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环境因素对膨胀土边坡内温度场、湿度场影响的模型试验研究 摘要 本文以广西南宁典型膨胀土为研究对象，制作一膨胀土边坡模型。利 用环境发生器，通过模拟环境温度、环境相对湿度以及降雨等气象环境因 素，观测在气象环境因素改变条件下，膨胀土边坡模型内温度场、湿度场 的分布与变化规律。同时对气象环境因素改变条件下，边坡模型土体裂隙、 位移进行观测与描述。 环境温度、相对湿度、降雨影响着边坡土体内热量的传递、温度的改 变。环境相对湿度较高的情况下，土体内温度变化速率较快：降雨前后， 边坡模型土体内温度的变化速率发生了变化，环境相对湿度、环境温度相 同，降雨后温度变化速率减慢；只改变环境相对湿度、环境温度以及降雨， 对边坡土体内温度场的影响深度在0 8 l i i 左右，土体表面0 ，5 m 内温度变化 幅度较大；随着深度的增加，温度的滞后效应逐渐明显。 环境温度、相对湿度、降雨对边坡土体内湿度场均有较大影响。环境 温度、相对湿度改变对边坡土体内部含水量的影响深度为0 5 m 左右，土体 含水量变化幅度最大为3 ，5 ；降雨对边坡土体内含水量的变化影响较大， 影响深度1 0 i 左右，土体含水量变化幅度最大为5 5 ；边坡土体的饱和 渗透系数随着土体含水量的增加相应增大。 环境温度、相对湿度的改变对边坡模型土体裂隙的发育与发展有较大 影响，裂隙最宽达6 n z ，最深达6 c m ；而对边坡模型土体表面位移影响较小。 降雨前后随着干湿循环次数的增加，边坡土体表面的裂隙的类型发生了改 变，裂隙的发育与开展加速了雨水的入渗，使得边坡表面的位移逐渐增大， 最终导致边坡表面土体饱和、松动。 通过此次模型试验，积累了经验，得到了许多有用的数据，对今后的 模型试验以及研究具有指导与借鉴意义。 关键词：环境因素膨胀土边坡模型试验温度场湿度场 裂隙位移 i m o d e lln ge x p e rim e n t a ls t u d yo nt h ein f l u e n c eo fe n vir o n m e t a l f a c t o r su p o nt e m p e r a t u r efie l da n dm 0is t u r efle l din e x p a n s i v es o i ls l o p e a b s t r a c t t h i se s s o ya i m e da tt h er e p r e s e n t a t i v ee x p a n s i v es o i li nn a n n i n g , g u a n g x lt ob u i l d a ne x p a n s i v es o i ls l o p em o d e lu s i n gt h ee n v i r o n m e n tg e n e r a t o r , t os i m u l a t et h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e , a i rr e l a t i v e h u m i d i t ya n dt h er a i n f a l l t oo b s e r v et h e d i s t r i b u t i o na n da l t e r a t i o nl a w si nt h e e x p a n s i v e s o i l s l o p em o d e l , u n d e rt h e e n v i r o n m e n t a lf h c t o nc h a n g i n g a tt h em e a nt i m e , t oo b s e r v ea n dd e s c r i b et h ef i s s u r e s d i s p l a c e m e n t s mt h es o i ls l o p em o d e l t h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e , a i rr e l a t i v e h u m i d i t ya n dt h er a i n f a l lh a v e i n f l u e n c e di n n e ro ft h es l o p es o i l st h e r m a lt r a n s f e ra n dt e m p e r a t u r ec h a n g e a ta m o d e r a t e l yh i g ht e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h es o i l si n n e rt e m p e r a t u r ec h a n g ev e l o c i t y w a sf a s t e r a f t e rr a i n