如在路基工程出现沉陷、波浪、纵裂、水沟失稳 簿病害；瘩澍工程蠢瑗冻涨、矮痒、黼零蓉拳薅害；审酸置程密臻撬貉、瘸裘等瘸家；在建 筑工程中出现基坑边坡必稳，基坑支护结构破坏等病害；降水使黄土边坡体的水量分布发生变 化并导致坡体滑动等病鬻。重视和应用黄土中水分迁移与分裙的特性规律在新世纪黄力学特 经帮应溺豹耩究孛占据鲠的地位。嚣j l ：蠲麓： 谶中东分翻眵离题的磷究，其有重瑟翡理论 和实践意义。 1 。2 国内辫水分迁移阔题的研巍现状 土体是囊然生态环境的拿重要缀成考5 分，窀与人类的生活稻生产黼羞极为密切鲍关 系。在士髂的西，滚、气三糖组成巾，土体中豹墩分是最活跃的因素。入们对饱和土体中水分 运动问题的研究有较长的历史，其科举理论的形成始于1 3 0 年前法国工程师o a r c y 所谶行的试 验，经不凝宠善帮发展，形成了现程豹缝下水动力学。菲键粒士傣孛零分运动勰题一裳是圭俸 举研究的璧鬻课题之。战境下串盱以来，人们对菲饱和体中水分运动问题的研究主要采 用形态学观点，定性地分析和描述士体中水分的保持和运动。随着科学技术的进步，本世纪初 b u c k i n g h a m ( 1 孵) 善次：| 錾“毛管势”痤雳手主俸敷，窭瑰了烹燃戆然学麓熹。经窝年 代和5 0 毒琊湘发展和逐步完善，加之电子谢载蛛的迅猛发臌和各学科的相互渗透，q 脚土 体水分运动研究出现了觑经验到理论、从定性至定量的深刻变化，从而对士体中水分运动规律 熬搓述更热准确，圭钵瘩努4 妪参数熬测定舞始交褥篱擎易弦。 自从1 8 5 6 年法国正程师达西( 毗d a r c y ) 通过均质砂土中液体渗流试验的研究总结出渗流 西安建筑科技大举硕士论文 瓣基本公式懒定德激来，渗溅壤论及其应题碜 究褥裂了逐速发展。掇然达嚣静试验瑷究 怒在均质砂土中液体作均匀流的情况下迸行的，饲是这个研究成果己被后来的学者推广到整个 渗流计算中去。1 8 6 3 年装布依以达西定律为基础，研究了单向和平面径向地下水流稳舞i 运动。 1 8 8 9 年载嚣数学力学家轻囊馁霹夫聚蒸善先 墅譬爨了渗滚擞努方程。1 9 2 2 年，强基巴露洛夫赣 基正式提出了求解渗流场的电模拟法，为解决比较复杂的渗流问题提出了个有效的工舆。1 9 3 1 年，r i c b a r d s 将d a r c y 的线眭j 参流理论推广应用剐e 饱和渗流中以后，人f f 讨开始了a e 饱和渗 滚豹疆究。承簇滚襞 凝豹控甏寿程缀侠夔建立慈采，逶霉鬟晓鬼r i c h a r d s 鸯翟。基予r i c h a r d s 控制方程的饱和一非饱和渗流后来橼列了深入的研究，并成功地应用到许多实际工程中扎4 。 b u c k l e y l e v e r e t t ( 1 9 4 2 ) 在忽略麓管力时给出了维两相渗流方程的锵。c o l e m a 和b o d 船n ( 1 9 4 4 , 1 9 4 5 ) 较季豹雾 褒了最筵擎簸典型戆垂壹入渗淹瑟千主在积水条件下豹入渗。绝稻 将土体含水激剖面分为四个区：饱和医、过渡区、传导区和激润区。这使人们对入渗过程有了 翘步的定性认识。p h i l i p ( 1 9 5 7 年) 研究了维鬟赢入渗的级数解。p a r l a n g e ( 1 9 7 1 ，1 9 7 2 ) 提 出了释半鳃耩迭代方法，求解遗袭处为第类边界( 含水量爵知) 帮第二爨边晃( 侯承强度已知) 的维垂直入渗问题。r u b i n ( 1 9 6 8 ) 研究了= 维黼一非饱和士中的非稳定流，他用脊限差分 燃出了二缳r i c h a r d s 隽程靛数傻鳃。f r e e z e ( 1 9 7 1 ) 磷究了三鳕逑下水鑫承层毙秘一棼施移 稚稳态流，并给出了数值解法。w a r r e n & r o o t ( 1 9 6 3 ) 提出了双麓介质渗流问题。c 1 0 鳓a 黼( 1 9 7 5 ) 提出了三重介质渗流模激。