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南宁膨胀土的气候敏感性研究 摘要 本文以广西南宁膨胀土为研究对象，运用土体渗流理论和蒸发理论， 推导了饱和一非饱和土气候作用数值模型，在此基础上利用现场观测的气 候边界条件，模拟了非饱和膨胀土水分迁移和吸力瞬态变化规律，进而分 析了膨胀土地基变形和边坡稳定性随时间的变化规律，主要研究成果如下： 1 气象因子对膨胀土蒸发的三阶段影响表现为：净辐射量越大，蒸发 越快，净辐射对蒸发量的影响最大；表土稳定蒸发阶段风速越大，蒸发越 快，水汽扩散蒸发阶段则相反；温度越高，蒸发越快，影响不如风速和净 辐射明显；空气湿度对蒸发的影响较小，趋势均为湿度越小，蒸发越快。 2 通过考虑膨胀土裂隙的入渗模拟发现：裂隙附近膨胀土初始入渗能 力提高4 5 倍，但随入渗发展，裂隙的影响逐渐减小；裂隙密度对含水量、 吸力分布及变化和入渗量的影响都很大。 3 根据现场气象数据模拟得到的膨胀土含水量变化结果确定出南宁地 区大气影响层深度约为3 5 m ；结合干湿循环下膨胀土胀缩变形指标变化规 律，提出了一种考虑含水量变化和干湿循环影响的浅层膨胀土地基胀缩变 形计算方法。 4 模拟了气候作用下均质膨胀土边坡的安全系数变化时程曲线，发现 干湿循环作用对安全系数的影响大于气候作用；通过分析不同降雨强度下 稳定性的发展过程，得知坡脚积水是膨胀土边坡坡脚处最易失稳的外在原 因；通过不同雨型分析发现，雨量越往前期集中对膨胀土边坡稳定性越不 利；表层风化层对膨胀土边坡稳定性影响很大，其高渗透性是膨胀土边坡 极易发生浅层滑坡的内在原因之一。 关键词：膨胀土干湿循环饱和一非饱和渗流边坡稳定地基变形 蒸发模型气象因素 r e s e a r c ho nt h ec lim a t es e n sltivlt y0 fe x p a n siv es 0ilin n a n nin g a b s t r a c t w i t ht h er e s e a r c ho b je c to fe x p a n s i v es o i li nn a n n i n g ，g u a n g x i ，b yu s i n g t h es o i ls e e p a g et h e o r ya n ds o i le v a p o r a t i o nt h e o r y , t h en u m e r i c a lm o d e lo ft h e m e t e o r o l o g i c a le f f e c tt os a t u r a t e d u n s a t u r a t e ds o i li si n f e r r e d o nt h i sb a s i s ，b y u s i n gt h em e t e o r o l o g i c a lb o u n d a r yc o n d i t i o nf r o mt h eo b s e r v a t i o nd a t eo ff i e l d w e a t h e r , t h ew a t e rm i g r a t i o na n dt h ed y n a m i cc h a n go fs u c t i o n i nt h e u n s a t u r a t e d e x p a n s i v e s o i la r e s i m u l a t e d ，t h e n ，r u l e so ft h e v a r i a t i o n so f e x p a n s i v es o i lf o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t yo fe x p a n s i v es o i ls l o pw i t h e l a p s e dt i m ea r ea n a l y z e d ，t h em a i n r e s e a r c hf i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h ei n f l u e n c eo fm e t e o r o l o g i c a lf a c t o rt ot h r e es t a g eo fe x p a n s i v es o i l e v a p o r a t i o np e r f o r m a n c e sa sf o l l o w s ：t h em o r en e ts o l a