f a l l , t h et e m p e r a t u r ec h a n g ev e l o c i t yi nt h ei n n e rs l o p em o d e lw a s c h a n g e d t h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e , a i rr e l a t i v eh u m i d i t yw a st h es a m e ，b u tt h e t e m p e r a t u r ec h a n g ev e l o c i t y w a ss l o w e ra f t e rt h er a i n f a l l o n l yc h a n g i n gt h e e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e , a i rr e l a t i v eh u m i d i t ya n dt h er a i n f a l l ，t h ei n f l u e n c ed e p t ho f t h ei n n e rs l o p es o i l st e m p e r a t u r ef i e l di sa b o u t0 8 m , a n dt h et e m p e r a t u r e c h a n g er a n g e w uw i d e ru n d e rt h es o i ls u r f a c eo 5 m w i t ht h ei n c r e a s i n gd e p t h t h ee f f e 什o f t e m p e r a t u r eh y s t e r e s l s e sw a s d i s t i n c t n ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e , a i rr e l a t i v eh u m i d i t ya n dt h er a i n f a l lh a dag r e a t e f f e c to nt h es l o p es o i l si n n e rt e m p e r a t u r ef i e l d t h ed e p t ht h a tw a si n f l u e n c e d e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n da i rr e l a t i v eh u m i d i t yo ns l o p es o i l si n n e rm o i s t u r ew a s a b o u t0 s m - t h eb i g g e s tr a n g eo fs o i lm o i s t u r ew a s3 5 t h er a i n f a l lh a da b i g g e r i m p a c to nt h es o i lm o i s t u r ec h a n g e ；t h ed e p t ho fi n f l u e n c ew a sa b o u t1 0 m t h eb i g g e s t r a n g eo f s o i lm o i s t u r et h a tw 口si n f l u e n c e db yr a i n f a l lw a s5 5 t h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n da i rr e l a t i v eh u m i d i t yh a dag r e a ti m p a c to nt h e s l o p em o d e lf i s s u r ed e v e l o p i n g , t h ew i d e s tf i s s u r ew a s6 m ma n dt h ed e e p e s tf i s s u r ew a f t 6 c m t h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ea n da i rr e l a t i v eh u m i d i t yh a das m a l li m p a c to nt h e i i s o i l ss u r f a c ed i s p l a c e m e n la c c o r d i n gw i t ht h em c r e a s co fc y c l e so fd r y - w e tp r o c e s s ，t h e t y p e so ff i s s u r eh a dc h a n g e d t h ed e v e l o p i n go ff i s s u r