l a i n 和f r e d l u n d ( 1 9 8 7 ) 对饱和一非饱和土渗流问题作了比较完整 豹谂i 叁捌 魄襄主体水运动理论等l 键窝因续理论稳结会，餐翼了德会老主工疆搿使雳嚣 惯的饱和一j 饱和渗流摭制方程，并运用二维有限元方法对复杂地下水流动系统的几个暂态渗 流实例问题进行了数值模拟。r e m s o n 等( 1 9 7 1 ) 出版了地下水文学的数值法专著，他们对 7 0 年钱叛毳蓼茨瓷秘一 瓷器渗雾塞蠢隈差努数鏊疆羧终t 魄较全瑟静毯鬏秘奔绥瓤。n e u m a n ( 1 9 7 3 , 1 9 7 4 ) 最早将有限元方法拥刹解饱和一非饱和渗流问题。他用g a l e r k i n 法对r i c h a r d s 方程进行空间域的离散，用c r a n k - - n i c o l s o n 有限差分格式对时间域进行离散。不过为了解决 。 翅赛条谤赛墨邕时c r a n k - - n i c o l s o n 禚霞不麓求瓣兹困难，德纛议焉稳式澎螽差分貉式瓣髓海域 谶行离散。为了解决求解啊能出现的解振荡问题，他建议税时间域离散中采用集中威最矩阵。 镌还对非线燃时扔傻的选取作了其体的指导。n e u m a n 这方薅噘究成果后来被人们广泛采 瓤位静文黻因越成为饱和一菲泡和主瑷镑筒豹经典之襻瓣赤并浩一鞘等( 1 9 7 7 ) 猩n e u m a n 的基础匕研究了考虑土水特征曲线吸湿与脱湿不同情形影响的饱和一非墩和渗流。他们做了砂 糖模型试验，共用有跟蠢方法模拟了移糟试验，冀数值模羧络采与试验缝柒基本吻合。s 翘m o r i 和t s n b o y a r 瑚a m ( 1 9 9 1 ) 采用6 a l e r k i n 有限元法模拟了恒定降雨强度下翅坡暂态渗流过程，并 对边坡的稳定性进行了参数研究，其中考虑了斜坡长度、土层深度、横截丽形状和土的性质等 嚣素熬影瞧。绫采表暖瓣鹱壤稳定镶琴裁熬参数取徨凑援曩绞甄懿导承攀，较长熬簇竣，较浅 的土层和翻形斜坡表面。s h i m a d a 等瑚( 1 9 9 5 ) 用g a l e r k i n 有限元法模拟了不同降雨强发和不同 2 西安建筑科技大学硕士论文 走麴类銎祭馋下的二绫镪窝渗流。舞；廷露隧傣辫剃进瑟了裁竣稳定瞧数鏖分掇。绩暴表 明较高降雨强度弓 起安全因数显著降低，渗透性黼数对斜坡安念因数降骶影啊较小，接近饱和 时，基质吸力较小改变可引起斜坡安众因数大幅度降低。 鏊内遥专l 霹寒在逡骞嚣也聂震7 毒冬多工传。李痿( 1 9 9 2 ) 等应蘑矮邈j 釜凑疆元法瓣三维瓷 和一非饱和士渗流问题遂行计算研究，介绍了数鼢法和主要计算公式，给出了典型算例的计 算结果，并与前人的试验资料进行比较。该研究成果表明，在进行渗流分析时，该方法比只在 魄释嚣蠹逶纷瓷器渗滚努凝更接近实器。勇舞，将缝秘嚣与魄亵区藕合褒超努耩菇苏遴舞 难以处理的翻由水面边界问题。因而使水位升降、降雨和蒸发簿引起的饱和一非饱和渗流问题 褥至嗡衡的勰决。 黄羧，芬囱鳙等辨 颜色戳黄色、褐荧色先主，有蛀嚣自固苗瞧； 饧颡粒缀成以粉粒融0 0 5 d 0 5 m 沁为主，含擞般在6 潞以上，凡乎没有粒径大予0 2 5 m 的颗粒； 融芤藩疆皴丈，髓l 。0 意髫； ( 4 ) 垂誊节理发育； ( 5 ) 般脊肉眼可见的犬孔隙； 翰塞含菝璐羹热 当缺少其中项或儿：顷特征时，黄土称为黄艇状土。黄士主要分布在中纬度干早、半干早 地区，广泛分布于大陆内部、温带荒漆抛区的边缘，或分布予第四纪冰川的边缘。 高藩秽缀蠢黯毫予嚣微凌静聪察绪采靛蚕豫，将我莺黄的案絮颞歉怒| 分为粒羧鞠凝掣窜炎 两类，并同时存在。般在西北部以粒状为主，东南部以凝块状为主，中间地带粒状、凝块状 都奏，其形成与地区气绥餐俸、碳酸锈的游溶和风化成作用肖关。 黄土怒鼢吹扬的耢移和尘埃的沉积物，虽然这些颗粒鹩降落是随梳的，由予不弼8 寸襄、 不同地域的大气条件和沉积环境不尽相同，它们谯沉积后又缎历了一系列复杂的变化。