rr a d i a t i o na m o u n ti s ，t h e f a s t e re v a p o r a t i o n ，a n dn e tr a d i a t i o ni st h em o s ti n f l u e n t i a lf a c t o rt oe v a p o r a t i o n c a p a c i t y ；t h e s t e a m e rw i n ds p e e di s ，t h ef a s t e re v a p o r a t i o nd u r i n gt h e s t a b l e e v a p o r a t i o ns t a g ea ts u r f a c es o i la r e a ，b u ti tiso p p o s i t ed u r i n gt h ew a t e rv a p o r d i f f u s i v ee v a p o r a t i o ns t a g e ；t h eh i g h e rt e m p e r a t u r ei s ，t h ef a s t e re v a p o r a t i o n ， w h i c hd o e sn o to b v i o u si n f l u e n c ea st h ew i n ds p e e da n dn e tr a d i a t i o n ；t h e i m p a c to ne v a p o r a t i o no ft h ea i rh u m i d i t yi sr e l a t i v e l ys m a l l ，t h et r e n di st h a tt h e h u m i d i t yi st h es m a l l e r , t h ef a s t e re v a p o r a t i o n 2 t h ec r e v a s s ei n f i l t r a t i o no fw a t e ri n e x p a n s i v e s o i lh a sb e e n s i m u l a t e d ，t h er u l e sa r e a sf o l l o w s ：i nt h eb e g i n n i n g ，t h ei n f i l t r a t i o na m o u n t n e a r b yt h ec r e v a s s ee n h a n c e4 - 5t i m e sa so t h e ra r e a ，b u ti n f l u e n c eo fc r e v a s s e r e d u c e sg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f i l t r a t i o n ；t h ec r e v a s s ed e n s i t y d o s eag r e a ti m p a c to nt h ef o l l o w i n ga s p e c t ss u c ha sw a t e rc o n t e n t ，d i s t r i b u t i o n a n dc h a n g eo fs u c t i o n ，i n f i l t r i t i o na m o u n t 3 a c c o r d i n gt ot h ew a t e rc o n t e n tc h a n g er e s u l ts i m u l a t e db yu s i n gt h ef i e l d m e t e o r o l o g i c a lo b s e r v a t i o n ，i ti sd e t e r m i n e dt h a td a t aa t m o s p h e r i ci n f l u e n c el e v e l d e p t ho fs o i li nn a n n i n ga r e ai s3 5 m ；c o m b i n a t i o nt ot h er u l e so fs w e l l s h r i n k d e f o r m a t i o no fe x p a n s i v es o i lu n d e rd r y i n g w e t t i n gc i r c l ec o n d i t i o n ，am e t h o do f c