ea c c e l e r a t e st h er a i n w a t e r s p e r m e a t i o na n dm a d et h es l o p es u r f a 舶d i s p l a c e m e n tg r o w ng r a d u a l l y a tl a s t , i tm a d e t h es l o p es u r f a c es o i ls a t u r a t e da n dl o o s e n i n g a c c o r d i n gt ot h i sm o d e l i n gt e s t , w eh a v eg o tl o t so fu s e f u ld a t aa n da e e u m u a t e d e x p e r i e n c e i t j ss i g n i f i c a n tf o rl a t e rm o d e l i n ge x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h k e yw o r d s ：e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ；e x p a n s i v es o i ls l o p e ； m o d e l i n gt e s t ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；m o i s t u r ef i e l d ； f i s s u r e ；d i s p l a c e m e n t 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：刁k 文闷= l 幻7 年占月1 7 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 日即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名孑卦义闰1 导师签名： 川年月7 日 广西大掌硕士掌位论文 环境因素对膨胀土堕境内俎度场疆度场影响的模型试验研究 1 1 引言 第一章绪论 膨胀土主要由强亲水性粘土矿物成分一蒙脱石和伊利石组成的，具有膨胀结构的 高塑性粘性土。它具有明显的多裂隙性、强胀缩性、显著的超固结性和强度衰减性，有 “晴天一把刀，雨天一团糟”、“天晴张大嘴，雨后吐黄水”等通俗生动的描述，也是对 膨胀土强度特性和胀缩特性规律的高度概括和逼真写照嘲。 我国是世界上膨胀土分布面积最广大的国家之一，先后发现膨胀土危害的省、市、 自治区已达2 0 余个。广西膨胀土具有种类多与分布广的特点，在南宁盆地、宁明盆地、 百色盆地和桂中岩溶平原等全区7 个市、2 7 个县都有分布。据不完全统计，膨胀土已造 成广西数百万平方米的建筑物受损，使已建成的公路铁路等交通设施的直接经济损失达 数亿元瑚。 膨胀土的典型特征具有显著的湿胀干缩和反复湿胀干缩的性质，而且具有多裂隙 性、超固结性等特殊性质，这些特性对强度衰减有强烈的影响：含水量的变化引起膨胀 土的胀缩变形，强度降低；干湿循环次数增加，强度衰减幅度增大；裂隙的存在破坏了 土体的整体性，强度减小，同时方便了水分的浸入和土中水分的蒸发，天气的变化将导 致裂隙的扩展和向深层发展。膨胀土的“三性”在环境因素的变化下将相互影响，进而 影响土体的强度以及稳定性。 广西地处亚热带地区，炎热多雨，各地累年极端最高气温为3 3 7 4 2 5 c ，各地年 降水量均在1 0 7 0 毫米以上，大部分地区为1 5 0 0 2 0 0 0 毫米。降水量的时空分布不均， 干湿交替频繁，将会对膨胀土内部温度场、湿度场的分布产生影响，进而影响到土体的 强度以及稳定性。 温度对秸性土介质力学特性的影响是当今岩土工程领域中的一个重大课题，它在浅 表层地热资源开发、热能贮存、供热管道设计等领域有重要的应用价值。温度对土性质 的影响的研究始于2 0 世纪中叶。当时的研究重点是土表的蒸发和降水入渗。近年来， 国际上关于温度对土变形和强度特性的影响得到了很大的关注。在我国，关于温度对岩 土介质影响的研究工作开展较多的是寒冷地区低温条件下冻土的力学变形特性及其工 程影响，关于在高温条件下岩石的温度效应问题也得到一定的重视。但对于作用温度较 低、长时问或往复作用时有关粘性土介质在温度作用下的力学特性的研究则极为少见。 热源( 或取热设施) 周围的粘性土地层在长期的热作用或冷热循环的反复作用下， 引起土体中能量的传递和温度场的改变。1 ，产生附加的地温度场。土体温度的变化强度与 广西夫掌疆士掌位论文 环境因素对膨胀土边坡内沮度场、沮度场影响的模型试验研究 土层、含水量和地下水等因素有关叫。 在自然条件下，土体自身存在一个初始温度场，温度沿着土体深度的增加而逐渐变 化。土体内部的初始温度场受外界温度、湿度、降雨等环境因素影响显著，外界环境因 素的改变将引起土体内能量的传递、温度场的改变，促使土体内水分的迁移，引起含水 量的变化。 