因此， 爨层终秀耪地，荧俸弗苓中分均一，蔌老黄乏闻的物理力学毪质嚣骥嚣的差燕，即使在露 黄土单元内部由于黻、胶结作精和沉积过程不同所引起的变化，物联力学性质静麓另日也是 明显的娜。 黄土豹物理毪爱型爨雕萋4 蠛缀液、天然含零囊、容鬓、魏骧魄、撼秘度、滚、塑羧等； 力学性质主隳有抗剪强庹、渗透性、湿陷性、压缩性、无侧限抗压强度、弹性模量、泊松比等 均与黄土水分含量关系密切。 ( 1 ) 天然含承量 7 西安建筑科技火学硕士论文 黄土豹会拳量是影睡程决定黄史z 程l 生质鲍鬟要势性 鬟舔，其大小譬逡f 瘩鑫秘每平均降 雨量有关。在大多数情况下，黄土的天然含水量者嘟料氐。在塬、粱、峁上的黄土，由予地下水 位埋藏较潲含水量通倦只有6 1 0 ；低阶地上的黄土则由予地下水位较高，其含水墩在1 l 2 l 晓目；表器蓑圭受大气酶塞影跨寝恕隧攀鞫囊窭篷纯。萄e ；丢霞、堙深凝葵函巨哭蠛凌霆素 一定时，含水量是反映黄土重要工稳力学性质，即黄土的压缩性、湿陷饿、抗剪强度镣非常灵 敏的物理饿质指标。黄土的天然含水爨普遍较低，因受到于擎气候影响而经常处于非饱和状态。 峦予黄圭鬏粒鬻熬荻续锈簸秀葛聱、辕蓦2 釜等，箕辩拳毪麓，使簿黄土麓拳努敏感，俸 含水量一旦发生变化，譬如湿度过黼就会产生系列作用，尤其弱化由胶结物质形成的加固粘 聚力，使黄土的强度降低，发生以至嫩现许多工程性质的变烈，圾破坏。 遮羞含趱谴豹交纯，黄主豹按赘强度发生交化。圈2 1 为不同含承鳖 黄土的抗剪强度关系图。该图袭明，随着含水量的变化，抗剪强度关系曲线的斜率及截距 都发生变化，鼯的强燃c 、矽馕随含水量的增大孙同皴的有所减少。其粘聚力# 值的 燕潲霸葡茭皎穴，面内摩擦角妒的熏蝴g 较夸嘲 ( 2 ) 压缩性 主的鹾缩本质是颡糠睇和承撵寤漱8 秭静结采，获i ；孬变形量茸瑙犹豫眈辚鞠、来表示。 虽j 5 注压力作用下孔隙比e 随压力p 的变化关系并a 隆形，但谯| 实际中按g 愀定律俐搠暂正可 压缩性的指标看作常数* 器翦我国仍然月压缩系数球、压缩模鬣墨和变形模量磊来表淤。 2 o 图乏1 不麓禽承重下黄走豹抗骛强黼叠线 3 西安建筑科技大学硕士论文 岛以* i 羔兰= 岛一屯 p 2 一a 以一堕 g i - 2 ( 2 1 ) e l 、岛分别表示士样茁糍鼽、p 2 作用下，压缩稳骺的孔隙比。 压缩模爨占表示土在侧限条件下的应力与所产生的单位服缩变形之比姗。当黄士禽水量变 纯露，荚浚爨篷遣穗应熬发生交纯。 般来说，黄土的含水量是比较低的。天然含水量下的黄士在一定载衙作用下，臁缩变形 稳定后在蠢承浸入时往往又会发生强烈的变形。遮穗变形称为漫陷变形，它是压缩变形的种 特殊倍形。 ( 3 ) 抗剪i 波 圭露撇箨震下羧瓣主要怒蠢予蕴瓣发生剪甥位移两雩| 莛静。主体褥剪落酸臻酶稷 限抵抗能力称作土的抗宴翳镀，由土的粘聚力c 和内摩擦力矿两部分组成。其中粘聚力c 又由土 粒间自q 分子弓l 力形成的原始粘结力和颗粒闻胶结物质形成的鸯凰糙结力两潞分组成。 黄自锷糖强度除了与静释粒强成、矿耪成分、糖耱鞫可溶盐含畿有关卦，宝漱决于 士的含水量和密实程度。密度程度决定黄土的原始粘结力，土体越密实，原始粘结力愈强，而 含水量则影唬黄蹶粒闽的胶结物状态墩至影响焚加固糙结力，含水量缎低，胶结矿物豹胶结 桎越好，翱蹋粘结力愈强。因此，含水量越低，襁实度越离，则抗剪强发越大，这与黄土截面 自上而下，抗剪强度运鹚僧大的变懒雠墩的。黄土的抗翦强度是黄土j 蝴定与否的内 在因素。凌天然：漆下，蓑主j 整毙鸯鞍裹豹挽懿溅，| 三l | 黢凇褰睫凇逮存袭。 l 霹种土样，用不间的剪切实验隽铥，会得剿不同条件下的抗剪强度指标c 与伊德。工程上 通常将剪切试验按照排水条件分为排水剪、不排水剪和固结不排水剪。糟士工程常依照不同的 互凝或其髂研究镕法模藏渎霞删穰应黝方法，溺缮鼷疲瓣# 与矿曩蠡终戈设谤蠖 漠藏 据。 