a l c u l a t i n gs h r i n kd e f o r m a t i o no ft h es h a l l o wl a y e re x p a n s i v es o i lf o u n d a t i o ni s p r o p o s e d ，w h i c h c o n s i d r a t e st h ei n f l u e n c eo fc h a n g eo fw a t e rc o n t e n ta n d d r y i n g w e t t i n gc i r c l ee f f e c t 4 t h et i m ei n t e r v a lc u r v eo fs a f e t yc o e f f i c i e n to fh o m o g e n e o u se x p a n s i v e s o i ls l o pc h a n g ei ss i m u l a t e d ，a n di ti sf o u n dt h a tt h ei n f l u e n c eo fd r y i n g w e t t i n g c i r c l et os a f e t yc o e f f i c i e n ti sm o r et h a nm e t e o r o l o g i c a lf u n c t i o n ；b ya n a l y z i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fs t a b i l i t y ，i ti sf o u n dt h a to n eo ft h eo u t s i d er e a s o n sw h y t h et o eo fe x p a n s i v es o i ls l o pi sm o s tl i k e l yt ob el a n d s l i d ei st h ew a t e r p o u n d i n g a tt h et o e a r e a ；a c c o r d i n gt od i f f e r e n tr a i n s t y l ea n a l y s i s ，i ti sf o u n dt h a tt h er a i n f a l l i sc e n t r a l i z e di ne a r l i e rs t a g e ，t h em o r ed i s a d v a n t a g et ot h es l o p e s t a b i l i t y ；t h e s u r f a c el a y e rr e g o l i t hh a sag r e a ti n f l u e n c et oe x p a n s i v es o i ls l o p e ，a n di t sh i g h i v p e r m e a b i l i t yi s o n eo ft h ei n s i d er e a s o n sw h yt h e e x p a n s i v es o i ls l o p ei s e x t r e m e l ye a s yt oh a v eo n eo fs h a l l o wl a y e rl a n d s i d e k e yw o r d s ：e x p a n s i v e s o i l ；w e t t i n g - d r y i n gc y c l e ；s a t u r a t e d u n s a t u r a t e d f l o w ；s l o p et a b i l i t y ；f o u n d a t i o nd e f o r m a t i o n ；e v a p o r a t i o nm o d e l ；c l i m a t i cf a c t o r v 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：细帕 2 0 0 9 年6 月6 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： 翻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) 论文作者繇咿鸸导师躲印岷啷年6 月6 日 l 广西大掌硕士掌位论文南宁膨胀土的气候敏感性萄f 究 1 1 研究意义 1 1 1 膨胀土的工程问题 第一章绪论 膨胀土是一种分布广且对工程建设有特殊危害的土。