土体内的温度和湿度是相互作用，相互影响的，并且受外界环境因素的影响较大。 如何考虑外界环境因素对土体内温度、湿度的影响，以及如何定量描述土体内部温度场 和湿度场的分布至今尚无统一标准。因此，研究在不同温度、湿度、降雨等环境因素变 化作用下，膨胀土边坡土体内温度场、湿度场的分布规律，以及相互作用，具有重大理 论与现实意义。 1 2 国内外研究现状 膨胀土地区的路基工程、市政工程等大面积暴露于地表，由于受到太阳辐射、蒸发、 降雨等因素的影响，土体内的温度、含水量均是变化的。土体内的湿度场直接影响着土 体的结构，湿度的变化必然会影响热量的传递：温度的变化打破了土体内的热动力平衡， 使土体内的湿度场发生迁移，从而对土体结构特别是土中胶结物的形成和发展产生影 响。下面从几个方面来论述国内外的研究现状。 1 2 1 膨胀土研究概况 膨胀土主要是由亲水性矿物蒙脱石、伊利石等组成，具有显著的吸水膨胀和失水收 缩的性质，同时具有强烈的超固结性和多裂隙性。膨胀土这种吸水膨胀、失水收缩并且 反复变形的性质，以及土体杂乱分布的裂隙，对修建在其上的各种工程建筑物有着严重 的破坏作用，而且这种变形破坏作用往往是不同于其它岩土的，具有长期潜在危险的特 点。膨胀土对工程建筑的危害是无所不包的，而且是反复和长期的。我国在总结膨胀土 地区修建的铁路时，就有“逢堑必滑，无堤不塌”之说，可见其危害之大“1 。 1 9 3 8 年美国土力学工程师在奥勒岗的一座钢制倒虹吸管基础工程中首次认识了膨 胀土问题。随着经济建设的发展，膨胀土的研究越来越引起岩土工程界的注意。1 9 5 9 年， 美国首次全国性的膨胀粘性土学术会议在科罗拉多州召开，1 9 5 9 年至1 9 7 7 年，英国、美 国、罗马尼亚、前苏联和日本都相继在正式的土工规范与铁路规范等文件中增列了有关 膨胀上的条文内容，充分反映了各国对膨胀土问题的重视及对其所采取的科学态度。 2 0 世纪5 0 年代初，我国在修建成渝铁路工程中，首次遇到粘土膨胀危害问题，从而 拉开了我l 蓍膨胀土研究的序幕“1 。2 0 世纪7 0 年代中期我国开展了大规模的普查工作，建 2 广西大掣颐士掌位能文环境因素对膨胀土| 城内俎度场，薯月啊旁髟响的模型试验研究 立了科学研究试验基地，开展了卓有成效的研究，取得了一定的科研成果和工作经验。 2 0 世纪8 0 年代，我国制定了膨胀土地区建筑技术规范m ，1 9 8 8 年工程地质专业委员会召 开了首次“膨胀岩学术讨论会”。1 9 9 4 年在武汉召开了“中加非饱和土学术研讨会”， 标志着我国非饱和土理论研究已经达到了一个全新的高度，其中有一些学者对非饱和膨 胀土特性进行了较深入的研究，可以认为膨胀土的研究己经从一个国家或区域的研究逐 渐发展成为世界性的共同课题。 到目前为止，己经先后召开了七届国际膨胀土研究与工程会议，在膨胀土的成分、 结构、特征、强度特性、膨胀机理及变形特点等方面取得了很有价值的研究成果。1 。 1 2 2 土体温度、湿度计算理论研究概况 k l u t e 将r i c h a r d s 等温方程改进为非等温扩散流方程，来考虑温差下液态水分体 扩散。在此基础上p h i l i p d e v r i e s “”、d e v r i e s “”建立在质量和能量平衡基础上的水 气热耦合运移理论，提出土中液、气两相水流在水热梯度共同作用下的运动模型。该 方程经m i l l y “”修改以考虑成层土的热湿耦合运移。 a a s s e r a td es i l a n s “”采用p h i l i p d e v r i e s “”提出并由m i l l y “2 3 修改的方程来 描述热湿耦合运移，以p r a n d t l 方法和m o n i n o b u k h o v “”方法描述在大气低层的动量、 热和质量迁移，建立了一个大气边界层耦合的非饱和土的水热迁移方程。 w i l s o n “州删“”采用d a r c y 定律、f i c k 定律和f o u r i e r 定律来描述液态水、气态水和 热量的运移，建立了热湿撰合的控帛4 方程，土体与大气的耦合采用修正的p e n m a n w i l s o n 公式来连接。通过对在室内可控制气候条件下一维土柱蒸发试验的模拟，证实了 该模型的正确性，并建立了实际蒸发率和土体吸力的关系。采用该理论具有代表性的是 一维瞬态热质迁移有限元程序s o i l c o v e r 。d a s w a n s o n “”等采用该程序对土层的水力参 数进行现场标定，并模拟了大气降雨和蒸腾作用下某银矿废弃场上覆盖土层的液态水和 气态水的运动过程，预测和实测结果十分吻合。 e e h l o n s o “”等采用热湿力耦合的分析程序对路堤在不同气候条件下的变形、 含水量和温度进行数值模拟，土体本构模型采用线弹性应力应变关系，并考虑热的扩散 效应和热膨胀造成的变形。通过数值模拟分析了在路堤工程中径向排水沟的最优位置和 合理深度。 y a os u n 汹1 认为空气压力对非饱和土的渗流有明显的影响，并发展了应力一两相流鲍 耦合理论用于分析降雨引起的土坡浅层破坏，推导了将多相流与多孔介质固相耦合的控 制方程，并用一个把吸力、饱和度和孔隙比联系在一起的状态方程作为附加方程。 