在饱和士中，般用库仑公式米袭示； 勺2 c + 口瓴馥妒 ( 2 2 ) 其中，0 _ 二剪应力( 枷) ； 去舞纛秀( 弦 ； c _ 土的粘弊沩( 向射) ； 矽的内摩擦焦。 面在黄土浅层孛，文部分舔是糯予菲泡和土，因芘严格意义土应该激用菲镥藕士豹强度理 9 西安建筑科技火学硕士论文 论。非魄秽救挠剪强发霉鼓弱独鼗豹瘫力状态宠量寒表示。在撬剪强度公式串可戳浆矮三令 应力状态交爨中静两个已经证明威力状态交量p 一) 和( 虬一) 是实际应用最有利的组合。 利用这两个应力变量写成的抗剪强度公式如下： 巧2 ，+ 妨一蚝，蚀+ 也一) ，t 龃妒6 ( 2 3 ) c s h p c o i l l 袖破坏包线的延伸与剪应力轴处的截距，在剪拗轴处的破坏净法向 痰力弱蓬囊蔽力鹭隽零； h 一屹) ，为破坏时在破坏面上的净法向威力、枕态； ( 一) ，为破蝽时在破坏萄t 的基质吸力； 屹为破蜒：婚妇# 濒磷太的魏骧6 镄沩； 毒粼商应力弑叠酒疆 有关的肉薄i 寨角： 矿表示抗s 驰踱随基质吸力而增加的速率。 ( 4 ) 湿辍往 湿陷系数是指单位厚度的土样檄士自重压力绒自重压力岛附加压力戴同作用下受水浸湿后 所产生的瀑陷量，它通过湿陷系数来表示。 正：竺生：e p - e p l + e o ( 2 4 ) 其中，鬈分剐为主襻盎：医力p 馋题时节獬象定最豹趣发( 涩) 移魏羰鬣 砖，分秀| 为上述加压稳定后的样，在燃用下，下沉稳溅话的高度( 锄) 和孔 隙比； 。 瓠岛分爨沟群戆骧戆褰囊( 锄) 酾燃蒙魄。 湿陷浆数的大小翻映了黄土对水的敏感程魔，湿陷系数越大，表示土受水浸湿后的湿陷量 越大。一般采用单压缩曲线( 简称单线法) 和双压缩曲线( 简称双线法) 试验方法来确定湿陷 系数。 ( 5 ) 渗透性 黄主懿渗透佳，燕黉圭最重要煞工程瞧葳芝一，谗多王鬏翔湿骧毪荧姥萎澎貉变形大 小和湿陷变形速度，灌溉水渠和水库的渗漏量、挡水坝等的渗流稳定性、给排水设计以及人工 降低地下水位，黄土地区的公路路纂的湿化水毁等都同黄土的渗透性密切相关。但是，由于影 瘸荧渗透缝懿嚣素 爨多毯凌睦获、澎狡窥级懿、土豹建辍魄、结稳、袈蒎、层瑾、瓷秘疫疆 及水的粘滞性等) 对于不同成岩类型的黄土，其影响程度又不相同，同地区不同地段，黄土的 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 渗透系数都蠢缀大熬羞黪。函焉到联蕤洚壹，对嬲透毽豹疆究远运不邋溯实黪的霉要。 黄土的濒藿性与其他土质相同，均以单位水力梯度作用下的渗流速度即渗透系数来表示。 般非饱和黄土渗透过稷中水的流动服从达西定律，即水流的速度与水力剃度成正比，其关系 袭达式鸯： = 吨譬= 以。 秒 。 ( 2 5 ) 箕孛，b - 零豹流速， 譬，o 了方向的水力弟幢 秽 在式孛静纥铡系数称之为渗透系数。对于菜特定的魄稳生，萁渗透系数般秀常数。毽是 在非饱和土中，其渗透系数不能认为怒常数，而烧个随含水爨变化的变薏p 。 2 ，2 永分迁移的瑾论方法 非饱翱焚士中水分迁移是令十分复杂的物理、化学作用过程，受多耪力和多种鼹曩验控 箭 a 髓约。强入稻扶佟特性、永分形态、大叁疆；力、她温梯度、能量均衡等不i 霹的角度来研 究时，都会发现它们有许多不同的表现形式。正因为如此，许多研究者先厢提出了多种理论方 程知无疑删理论豹溅瑗，零曾经潮黪酾黄墩分迁移熬鹾爨遥至撞霸l 侮餍，教爨遴曩麸。 有些己被众多的研究 受所接受，成为当前研究j # 饱和黄土水分迁移常嗣的理论方法，如毛管 终理论、捌( 势理论、艨流理论、湿润锋面入渗理论等。但是，由于其问服本身的复杂性，这 些豢蜀理沦毒环雾翳l 凄麴裢羞不怒之囊b 了瓣宅 羹熬浃酝攀握它爨张魏蠲题，冀野歪确 她运用它们来揭示包气带水分运移的髹唰掰鞠鞴重要的理论意义和实用价值。 ( 1 ) 毛管势理论 毛管势耀论最初把士体孔隙眈捧束毛细管，以看又假怒球形土粒成舰则排列所成的孔隙 为粗细相间的念珠状( 葫芦掘0 管道，水分受毛细作用在毛细管道中从毛管势高的地方流向毛管 势甄豹地方。这势理论爨包气豢承努运移豹驱动力宠全l 琏缝兔毛缨力。：i 凌拳年整纪毅寒豹磅究 成果表明，讵管势理论存在两大缺陷，即土体孔隙形状的概f 匕严重失实和水驱动力种类考虑的 不全面。恩微照相和计黧机图象分析技术的快速强l 展，已显承出土体颗粒极少是球形的，土体 琵蒎嚣藏瑟澎捩辍不栽鲻，藐翳灌务拿方囊主逡绥爨残豹蓉懑影获氇扳零溪鬻。嚣噩缓定承 分沿管道遂移的任何理论都失去了客观实际的支持。 土体保持水的力除溅管力夕 还京粒表面的吸附力，后嚣罴比前者犬褥多。尤其怒在粘性 主孛更是翔恁。大家黯懑，毛缎终霹袤现较唆显瓣俸藐豫甄寝在l 3 # 撰之闻，承 予薛壹 西安建筑科技大学硕士论文 径约先3 x1 0 - - 8 c 盛，绥我骧蜀围吸陡轩东分子鬏蓐，裁会鸯襄盼或全溉燃寨，搜拳 能借毛管力遥过的孔溅得狭小得多，甚至完全堵死。因丑l ：，用毛管力来解释细孔像中水分的 逡移，理论上根据不足。并且要排出细孔隙中的水实际需要的愿力要比由嘏细作用计算的压力 大褥多。 ( 2 ) 土水势理论 承势瑷论是默能蠹窍恒原理和旗璧守恒疆瑷为基础建立越来的，该璎论本身苓存在骣显 盼缺陷，闯鼷出现在对溅的过分麓化。目前，簌许多教科粥和理论专著中，都把永势矿定 义为基质势妒_ 、重力势蛉、溶质势灯、压力势和温度势 等几个分势口q 和。即： 矿。虬+ + + 双+ 琢+ 致 貔6 在实际应用时，通常作如下的假定：由于温差存在造成的土体水分运动通最相对是很小的，温 发势豹 筝瘸霹忽硌，识= 蛰；在 挚毫秘鬻孛搀我豫其毒连逸缓，各轰爨承受豹歪力璃为大气垂， 敞各点附加嬲基为零，聪力势为零，= o ；如聚只考虑黼士体中的运幼，面眺体向 植物根系供水，由于在土体中不存在半透膜，洛质势可考虑为零，虬。o 。于是，上式变 为：矿= 挚0 十。这令公式是当裁磺究主俸承运移鞠攘巍圭钵瘩运动爱豢蠲豹主瘩势馥达式。 ( 3 ) 层流爨论 诀秀土倦磅( 豹运移怒暴瀛，耋菝麓这器定镁爨溅馥基秘耄串懿 凳帮淡嚣瓣骏寝提， 也缺乏理论依据。在现销技术条件下，由于无法脚于实验的土柱中各断面的含水黛、土水 势梯度大致相同。因此，水的非饱和流动规律实骏( 等含水量、等土：桕撇的实必无法实现。 濒羰，毫援移缓篦稳澈豹这蓬定律麓秘融酸瀚蓉泛实验依嚣。舅舞，雾魄鞠流簖l 达鼹定律翡 姓不妥，理由有四点：一是达西定律燎在恒温条件下得出的，而非饱和带不是恒温地带，存在 较大的地程秽b 度。在基威势与重力势遮烈跫彩l 平衡( 除雨季外，全年绝大部分时间如鼢的水分 裁蟊上，戆滠场靛痒蘑秘筏是隶分遮移靛主要嚣索。二是达落定律是奁魄鹈状态下撼磁的实验 定律，水在q # 饱和黄土中的运移不是魄和流。非饱和流动与饱和流动之间存在明显的麓异： 当体一定时，饱和导农碡卜觳为一常数，非饱耪导水率却势非蛰数，蔼是非饱和带禽水量或 士俸基质暇力的函数； 主体中租大的孔豫无疑怒饱和水流懿好的通道，丽在菲魄帮流中，当 士体水吸力增高到一定假时，大孔隙水一旦被抽宅，则成为不导水的孔隙，土体导水帮急剧下 洚；在整令 魄帮带溉层中，在嗣一时裁本分蠢乏行、下移朗i 同壤搅存在，虽不耀蔹露上 水通量并刁潮等。这是不同于饱和永的重要现象。 ( 4 ) 湿润锋蕊入渗理谂 湿润锋滔入渗理论翻b o d m a n 籁c 0 1 e m n 子2 0 世纪4 0 年代中期提出之后，壹魁解释入渗 西安建筑科技火学硕士论文 瘩在瘁割露上分毒艇德鼹霉爱理谂。该理论试必，哭要 瞻宠是，在入渗豹黼聪宏g 渗拳 到达潜水面以前) 检查剖丽者阿以见瑟| j 地表数毫米至l 锄左右的饱和层，中部处于饱和一非饱 和状态的传导层以及最下部的湿润层。湿润层的最前端为干、湿交界的锋面，称作湿润锋。 在遗润锋簸，经建拳f 笋溯；蔻，只蠢遣东积藿弱缓l 茔魄帮睡滠黼骤然蠢蘩摇琵。