在世界五大洲中的4 0 多个国家 和地区都有分布。它主要由强亲水矿物蒙脱石和伊利石组成，是一种特殊膨胀结构的高 液限粘土。膨胀土的主要成分为黏土矿物，大量蒙脱石的存在会给膨胀土带来高胀缩性、 强亲水性、易开裂、强度变化很大等特殊性状。众所周知，在膨胀土地区，路基土体遇 水软化，易发生胀缩变形，引起路基下沉而导致路面变形、开裂、翻浆冒泥、沉陷等， 同样修建在其上的公路、桥梁及其它建筑物也会遭受强烈的变形破坏，甚至引发破坏性 很大的滑坡。 我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，遍布西南、中南等地区的2 0 多个省、市、自治区，分布面积达1 0 0 0 0 0 k m 2 左右，主要的分布区域是河南、湖北、广 东、广西、云南等省。据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物因胀 缩变形而损坏或破坏的有1 0 0 0 万平方米，其中广西就占十分之一。广西是我国最典型的 膨胀土地区之一，膨胀土种类多，分布广。据不完全统计【1 1 ，全区有2 7 个县、7 个市已经 有膨胀土分布，其中以宁明、田阳等五县和南宁、百色等四市分布最广、破坏最严重， 膨胀土使广西面积数百万平方米的建筑物受到破坏，损失达数千万元。 全国通过膨胀土地区的铁路线约占铁路总长度的1 5 2 5 ，因膨胀土而带来的各种 病害非常严重。每年直接的整修费就在亿元以上。仅襄渝铁路施工决算统计，由于膨胀 土在施工期问造成的破坏，就使路基的造价每公罩增加了9 1 6 4 万元。据估计全国由于 膨胀土而带来的直接损失达数亿元之多。 在我国基础设施建设中，膨胀土地区兴建公路、铁路、水利、建筑、机场以及码头 等项目将会遇到大量与膨胀土有关的工程问题。 我国膨胀土研究工作主要集中在以下几个方面：( 1 ) 工民建膨胀土地基问题；( 2 ) 膨 胀土地区的筑路工程问题；( 3 ) 膨胀土的筑坝问题；( 4 ) 膨胀土工程性质及测试技术等。 其研究成果集中体现在有关的技术规范中。自1 9 7 8 年以来，先后制定了“膨胀土地区建 广西大学硕士学位论文南宁膨胀土的气候敏感性研究 筑技术规范”和“铁路路基裂土( 膨胀土) 工程技术条件暂行规定 ；“铁路膨胀土工程 地质勘测规则”和“膨胀土地区营房建筑技术规定 也已制定并在军队内实施；“胀缩 土筑坝”已纳入“碾压式土石坝设计手册 。有关膨胀土试验的内容和方法在各种土工 试验规程、手册与方法中均有体现。 1 1 2 膨胀土气候敏感性研究意义 工程中遇到的膨胀土常处于非饱和状态，对水分状态的变化十分敏感。这种敏感性 会引起膨胀土强度和体积的变化，往往造成土工建筑物的破坏和边坡失稳，边坡失稳是 膨胀土地区一种最常见的斜坡变形现象，在膨胀土危害严重的地区，有“逢堑必滑，无 堤不塌”的说法。 膨胀土的强度衰减主要是膨胀土的裂隙性、胀缩性和超固结性所引起，膨胀土的 “三性”是其强度变化的内因，而最直接的原因是自然状态的膨胀土边坡处在干湿交替 的气候环境之中。气候作用集中表现为降雨入渗、径流和蒸发蒸腾，水分和能量由于气 候作用在土体和大气环境之间循环交换，极大的影响了非饱和膨胀土的行为和特性，这 一过程引发一系列缓慢的、潜在的工程问题，比如膨胀土的季节性胀缩变形对浅基础上 建筑物沉降和上抬【2 】，而造成大量建筑物裂缝破坏，膨胀土地区路基路面的破坏。 在岩土工程界，降雨入渗引发了大量与膨胀土相关的地质灾害，使岩土工程师们逐 渐认识到了气候变化对岩土构筑物的稳定有着不可忽略的作用。但是他们主要注意力集 中在降雨入渗单方面的研究，得到了很多降雨入渗对边坡稳定性的影响【3 卅。但忽视了 气候作用的另一个重要方面一蒸发蒸腾作用，尤其是对于具有较强胀缩性和对水分变化 极其敏感的膨胀土，只有通过综合考虑气候的多因素变化，即同时考虑降雨和与蒸发相 关的各种气候因素，才能真实反映和揭示膨胀土的灾变过程。 本文主要研究气候作用下，膨胀土的力学性质和物理性质的变化规律，对进一步深 入认识各类膨胀土工程问题具有重要意义。 1 2 国内外研究概况 早在2 0 世纪初，人们就开始研究降雨入渗和蒸发问题，早期的工作主要集中在土 体学、农田灌溉、入渗等方面，许多土体物理学家和水文学家在这方面做了大量的研 究工作。 2 广西大学硕士掌位论文南宁膨胀土的气候敏感性研究 地表浅层土多为非饱和粘性土，天气变化对其力学性状有很大的影响。浅层土的物 理、力学性状因受气象因素影响随时都会发生变化，然而，目前在处理膨胀土工程问题 时，很少同时考虑水分入渗和蒸发的影响。 雨水入渗使土体饱和度增加，吸力锐减并引起抗剪强度大幅下降，蒸发作用使土体 含水量减少，同时吸力逐渐恢复，是一个同步进行的过程。 