崔玉军、卢应发等。”噙1 采用w i i s o n 提出的理论描述土体的温度和吸力变化特征，考 虑了降雨、温度和风速等不同因素对岩土孔隙介质力学性质的影响，并利用p e n m a n 方程 3 广西大掣嘎士掌位论文嗣t 境因素对膨l | 0 遵壤内沮庄场、漫d ，弛响的辏主剖渭盘研究， 估算水的蒸发。 贺再球等基于非饱和土气态水迁移引起的含水量变化的方程，结合非饱和土体液 态水迁移引起的含水量变化方程，提出了实现两者耦合计算的方法，并以试验土样的水 分迁移进行了计算，计算结果与试验结果吻合较好。 武文华等“1 在c a p 模型韵基础上提出了一个非饱和土的热水力力学本构模型， 着重考虑温度对于非饱和土的水力力学性质的影响，基于试验结果和前人的工作，在 模型中重现了热软化现象，计算了温度升高导致土体前期固结压力的降低和非饱和土吸 力增加屈服线中临界吸力值的降低，并应用该模型进行了数值模拟计算。通过模拟结果 和试验结果的比较，验证了该模型的适用性和可靠性。 杨代泉、沈珠江乜5 1 提出了一个非饱和土孔隙气、水、汽、热祸合运动的理论模型。 该模型假定孔隙气和孔隙水运动分别遵循d a r c y 定律，而影响水蒸汽运动的两种主要因 素是分子扩散和孔隙气运动。其中受分子扩散影响的孔隙水蒸汽运动可以用f i c k 定律描 述。利用有限元编制了一个三维计算程序，用以模拟非饱和土孔隙气、水、汽、热耦合 运动，通过数值分析与干砂试验结果比较，验证了理论模型和计算程序的可靠性。 1 2 3 试验手段研究概况 理论模型的建立及其验证必须要借助于试验手段的发展。随着土壤学、农学以及岩 土工程领域试验设备和试验手段的不断发展和多样化，众多的现场和室内试验得以开 展，研究环境因素和土相互作用下土体的各类反应，并且验证理论模型的正确性。 a s s e r a td es i l a n s “”在位于法国约3 6 0 0m 1 的裸土试验场地安装了多种传感器， 测量土体不同深度的温度、含水量和基质吸力随时自j 变化的规律。同时还采集了包括大 气温度、气压以及辐射量等气象资料。并利用现场前期实测结果对他所建立的模型进行 标定，采用标定后的模型对后期土体在大气作用下的各种反应进行预测。结果表明，实 测和预测结果很接近。 m o k 黜l e 对加拿大某银矿废弃场上覆土层进行了现场监测试验，通过埋设在 土层中的传感器来监测在气候变化下土层温度、含水量、地下水位等变化，采用自动气 象站实时采集监测地点的气候变化。 黄绍铿、柯尊敬等啪1 在南宁设立了监测吸力变化的综合观测站。在土体不同深度埋 设吸力传感器，同时相应地设置含水量探头，以及多个沉降观测点和水平位移观测点， 以取得在亚热带湿热多雨环境下现场观测吸力变化的经验，探求不同深度土层的吸力变 化、变形、强度、环境和气候变化的关系，为土体气候变化基质吸力变形的数学模 型计算提供客观数据和实践依据。 j g a s m o 、h r a h a r d j o 等。1 在新加坡南洋理工大学开设了边坡试验场地，安装了 4 广西大李坷i 士掌位 耋? 文 环境因素对膨胀土迎坡内沮度场、疆蛆巴| 易影响的模型试验研究 张力计、t d r 、测压管、雨量计等。通过测试所得体的含水量、吸力、地下水位、表 面径流量和降雨量，研究天然和人工降雨条件下入渗到残积土边坡的水分与降时量的关 系及其对边坡稳定性的影响规律。 詹良通等1 在湖北枣阳选取了一个1 l m 高的典型的非饱和膨胀土挖方边坡进行人工 降雨模拟试验和原位综合监测。监测仪器包括张力计、热传导吸力探头、含水量探头、 土压力盒、测斜管、雨量计、蒸发计以及地表径流量等组成了一个完整的监测系统。通 过对边坡土体中的水分、孔隙水压力、应力状态以及土体的变形的监测，来探讨边坡中 土水相互作用机理，从而对降雨诱发的非饱和膨胀土边坡失稳机理有了进一步的认 识。 a g l i 等1 对香港一个安装了测试仪器的大型开挖残积土边坡进行现场原位监测。 埋设含水量探头、张力计、测压计、测斜管、土压力盒和雨量计等测试仪器。通过土体 含水量、张力和压力的变化来揭示边坡表面入渗过程，全程分析了在降雨入渗过程中边 坡稳定性的变化情况。 中科院武汉岩土力学研究所与广西大学合作的大气作用下膨胀土边坡的响应试验 与灾变机理研究，在广西畜牧研究所内一膨胀土边坡场地进行了原位监测。埋设的仪器 包括：温度传感器、t d r 、测斜仪、沉降观测、测压管以及小型气象观测站。对大气作 用下膨胀土边坡的响应和灾变机理进行了研究，并基于湿热耦合的非等温流方程，结合 不同的蒸发计算模型，建立了大气非饱和土相互作用模型1 。 目前所取得的一些研究成果很多是基于理论研究、室内机理试验辅以少量现场试验 获得的，如果在现场进行原位试验应该说是最理想的，但由于问题本身的复杂性，现场 试验难以准确控制环境条件，干扰因素很多，土体内的各项物理力学指标也难以量测， 因而试验条件和试验结果的重现性差。室内模型试验能够较为准确的控制环境边界条 件，捧除对所研究内容的于扰因素。