眵，然 后又停滞1 ：来继续聚水，吏卜设对阆觥步，如脉冲叫限跳跃目潲避。但是，众多的实 验结果与该耀论的描述不样。通过大量的入渗模拟试验表明入渗现象与湿润锋厦入渗理论不 蜜合，入渗瘩豹下移不是莠头荠逶戆，瑟是港俸孛豹大稳簸星瑗捷径式翡往走氏渗方式。这 就是近年来兴起的非饱和水运移的优势流理论。优势流理论认为，非饱和带在整个入流边界上 接受补如果补给充分，水分就会透过少部分隰力小的大邋造辨快速遮移，并且认为这嵇现 象不轰辨崤陵豢，蔼庭巍然莠静辩静客蕊目薛罄嘲 到目前为止，己有火量方法用来求解渗流问题，主要有以下几类( 杜娥龄，1 9 9 2 ) ： ( 1 ) 解析法 是指利掰有关数学警段壹接求解蒸本微分方程的方法。谶过解析解可得到关手永头在所研 究区域内分布的函数表逸式，它既满足基本方程，又满足给定的边界条件。然而，解析解虽然 壤穗，但冀受用牲较差，逶霉仅在微努方程是线性蕊，足嚣彩状及边秀条 睾麓蔹舞攀涵数箍绘 的清况下才适用。 ( 2 ) 电拟法 是基予酝秀纛渗澈场褥会同一形式戆控襄秀程悉送愆求瓣戆。毫模羧法嚣蔻圭螫采震嚣静 模型，即导电液狼l 鲫电网络模型。鼯电液模型为连续介质模型，它便于梗澎隐变渗流区问题， 但无法模拟j e 均值各向弊性渗透介殿，也不适应复杂的地质和边界条件。为模拟更加复杂的渗 流场，逐步发矮了电掰终摸墼裁氮该方法戆蒸零爨理是鏊哥羁络电路 霸蘧煞簿释渗流琢鲶数 值解符合同一形式的差分方程或变分方程。由予该方法吸收了有限元法自臼优点，在模拟曲线边 界和各向异燃翁魏彰豫隅受卜定的改进，目裁在求】删复杂渗流场中疲用较多。 ( 3 ) 数筐浚 4 数值计算方法是目前应用相当广泛的种方法，它主要静三大类：脊限差分法、有限单元 法裙边界元法等。有限麓分法是赋微分方程出发，将研究区域离教处理鼹，近似趣熙夔分、差 商来代替微分、徽商。这样，基奉微分方程和边界条件的求解可归结为求解个线饿方程组， 所得的结果即为数值解；有限差分法的优点是算式简单，有较成熟的理论旗础。其缺点是往往 禺限于趣强载差分网楱，对趋线边爨程渗透奔联豹备囱冥毪揍羧魄较困壤；有限单露法是特爨 有价值盼数篷方法，它怒古典变分法与分块多项黼值结合的产物，既吸收了有限差分法中离 散处理的内核，又继承了变分计算中选择武探函数，并对区域进行积分的合理做法，充分考虑 7 攀元对繁豢参数戆雯羧。霹戳缀器易适应予复杂援壤形状鼹透雾、各彝舅蛙戆渗透瞧、戮及 简单或复杂的分层的闷蹶处理；边界元法是通过把求解域边界割分为若干单元，将区域定解问 西安建筑科技大学硕士论文 题转纯为边棼积分方程寒求荚数篷勰瓣秘方法。便予链理炙隈或半无疆渗透奔厦、渗滚毒异 及自有面等问题，数据倦息量要求少、计算精度满。但它所建娩的系数矩雠是满阵，鼠不对称， 将占用可观的内存，目对三维非均质渗透介质问题的应用存在相当大的困濉。 2 3 土体水势的构成 垂然赛豹霹瑷誊露拿永髂系，主中瘩冬英宅豹爱撵兵毒苓鬻数藿窝形式戆憝量。 由于土中水的运动速尉鲢缓慢，其动熊一般可忽略不计。势能决定于水所处的位置和内部条件， 它是影响土中水状态和遴幼的主要原因，土中水的能量概念就是指中水的荮能，简称士水势。 圭承势熬壤念嬲 键释主，毯逡躅子l 缝秘童，宅霹戮毙髂骚耪拳分鳇麓力嚣转移黼l 很方便的袭涿出来。势能随着距离的减少而减少，这是造成士中水运动的幼力。这种幼力可以 出各种因素引起，如重力作用，土救、水和空气界面上的表颟张力作用，生中矿物成凳对水的 稷弓l 力，承串离子浓度黪甍 蠢等，这魏势能戆代羧鞍称秀总承势，公式袭示为： y 2 + + + 虬+ 缈p + ( 2 7 ) 式中矿为憩壹东势；挚0 为薹质势；为重力势；甄溶荔b 势；为匿力势；张为溢发势。 ( 1 ) 基斌势 基疆努链盘霆薅鬏陵蓉凌与承之阉穗互终蔫零l 起静，鼙淡疆薜舞菲绣疆上懿耱暇承能力， 或者说是种负压力势，参考状态以自由水为标准。固体! 酬嬲朝铡土中水分吸持的机理十分 复杂，可概摄为吸附作用和毛管作雕。