1 2 1 非饱和土水分蒸发研究现状 土体水分蒸发研究在农田物理学和土体水动力学中较多，已经形成了一套成熟的研 究方法和理论体系。土体蒸发是一个涉及到土体热湿耦合条件下水分迁移和大气多气象 参数的复杂过程，是大气和土体相互作用的结果。土体蒸发速率决定于大气的蒸发能力 与土体潜在的蒸发能力，前者是可以由气象方法确定的，后者决定于土体中含水量大小 及其分布。裸土蒸发在室内可以用土柱试验及相应的数学模拟手段进行研究。在室内进 行的多种数学模拟中，模拟结果与实测结果均有较大的误差。 土体蒸发的测定方法很多。归纳起来共分两大类，即直接法和间接法。直接测量法： 蒸发表、大型蒸渗仪、微型蒸渗仪；间接法是基于水量平衡原理的土体水量平衡法，该 法通过测量土体含水量变化并结合如下公式求得土体蒸发量： a w = 异+ k + m + e 聆 ( 1 1 ) 式中：a w 为测量土体质量变化，只为降水量，k 为地下水补给量，m 为入渗水 量，e n 为上体蒸发量。土体水量平衡法的主要缺点是测定公式中各项的值较困难、精度 不高。 土体蒸发计算方法：( 1 ) 理论方法：土体蒸发理论方法是根据土体水动力学原理， 将土体蒸发能力看作是在大气蒸发作用下的一个非饱和土体水运动问题来进行理论分 析求解，理论方法的缺点是受条件限制严格；( 2 ) 经验方法：均是根据某种土体在一 定含水量或地下水埋深下和一定大气蒸发能力范围内蒸发所遵循的规律总结得到，在实 际土体蒸发计算时主要应用经验公式，但经验公式都是在一定条件下的规律总结，因此 局限性较大。 在土木工程行业中，通常根据膨胀土地区建筑技术规范( g b j l1 2 8 7 ) 选取经验 性的湿度系数和大气影响深度来计算降雨蒸发情况下土层湿度变化，并采用分层沉降总 和法求取地基变形量。t h o m a s 等( 19 9 3 ) 采用一维r i c h a f d 水分运动方程模拟了在气候 3 广西大掌硕士掌位论文南宁膨胀土的气候敏感性研究 变化下土体脱湿变干行为【s 】。t h o m a s 等( 1 9 9 4 ，1 9 9 5 ) 采用非饱和土力学流固耦合理论， 分析了土体湿度、变形的季节性变化规律，计算模型中蒸发边界条件直接取气象观测所 得的潜在蒸发量【”】。 陈建斌等8 1 考虑了湿热耦合的非等温流方程，结合不同的蒸发计算模型，考虑了水 分迁移所引发的非饱和土应力变形行为，建立了大气一非饱和土相互作用模型，结合实 际蒸发和植物蒸腾的边界条件，采用该模型对控制非饱和土吸力和变形的大气蒸发和植 物蒸腾等多参数进行了影响程度分析，指出：在南宁地区多雨炎热气候条件下，控制土 体的吸力和变形的主导因素是外部气象条件，其中以太阳净辐射量和风速最为明显。而 土体自身特性参数中饱和渗透系数和体积压缩系数影响程度有限，导热系数对吸力和变 形几乎没有太大影响。而土表的变形量是与总蒸发量有关，总蒸发量越大，土表变形量 也越大。 陈守义【9 】研究了考虑入渗和蒸发影响的土坡稳定性分析方法。运用非饱和土体水分 运动的研究方法，求解给定入渗和蒸发边界条件的斜坡土体瞬态含水率分布。并假定非 饱和土抗剪强度与饱和度之间存在一定的函数关系，据此将瞬态含水率分布换算为斜坡 土体瞬态抗剪强度参数分布。在此基础上使用常规土坡稳定性分析方法计算土坡瞬态安 全因数。 从以上的研究内容可知，在土木工程领域，国内外学者对土体蒸发作用的影响研究 还比较少，而蒸发作用是土体中水分和能量与大气交换的一个重要环节，在研究膨胀土 气候敏感性时，蒸发过程尤为重要。 1 2 2 非饱和土水分入渗研究现状 岩土工程界非常关注降雨入渗对非饱和土坡吸力场的影响，吸力的下降或丧失会 引起非饱和土抗剪强度的降低。 对非饱和土中水流动问题的研究，经历了从一维到二维、三维的发展过程，对入 渗的数学描述也经历了从经验公式到简单物理模型( g r e e n - - a m p t 模型) 和一般的数学物 理模型( r i c h a n d s 模型) 的发展过程。 r i c h a r d s 模型是描述非饱和渗流问题的严格数学物理模型，它基于d a r c y 定律和质 量守恒定律【1 0 】。r i c h a r d s 方程一般情况下没有解析解，只有基于某些简化假设下的级数 解和数值解【1 1 1 。目前，求解r i c h a r d s 方程的方法是有限差分法和有限元法。一维r i c h a r d s 4 广西大掌司北b 掌位论文南宁膨甩乇匕的气候敏感饪羽f 究 方程的数值解法已在g o t t a r d i 和v e n u t e l li ( 1 9 9 3 年) 【1 2 】的文章中详述。