因此，有必要开展室内模型试验尤其是中等尺度的 模型试验研究工作，为室内机理试验和现场原位试验提供联系的桥梁。 w i l l i a mh c r a i g 等脚1 在室内开发了能够调节模型边界相对湿度的大气干湿循环模 拟箱，采用离心机来模拟大气降雨入渗和蒸发蒸腾这种季节性变化，将其看作为作用于 土体的一种荷载，模拟真实的土工构筑物在气候变化下的力学特征和性能。 姚玉春m 1 利用离心机模拟在降雨条件下边坡破坏机理，认为边坡土体在含水量增大 造成强度降低可以用损伤变量来表示，要防止水的入渗导致含水量超过损伤变量突变点 的对应值，超过此值，边坡土体损伤将加速发展，将由局部破坏发展成为深层的整体性 破坏。 杨果林啪蚓啪1 开展了室内大型模型试验，研究压实膨胀土路基在积水、阴天、日 照和降雨4 种不同气候条件下膨胀土路基土温、含水量和土压力的变化规律。 5 环境因素对膨j 畋土皿坡内沮度场，曩l a 酬眵响的模型试验研究 1 3 本文主要工作 本文主要针对广西南宁典型的膨胀土进行研究，利用环境发生器研究膨胀土在湿热 多雨的环境条件下，边坡模型内部温度场、湿度场的分布与变化规律。主要工作如下： ( 1 ) 设计与制作膨胀土边坡模型； ( 2 ) 利用环境发生器，模拟不同的气象条件，观测边坡模型在不同温度、湿度、 降雨等气象条件下土体内部温度场、湿度场的分布规律； ( 3 ) 利用环境发生器，模拟不同的气象条件，观测边坡模型在不同温度、湿度、 降雨等气象条件下土体裂隙发育与开展以及边坡位移发展规律； ( 4 ) 对所取得的观测成果进行分析，归纳总结环境因素对膨胀土边坡的影响规律。 具体的实施步骤，如图1 - i 所示。 陌酊蔼瘃琵温i i 素的变化对膨胀土边坡 l 边坡模型裂隙位移的 湿度、降雨等气象环境因f 模型温度场，湿度场以及l 影响规律 图1 - 1 论文框架图 f i g u r ei - it h et h e s e sf r a m e w o r k 6 环境因素对膨胀土边城内沮度场湿度场影响的模型试验研究 2 1 试验设备简介 第二章试验模型的设计与制作 此次模型试验，主要监测的是土体内温度场、湿度场以及土体的位移。在试验过程 中用到的仪器设备主要有：环境发生器、t d r 测量系统和温度传感器等。 2 1 1 环境发生器简介 环境发生器是一专用试验设备，可实现对温度、湿度、降雨等气候环境变量的模拟。 本设备是在泥土实验坑5 0 m ( l ) 3 0 m ( w ) 3 0 m ( d ) 上安装的。如图2 一l 所示： 图2 - 1 环境发生器安装示意囤 f i g u r e2 - 1e n v i r o n m e n tg e n e r a t o ri n s t a l l a t i o nd i a g r a m 环境发生器由广西大学土木建筑工程学院与重庆力达仪器有限公司联合开发研制。 环境发生器具有模拟自然环境( 如降雨、气温、湿度等) 的功能，可在可控的环境条件 下对岩土体性质进行观测和对量测数据( 如应力、位移等) 进行分析，可保证试验的重 现性，并能实现远程实时控制。其控制系统主要包括制冷系统、湿度系统、淋雨系统、 控制系统、气流循环系统及安全保护系统等等。为保证环境模拟精确、稳定，系统配有 检测仪表自动调节等，可依据测量信号，通过一定的控制算法进行自动调节，使气候环 境保持恒定或按程序自动变化，其过程以动态图形显示。整个系统于2 0 0 5 年1 2 月建成， 并依据国家标准验收，通过国防科工委第一测试计量研究中心的计量认证。建成后的环 境发生器如下图所示： 7 01ildi，i斗l鲁1ll_11尉 环境因素对膨胀j 丑城内沮矗，矛。翔u 吏攮嘭响的模型试验研究r 图2 - 2 环境发生器 h g u r e 2 - 2e n v i r o n m e n tg e n e r a t o r 环境发生器主要技术指标： 1 ，工作室尺寸：7 2 4 0 ( d ) 7 8 0 0 ( w ) 4 5 0 0 ( h ) 咖( 约2 5 4 m 3 ) ； 2 、温度范围：一3 0 + 8 0 ； 3 、温度波动度：0 5 ； 4 、温度偏差：在十5 以上时，2 o c ； 在+ 5 以下时，3 o c ； 5 、升温速率：从+ 3 0 。c 升温至+ 6 0 c ，时间不大于1 8 0 m i r a 6 、降温速率：从+ 3 0 升温至一2 0 ，时间不大于2 4 0 m i r a 7 、湿度范围：5 0 9 5 r h ( + 3 0 + 6 0 ) ； 8 、湿度偏差：当湿度 7 5 r h 时，3 r h ； 当湿度7 5 r h 时，5 r h ； 9 、降雨面积：3 0 0 0 5 0 0 0 衄( 1 5 时) ； 1 0 、降雨强度：2 0 l o o m m h t l l 、风速：1 7 m s ( 变频调节) 。 2 1 2t d r 简介 2 1 2 1t d r 测量土体含水量的原理 时域反射仪( t i m ed o m a i nr e f l e c t o m e t r y ，简称t d r ) 是一项包含高频电子脉冲的技 术，通过测定电磁波在混合介质中沿波导棒传播的速度，来确定混合介质的介电常数。 