单位数量的士中水分蠹净魄和土中躲一点移至标准参考 获态，除了蕊钵鬏粒萋璇捧魇箨其它各项维持不变，羹| j 中窳所徽的功瑟为该点静鏊麟。为 了反抗固体颗粒基质的吸持作用必须对土中水做功，以实现匕述移动，因此所做的功囊际是负 俊。由此霹躲 睃蛹撇势永远为受僮，露魄窝基魔懒零。 主体水簇质对水分缀持作用酶大小与些外界因素有关，因此菲饱和土体水的基质势是这 些影响因素的函数，这关系极为重鼹，其具体确定关系式及使用将在以厢的章节中详细讨论。 ( 2 ) 勤势 重力势指相对于基猴面的单位熏艇的水所具肖的重力势能，它是由予勤场的存猩而引起 的。它决定予士中承的离嫩壹德爨。将单位数量的土中承歇菜一点移动懿际准参考状态平 面处丽其它各项均维持习渡时，巾承所做的功帮为该点的勤势。重力势是由于勤场对永 的作用引起的，其大小决定于土中水的相对位置取定参考平面，在参照阿以上为正，参照面 班下为受。懿：当坐抵系选定压，土俸中坐标为h 豹体撅爨骞的重努势为； l l 西安建筑科技大学硕士论文 终= h g ( 乙8 ) 上式中当h 嫩标向上为难时取“+ ”号，当z 坐标向下为正村墩“一”号。 焦是京莛圭 事冁憨嚣，大量挖爨黪篷表臻，东攘当夫豹漾庭蓉国内，圭_ 绛含瘩量溅涤痰芟纯 很小。例如贮水窖深魔= 十多米，但除表层土外，士体含水鬣、温度随深度变化很小，若按式 圪= 姆确定勤势，则上下土体蝻超过2 0 0 k p a 基质吸力之差与之平衡，这击分托黜较 参黼骶驻然是苓嚣戆戆。霾噩曛式致= 圭埝逶焉渤惫豹重力努蘸奏冁刊艄立缕| 欠 妥当的，有必要探讨非墩和土中重力麴的确定方# 妒。 降 缈 2 5 致= ( 1 4 。3 w 一2 5 7 ) h g l 漱 防2 5 ( 2 9 ) t o m 1 8 豁) 捃j 夔势 溶质势是土体溶液中所有形式的溶质对土中水分综合作用的结果由于参考状态是以纯水 作为标准的，当土中任一点的水分食有溶质时，该点水分便舆有一定的溺霞势。单位数量的 串瘩分麸支串一点移麓雾晦雅参考获态霹，其它备顼维持不交，仅由予土体溶滚中溶疆鲍 # 稻 而使土中水所做的功即为该点的溶质势。土体水溶液中的溶质对水分子脊吸引力，实施匕述移 动时必须克服这种吸持佟用怼中水徽功，医屹港屣势也秀受傻。溶质势碍戳理解为洛j 受吸力， 其大4 、稽巍子物理纯学巾懒l 予半遗膜e 静渗透艨，值两者盼符号相反。 ( 4 ) 压力势 压力势是由于篷办场孛压秀差瀚存在悉弓l 怒的，辑定义瓣拣准参考状态下豹压力为标准天 气压或当地大气压。若士中任一点的水分所受压力不同于参考状态下的大气压强，则说该点存 在个驸拥压强。单位数量鳇中水由该点移至标准参考状；惑蕊其它各项维持不变，仅蠹于附 热压强静存在箍筏串承分所骰酌功称为该点豹聪力势。 对于非魄租土琳水，考虑到通气孔隙的连通性，各点所受的压力均为大气压，故各点附加压 力势为零，郄致= 0 。健当非饱和太俸中存在有闭塞的未充农孑| 。除时，其中与土体本壤乎衡黪 气压可能不同予大气赫由此产生的压力势称芝为气压势。闭塞气泡及朔应气压势的存在，对 于水分布状况有定的影响，但目宙旬硼贫r _ 般不予考虑此项嘲 岱) 滠溲势 温度势是由于温度场的温差所引起的。土体中任一点土体水分的温度势由该点的温度与标 准参考状；蠡的温度之蓑凝决定。髂承势中温度势的确定及其在体承分辑中鲍应翅，是令 还需进步研究的谋联。温差导致水分迁移现象对有发生。土体中温度的分布和变纯对土体水 西赘建筑科技大学硕士论文 分运动敬影晌是多方嚣懿，有些大大怒过7 漫度势瓣本身懿童挈翔。铡摇，矮过温度髯窳豹凌理 化学性质( 鲕祜滞性、表面张力及渗i 嚣压等) 的影响，从而影响弼基质势、溶质势的划、及土体 水分运动参数。温度状况还决定着水的相变。另方面，土体中的水分状况在很大程度上决定 凄圭嚣戆熬褥缝参数；承鹣摇交麴鬃发生，噩囊蔽为热量乎黉孛瓣令重娶疆素。霾魏，实嚣惩 题中，更为麓要的是土体中水熟迁移的互相交叉和耦合的影响御。 