二维和三维 r i c h a r d s 方程的数值解法类似，只是三维问题在空间离散上要比二维问题复杂很多。 n e u m a n ( 1 9 7 4 年) 【1 3 】详述了用g a l e r k i n 有限元求解二维r i c h a r d s 方程的方法。 因此，在不考虑温度效应情况下，非饱和土中水的渗流问题基本理论已经可以在 计算机模拟中实现，方便了人们研究降雨入渗对边坡稳定性的影响。 l u m b ( 1 9 6 2 ) f 1 4 】通过对香港地区的降雨和滑坡关系的研究，提出了一种简单的一维 垂直入渗模型用于计算湿润锋面的推进及入渗停止后含水量的再分布过程。他根据抗剪 强度与饱和度的经验关系式，并假定破坏面平行于坡面，来研究地质条件和降雨特征对 斜坡稳定性的影响。考虑的具体影响因素包括土的入渗能力、土的初始饱和度、降雨强 度与降雨持时曲线、暴雨前降雨量、间歇性降雨以及坡面的防渗情况等。l u m b 的研究结 果认为：香港斜坡的稳定性由土的入渗能力来决定，某次特定暴雨对斜坡稳定性的影响 不仅取决于该次暴雨过程属于多少年一遇的水平，还取决于该次暴雨前的降雨量。 f r e d l u n d ( 1 9 8 7 ) 1 5 】十分重视负孔隙压力对土坡稳定性的影响，在研究中把正负孔隙 压力都包括进去。他进行了暴雨入渗下的陡坡的瞬态渗流场和稳定性分析，用g a l e r k i n 有限元法模拟稳态和瞬态渗流场，通过渗流分析可以得出暴雨开始后不同时刻孔隙压力 的分布，从而分析不同时刻土坡的稳定性。他的分析结果揭示出，负孔隙压力在土的抗 剪强度的发挥中起着重要作用，在暴雨期间由于负孔隙压力的减小而导致斜坡的安全系 数降低，并有可能导致边坡的失稳破坏。 s a m m o r i 和t s u b o y a m a ( 1 9 9 1 ) 1 6 1 用g a l e r k i n 有限单元法模拟暂态渗流过程，并对边坡 稳定性进行了参数研究。渗流分析采用的控制方程为r i c h a r d 方程，边坡稳定分析采用 简化b i s h o p 法。选择的参数包括斜坡长度、土层深度、横截面形状和土的性质等，但保 持降雨强度不变。他们的分析结果表明：对斜坡稳定性不利的参数取值组合是较低的导 水率，较长的斜坡，较浅的土层深度和凹形的斜坡表面。 a l o n s o ( 1 9 9 5 ) 【l7 】等人的研究中考虑了土的类型、降雨持时、降雨强度、水分特征曲 线的形状和土的渗透性。他们的研究的结论主要有：土坡的安全系数变化所需的时间与 土的渗透系数成反比，且饱和渗透系数小于1 0 e 一7 m s 时，在降雨的当时看不出安全系数 的明显下降；对水分特征曲线比较光滑的土，安全系数下降所需时间较长；高强度降雨 和低渗透性的参数组合可导致降雨后安全系数的降低。他们的结论主要与降雨引起的延 迟型的土坡失稳有关。 s h i m a d a ( 1 9 9 5 ) u s 等用g a l e r k i n 有限元法模拟二维非饱和渗流，对斜坡稳定性进行 广西大萼组页士掌位论文 南宁膨胀土的气候敏感性研究 数值分析。考虑的影响因素包括降雨的强度和土的类型。他的计算结果表明：较高的降 雨强度可以显著的降低斜坡的安全系数；渗透性函数对斜坡的安全系数降低只有较小的 影响；在土的水分特征曲线靠近饱和的一端，基质吸力的较小改变可引起斜坡安全系数 的大幅度降低。 s u n 等人( 1 9 9 5 ) 1 9 1 认为空气压力对非饱和土的渗流有明显的影响，发展了应力和两 相流的藕合理论，并用于分析降雨引起土坡的浅层破坏。用该理论对某边坡的分析表明， 由于空气压力的影响，使朝向斜坡深部的渗流变慢，而斜坡浅层将迅速饱和。雨水入渗 造成斜坡浅层从坡顶到坡脚方向的渗流，并很容易在坡脚产生破坏。如果分析中不考虑 空气压力的作用，则雨水会不断的渗到坡体的深处直到使坡底达到饱和状态，在此情形 下的渗透力使斜坡的稳定性增大。s u n 等人的研究结果表明，不考虑空气压力的分析结 果不符合实际情况。 n g s u s h i ( 1 9 9 8 ) 【2 0 j 针对香港地区的斜坡，用有限元法研究了各种降雨情况和初始条 件对暂态渗流和斜坡稳定性的影响。研究结果表明，雨水入渗引起基质吸力的减小和非 饱和土渗透性的增大，并在地下水位以上出现上层滞水水位。安全系数不仅受到降雨强 度、初始地下水位和渗透系数的各向异性等的控制，而且还取决于先期的降雨持时。 2 0 0 1 年，姚海林等考虑裂隙及雨水入渗影响的膨胀土边坡稳定性分析，得出降雨 入渗必须考虑裂隙的结论【2 l 】。 