在t d r 测定频率范围内，土壤水的介电常数是8 0 ，固相介电常数是3 4 ，气相介电常数是 1 。常见的土壤成分的介电常数( d i e l e c t i cc o n s t a n t s ) 在表2 1 汹1 中列出。 因此，土壤混合物介电常数的大小主要取决于土壤中水的含量，建立两者之间的关 广西大掌硬蕾攀位论文 环境因素对膨胀土越城内沮度场、疆度埽髟响的模型试验研究 系式，通过测定土壤的表观介电常数( 用亿表示，t d r 测定的土壤混合物介电常数) 可推求 土壤的体积含水量。 表，- l 主要土壤成分的介电常数( c u r t i sa n dd e f a n d o r f 1 9 2 9 ) t a b l e2 1t h em a i ns o i lc o n s t i t u e n t sd i e l e c t r i cc o n s t a n t m a t e r i a l d i e l e c t r i c a i r w a t e r i c e b a s a l t g r a n i t e s a n d s t o n e d r y l o a m d r ys a n d 2 1 2 2 t r i n e - t d r 简介 t d r 主要有探针式和探管式两种。t r i m e t 3 是管式t d r 测量系统，主要用来测量土 壤剖面含水量，测深最大为3 米。没有辐射危害。t r i m e - - t 3 探管式测量系统的探头经 过专门设计，比普通探针式系统的探针有着更大的测量范围。 t r i m e - - t 3 系统 ( 1 ) 系统组成( 图2 - 1 ) ”1 t r i m e - - t 3 系统的基本件包括：读取探头水分测量值的f m 读数表：圆柱式探头t 3 探头；t e c a n a t 塑料探管，最大管长3 米；探管埋设套件；探管及附件。 ( 2 ) 主要技术指标 图2 - 3i 啪- t d r 系统组件 f i g u r e2 - 3c o m p o n e n t so f t h et r i m e - t d rs y s t e m 9 一一：m虿。舭m他蚍 环境因素对膨雇土边坡内沮度场、翊喇b 场影响的模型试疆啊院 t r i m e - t 3 土壤剖面水分传感器的主要技术指标：测量范围从0 到6 嘶，精度可以控 制在3 以内；t 3 探头长2 2 0 m ，t e c a n a t 塑料探管内径4 2 r a m ，长度包括1 m ，2 m ，3 m 三 种类型： t r i m e f m 读数表的主要技术指标：t r i m e 一刚读数表的分辨率为0 1 ，读数的重复 精度o 3 ；可用于一1 59 c 5 0 c 的温度范围内；外形尺寸2 1 0 x 9 0 x 6 0 m ，重8 7 5 9 。 2 1 3l z t - 5 0 8 5 温度传感器简介 l z t - 5 0 8 5 温度传感器由长沙科力自动化工程有限公司研制生产。 k l z t - 5 0 8 5 为一款精密的单总线数字温度计，其内部自带a d 转换器， 通过内部的温度采集，a d 数据转换一系列过程，最后将温度值以规定 的格式( 格式说明请参照芯片数据手册) 转换为数据并输出，可以通过 一些简单的算法，将数据还原为温度值。 f i 9 2 。- ，4 。2 h 1 4 辱：誉： 主要技术指标： 灵敏度：0 0 5 ；精度：o 1 。 测量范围：一4 54 c + 8 5 。c ；线性误差：0 0 5 。 2 2 边坡模型的设计与制作 环境发生器内试验槽的尺寸( 5 m x 3 m x 3 m ) ，并且试验槽由钢板分隔为三个尺寸相 等的小试验槽( 3 r e x 3 m x1 6 m ) 。取其中一小试验槽填筑土样，进行模型制作。 制作边坡模型所用膨胀土取自南宁市南梧路嘉和城附近，其主要物理性质指标如表 2 2 所示： 表2 - 2 基本物理性质指标 密度天然黼最犬黻最先糙 液限塑限平均自由嘲g 靼 塑性指数 ( g c d ( ) ( g c m 3 )( )( )( )( ) 1 9 82 4 5l7 41 8 3 4 42 2 52 1 54 6 根据自由膨胀率，可以初步判别所取土样为弱膨胀土。 所选取的试验槽的尺寸为3 m ( 长) 3 m ( 高) 1 6 m ( 宽) 。如图2 4 所示，试 验槽三个侧面和一个底面均为混凝土制成，外加一个3 m ( 长) 2 6 m ( 高) 的钢板侧面。 l o 广西大学硬士掌位论文 环境因素对膨胀土边城内埋度场、暹度场影响的模型试驻研究 混 凝 土 图2 - 5 试验槽平面图 f i g u r e2 - 5t h ep l a n eo f e x p e r i m a n t a lh o l e 根据试验槽的尺寸，将所选取的膨胀土土样晾干粉碎后分层填入试验槽，压实后制 成边坡模型。 根据击实实验得到的土样最大干密度和最优含水量来控制压实质量。 