王铁行勰嘲，李宁等提出了个考虑猛度影响的含水量梯度经验公式； g m 新= 叫( 2 + 均y ( 脚y ( 2 1 0 ) 式中：w 为含水量，t 为温度，口，6 ，c 为参数，是禽水量的函数。 2 4 土体水分迁移的基本方稷 键稳生审索熬流动逶篱 蘑d a r c y 定律来表魏秘戳y 霰瑟羧俸孛永弱流速与其水力梯度成芷 式中v ，水的流速； 巧；吨掣 珊 k 水相的濒繇数； ( 2 1 1 ) 娑一y 方离豹本力徽，胃鹅戒o 。 删 7 d m - c y 定律也适用于非饱和土中水的流( b u c k i n g l l a 峨1 9 0 7 ；r i c h a r d , 1 9 3 1 ；c h i l d s 和 c o l l i s - g e o r g e , 1 9 5 0 ) 。毽是，在 濑孛豹渗透系数嬲戆靛秀鬻羧。程爱，渗透系数 是变数，生要是非魄和士含水量或基质吸力的函数。 可以设想水仅通过水占有的孔隙空间流动，空间所占有的孔隙对水的流动来说怒非传导性 熬漉稽。掰骧，非泡稻中空气砉窖琵豫戆形获霹撬为与嚣鞠糨囊鬟，i 嚣戮处理为释减奎含 水量的饱和士样( c l i l d s ，1 9 6 9 ) 。从而非饱和土中d a r c y 定律的适用性研以像饱和土中样得 到论证。 曾递簿j 璧论证i ) a r c y 定律，蜊麓麴遥糟性盼试验。絮菲魄褪融自柱俸，鬟商均匀静 含水量及不变的压力水头，并施加不同的重力头梯度，在某特定含水爨下，对于作用于非饱 和土上的不阕水力撵度( 靼此时仅重力水头交蚴，渗透系数丸是常数。羧铺说，遁避j 馨包秘 的承流遴与水力梯度黧线性圪例美系，丽渗透系数是一常数，这与饱和士中的情况相同，这 西安建筑科技大学硕士论文 证明d a r c y 定律也适用予l # 饱和，馁是，在 饱鞠孛渗透系数熬大奎将蕤不同体积衾水量幺 而有所不阍湘。 渗流问题通常分为稳态渗流和非稳态渗流的分析。对于稳态渗流分析，士体中任何一点的 承头窝渗透系数苓随嚣瓣交继。嚣汗 稳态渗溅努辑，零头( 瞧哥毙是渗透系数) 疆辩阕交纯。 这些变化通常反映出边界条件随时阐的变化咖 ( 1 ) 稳态渗流 在常裁渗流分析中盘要考虑饱和区内的流动。但是非饱和区内的水流弓i 起了工程师们越来 越多的兴趣。例如，通过坝的渗流通常只考虑在经验性的计算渗流线以下区域内激行分析 ( c a s 8 器徽如，1 9 3 7 ) 。鬟薮硬究表秘，在魄帮专懒区乏阗赛连续豹承淀；逶遥蝴蒋 的水流受到与饱和土体中水流相同的定律所控制( 即d a r c y 定律) 其主要区别是对饱和土假定 渗透系数为常数，而对于非饱和土则须假设为吸力、含水量域某些其他变曩的函数。闷时，孔 鬻薮垂力麴舔秀表凌数淫酾主黢隽歪篷，瑟涮鼢簸秀受筐。豫7 这些嚣麓轻涉沁 流动偏微分方程的推导对两者是相同的。 1 ) 维流公式 考惠赣魄帮王掣懦，在y 方翔有缍承流( 图幺2 k 单元三维光穷蠢、耋矗、毋、斑。 薪瞄塞假设y 方向向上的水流为芷。在稳态条甜下，连续性舞求单元内水的流入= 量和流出量必 须相等，鄄 y 州问订以l z l d x 一 图2 2 通过非饱鹈士单元的缭水流 1 7 西安建筑科技大学硕士论文 一+ 誓孝】抛一, x d z = ( 2 1 2 ) 式中：”了方露燃单位蕊积盼蜘镕c j 墓蛙甄 瓣、咖、彩分别为x y 、z 方向的三维无穷小量。 净流量可以写成如下形式； 垒疏姚：0 印 ( 2 1 3 ) 将d a r c y 宠律代入以靠程德 兰i 壶媲二塾! 垫丝i 枞。o 砂 ( 2 “) 戎串；( 一) 蘸y 方蠢毽嚣藕交赘、笔麓霞吸鸯整数莠关囊椿鹚渗透系数； d k 咖叫方向的水力黻； 水头( 即重力头加孔隙水服力头) 。 隽了筏l 起甄将瓴一瑗霹残k 。将上式室写势耘副曝豹篓缝黼堂威、毒、 如，写成下列非线性微分方程： 争每争。播， 式中：d 咖了方向随基质吸力变化而变