2 0 0 2 年，姚海林等做了降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究，对 比分析了降雨强度、饱和渗透系数、裂隙开裂深度以及降雨持时对膨胀土边坡稳定性的 影响，研究表明裂隙的存在对边坡中孔隙水压力和体积含水量分布有较大影响，膨胀土 渗透性越低越应注意裂隙的作用【2 2 】。 2 0 0 3 年，张华等专门做了非饱和土入渗的数值模拟，通过对一维和二维降雨入渗 问题的研究，展示了湿润锋面、地下水位面及孔隙水压力分布随时间的变化，使得对入 渗问题的认识更加直观和清楚，得到如下结论：通过r i c h a r d s 模型可以模拟水分在土中 运动的3 个过程：入渗、水分重分布和排水过程【2 3 1 。 2 0 0 4 年，袁俊平、殷宗泽做了考虑裂隙非饱和膨胀土边坡入渗模型与数值模拟的 研究，采用常规试验测定非饱和膨胀土膨胀时程曲线，定量地描述了膨胀土中裂隙在入 渗过程中逐渐愈合的特征，建立了考虑裂隙的非饱和膨胀土边坡入渗的数学模型：用有 限元数值模拟方法分析了边坡地形、裂隙位置、裂隙开展深度及裂隙渗透特性等对边坡 降雨入渗的影响。结果表明。坡上位置的裂隙对边坡入渗影响较大：裂隙对边坡入渗的 6 广西大掣炙士学位论文南宁膨甩乇匕的气候敏感性研究 影响随裂隙深度的增大而增大，且存在一个最大的影响深度：裂隙的存在加快了膨胀土 的入渗速率；考虑裂隙随入渗而愈合时，入渗达到平衡的时间有所延长【z 4 j 。 陈铁林等研究了裂隙对非饱和土边坡稳定性的影响，在非饱和土广义固结理论的基 础上，对某一边坡进行了变形与孔隙水、孑乙隙气流动的耦合分析，分析中考虑了非膨胀 土和膨胀土边坡中不存在和存在裂隙的情况，并对计算结果做了对比分析，表明在分析 超固结土和膨胀土边坡稳定时，考虑裂隙的影响是很有必要的【2 引。 从上述有关降雨入渗的研究成果可知，降雨入渗对边坡稳定性的影响因素主要包括 两个方面：一是外界边界条件的影响，比如降雨强度、降雨类型、降雨持时等；二是边 坡自身要素的影响，比如土性参数( 渗透系数函数、土水特征曲线) 、裂隙、边坡几何 形态、土层深度、排水情况等等。 1 3 本文主要研究内容 本文以膨胀土为研究对象，结合土体水分蒸发入渗理论和已有的干湿循环效应研 究成果，建立饱和非饱和土气候作用数值模型，模拟膨胀土气候作用下含水量和吸 力瞬态变化规律。论文的主要研究内容如下： 1 根据土体水分蒸发和入渗理论，建立饱和一非饱和土气候作用数值模型。 2 结合g e o s t u d i o 软件运用饱和一非饱和土气候作用数值模型求解膨胀土蒸发 过程，分析气象因素对蒸发效应的影响，数值分析膨胀土裂隙入渗规律。 3 分析整理现场观测气象数据，建立南宁农科院水牛所草场现场边坡试验场地膨 胀土2 0 0 5 年4 月2 4 至2 0 0 6 年1 月9 日期间的气候边界条件。 4 运用饱和一非饱和土气候作用数值模型求解膨胀土地基土含水量变化规律，利 用已有的干湿循环效应下膨胀土胀缩变形指标变化规律，分析浅层膨胀土地基变形。 5 利用上述数值模型求解气候作用下土坡含水量和吸力瞬态变化，结合干湿循环 效应分析均质膨胀土边坡稳定性演化规律。 6 分析降雨强度、雨型对膨胀土边坡稳定性影响规律。 7 广西大掌硕士掌位论文 南宁膨胀土的气候敏感性研究 2 1 引言 第二章饱和非饱和土蒸发与入渗理论 土体水分入渗研究，国内外许多学者在这一方面进行了研究，取得了一些重要的 研究成果。水分入渗使得土坡含水量增加，一方面由于基质吸力与含水量有关，随着 土体含水量的升高，土体的基质吸力明显降低，从而使得土体的抗剪强度降低，导致 边坡安全系数降低；另一方面潜在滑动土体自重增加，对边坡安全系数产生影响。只 要求得了边坡实际的重量场和强度场分布，就可以利用较为成熟的方法来分析土坡的 稳定性，进而得出雨水入渗对非饱和土坡稳定性的影响规律，但是由蒸发作用决定的 入渗初始条件研究不多。 而土体水分蒸发一直以来是农学、土体学和气象学的范畴，在土木工程中研究较 少，但是土体含水量和蒸发密切相关，土体含水量是岩土工程中一个很重要的物理性 质参数，直接与土的重度、强度相关。对膨胀土而言，含水量变化引发胀缩变形，膨 胀土地区建筑技术规范( g b j l l 2 8 7 ) 规定要根据含水量来计算地基变形量，因此土 体蒸发是膨胀土工程中一个重要课题。 在大自然中，蒸发与入渗是交替进行的，因此同时运用土体蒸发与入渗理论，进 行饱和非饱和土水分迁移研究，对于全面分析和认识各类岩土工程问题具有重要指导 意义。 2 2 土体蒸发理论 本章将系统介绍土体水分蒸发理论，阐述该理论有限单元法的数值实现过程，本 文选用精度较高的p e n m a n w i l s o n 蒸发模型模拟膨胀土水分蒸发过程。 2 2 1 土体蒸发影响因素 土体蒸发与潜在蒸发量、土体含水量及表面的植被覆盖情况有关，土体蒸发的形 成及蒸发强度的大小主要取决于三方面的因素。 