边坡模型具体的制作过程如下： ( 1 ) 将取回的土样翻晒，粉碎后备用； ( 2 ) 在试验坑坑底铺一层1 5 c m 厚砂石挚层，用来排水； ( 3 ) 考虑到试验坑钢板一侧与混凝土面不同的边界条件，在钢板一侧贴一层保温 板； ( 4 ) 由于混凝土面与膨胀土之间具有摩擦力，为了减少它们之间摩擦力对试验的 影响，填土之前，在混凝土面上涂抹一层2 m 3 m 厚的黄油： ( 5 ) 将粉碎好的土样按照最优含水量( 2 9 6 ) 分层均匀洒水，然后将土样封盖 静置一夜待用； ( 6 ) 将配置好的土样堆填入试验坑，按照9 5 的压实度来将士体压实，其中压实机 械采用h c d 7 0 型振动冲击夯。每层土体压实之后，利用环刀取土测量其密度来检验压实 效果； ( 7 ) 将分层填筑的土样达到一定高度之后按照1 ：2 的坡度进行削坡。 制作完成后的边坡模型如图2 - 6 所示： 习：境因素对麓；胀j 诧壤内抽l d 矛，湿度省纠眵响的模型试验研究 2 3 测试仪器的埋设 图2 - 6 边坡模型 f i g u r e2 - 6t h es l o p em o d e l 考虑到在夯实土体过程中对温度及湿度测试仪器的影响，将测试仪器在边坡模型制 作完毕后进行埋设。 为了得到边坡土体内温度场和湿度场的分布情况，分别将温度传感器和t d r 测试管 埋入边坡模型内，具体位置如图2 - 7 所示。 o 0 j 可审v o o ( j 。oo o 、0 v ：温度传感器o ：t d r 测试管 图2 - 7 传感器位置 球境因素对膨胀土边坡内沮度场、癯度场影响的模型试验研究 2 3 1t d r 测试管的埋设 t d r 测试管的埋设分为坡顶和坡面两种类型。由图2 - 5 可知，位于边坡模型不同位置 的t d r 测试管具有不同的长度，根据模型的设计，将t d r 测试管加工成相应的长度，并且 使t d r 测试管底端位于同一水平面上。 坡顶的埋设方法如图2 7 所示。 ( 1 ) 在需钻孔位置将套管放平固定； ( 2 ) 将士钻组装好，插入钢套管，钻孔； ( 3 ) 将孔内土取出，钻孔到一定深度后扩孔； ( 4 ) 钻孔、扩孔至设计深度后，灌入一定稠度的泥浆，将t d r 测试管插入孔内； ( 5 ) 将保护盖盖在测试管上，防i 匕进水。 图2 - gt d r 安装示意图” f i g u r e2 8t d ri n s t a l l a t i o nd i a g r a m 。1 坡面上由于钢套管的安装很难实现，为了保证钻孔的垂直度，在试验坑项与坡面 垂直方向放置一槽钢，用槽钢来控制钻孔的位置和垂直度。然后，重复坡顶上埋设方法 1 3 环境因素对胜 j 长土遗坡内沮度场漕咖e 塌影响的模型剖渴堂研究 的2 5 步。 t d r 测试管的埋设完成后，如图2 - 9 所示。 拦】斗二兰互墨兰驽 2 3 2 温度传感器的埋设 图2 - 9t d r 位置图 f i g i 2 - 9t d rp o s i t i o n s 根据农学中地温研究表明，当深度按照算术级数增加时，土壤温度变化的幅度按照 几何级数减小，因而土体表层温度变化幅度较大。温度传感器分别埋设在边坡模型的坡 顶、坡面和坡脚部位。 坡项处在土体表面以下l o 、2 0 、5 0 、8 0 、r i o 、1 5 0 和2 0 0 c m 深度处布设7 个温度 传感器；坡面处在土体表面以下l o 、2 0 、5 0 、8 0 、1 1 0 和1 6 0c 硼深度处布设6 个温度 传感器；坡脚处在土体表面以下1 0 、2 0 、5 0 、8 0 和1 2 0c l n 深度处布设5 个温度传感器。 温度传感器的埋设方法： ( i ) 在需钻孔位置将套管放平固定； ( 2 ) 将土钻组装好，插入钢套管，钻孔； ( 3 ) 将孔内土取出，钻孔到一定深度后扩孔； ( 4 ) 将温度传感器按设计位置绑扎在细导竿上，将绑扎好温度传感器的细导竿放 入钻孔； ( 5 ) 将磨细的膨胀土粉末回填钻孔后压实。 温度传感器埋设完成后，如图2 一1 0 所示： 1 4 广西大掌硕士掌位截旧 环境因素对膨胀j 毫坡内沮度场，钼u t 茂影响的模型试验研究 、 q 。1 2 。a a 。、一 q 口 司 o o 司 司司 j 司 q司 d o 互j 、 2 3 3 百分表的安装 图2 - 1 0 温度传感器位置 f i g u r e2 - 1 0t e m p e r a t u r en a n s d u c c r p o s i t i o n s 为了得到温度、湿度、降雨等气象因素作用下边坡土体的位移，在边坡模型中线位 置，沿边坡方向从坡顶到坡脚安装百分表来监测边坡土体的位移，具体安装方法如下： ( 1 ) 在试验坑坑壁中线位置钻孔，将膨胀螺栓放入钻孔内； ( 2 ) 将准备好的一铁管插入膨胀螺栓， ( 3 ) 在需安装百分表的边坡土体部位， 土体位移； 利用膨胀螺栓和铁管自重来固定铁管； 将一刚性垫块埋入边坡土体内，用以测量 ( 4 ) 将磁性表座固定在铁管上，在磁性表座上安装百分表。 图2 - 1 1 百分表安装图 f i g u r e2 - 11p e r c e n t a g eg a u g ei