一、气象因素：太阳辐射、气温、湿度、风速等，这是蒸发的外界条件，它决定 了水分蒸发过程中能量的供给，又影响到蒸发表面水汽向大气的扩散过程，综合起来 广西大学硕士学位论文 南宁膨胀土的气候敏感性研究 称为大气蒸发能力。 二、土体含水率的大小、分布和土体本身的物理特性参数，如土体土水特征曲线、 渗透系数函数等，这是土中水分向上输送的自身条件，也即土的供水能力。当土体含 水量大时，能充分供水，这时大气蒸发能力决定最大可能蒸发强度，这个强度被称为 潜在蒸发强度。 三、土表植被覆盖情况，植被的蒸腾作用会带走部分水，同时植被的覆盖作用 会削弱太阳辐射，减弱蒸发作用。 2 2 2 土体蒸发三个阶段 根据大气蒸发能力和土体供水能力所起的作用、土体蒸发所呈现的特点和规律， 可将土体蒸发过程区分为三个阶段【l o l 。 一、表土蒸发强度保持稳定的阶段。在蒸发的起始阶段，当地表含水率高于某一 临界值皖时，尽管含水率有所变化，但地表处的水气压仍维持或接近饱和水气压。这 样，在外界气候条件维持不变时，水汽压梯度基本上无变化。结果，含水率的降低并 不影响水汽的扩散通量。另一方面，表土含水率的减小将使得地表土层的导水率有所 降低，但这正好为土层中向上的吸力梯度增加所补偿，故土层仍能向地表充分供水， 如图2 1a b 段，称为稳定蒸发阶段，该阶段蒸发强度的大小主要取决于大气蒸发能力， 可以近似为水面蒸发强度昂。 二、表土蒸发强度随含水率变化的阶段。当表土含水率低于l 临界含水率鼠时，不 仅土层的导水率随土的含水率的降低或土层吸力的增高而不断减少，而且导致土体水 分向上运移的吸力梯度和前一阶段不同而呈不断减少的趋势。因此，流向地表的水量， 也即土体自身的供水能力减小下来，地表水分消耗，得不到供给，含水量进一步减小； 另一方面，随着含水量的降低，地表处的水汽压也降低，蒸发强度随之减弱，此即表 土蒸发强度随表土含水量降低而递减阶段，如图2 1 b c 曲线段。 三、水汽扩散阶段。土层表面形成干土层，干土层以下的土中水分向上运移，在 干土层的底部蒸发，然后以水汽扩散的方式穿过于土层而进入大气，此阶段，蒸发面 不在地表，而是在土体内部。蒸发强度的大小主要由干土层内水汽扩散的能力控制， 并取决于干土层的厚度，含水量变化速率十分缓慢且稳定。 9 广西大掌硕士掌位铽誓南宁膨胀土的气候敏感性研究 2 2 3 蒸发模型 e e o 图2 1 土面蒸发过程 f i g 2 1s o i lf a c ee v a p o r a t i o np r o c e s s e 2 2 3 1 几个基本概念 t 一、水汽压 空气中由水汽所产生的分压强称为水汽压。空气中水分含量多，水汽压就大，反 之，水汽压则小。水汽压的单位是帕斯卡( p a ) 。 1 饱和水汽压 在一定的温度下，一定体积空气中能容纳的水汽分子数是有一定的限度的。如果 水汽含量刚好达到该稳定条件下的最大限度，这时的空气称为饱和空气，此时的水汽 压为饱和水汽压；如果空气中的水汽含量低于这个限度值，这时的空气称为未饱和空 气；如果空气中的水汽含量超过这个限度值，这时的空气称为过饱和空气。过饱和空 气是不稳定的，一般说来，在过饱和空气中，超过限度的那部分水汽会发生凝结，使 之重新回到饱和状态。显然，未饱和空气的水汽噩小于该温度下的饱和水汽压。 2 影响饱和水汽压大小的因子 饱和水汽压是不断变化的，它的大小主要由温度和蒸发面的性质、状况决定。 ( 1 ) 饱和水汽压与温度的关系 饱和水汽压是随着温度的升高而呈指数律增大的，其定量关系，可由马格努斯 ( m a g n u s ) 半经验公式进行描述： 1 0 广西大葺瞻页士学位论文南宁膨胀土的气候敏感档翔f 究 d f e s = e q x l o b t 式中：为o 时的饱和水汽压，其值为6 1 1 p a ； ( 2 1 ) t 一蒸发面温度； a 、b 一两个经验参数，平水面：a = 7 4 5 ，b = 2 3 7 3 ；平冰面：a = 9 5 ，b = 2 6 5 0 。 ( 2 ) 饱和水汽压与蒸发面的关系 饱和水汽压的大小除与温度有关以外，还与蒸发面的性质与形状有关。在同样温 度下，由于蒸发面的性质与形状不同，饱和水汽压值也是不同的。 二、相对湿度 传统上，把空气中的实际水汽压与同温下饱和水汽压的比值，用百分数来表示， 称为相对湿度。它用来表示空气潮湿程度。其表达式为： r h ：! 量1 0 0 ( 2 2 ) e s 式中：乞一为空气中的实际水汽压； 巳一为同温下饱和水汽压； 相对湿度说明了在同一气温条件下，水汽含量距离饱和的程度。相对湿度越小， 表示空气越干燥；相对湿度越大，表示空气越潮湿。由于气温升高时，水汽压的增长 率常常小于饱和水汽压的增长率，因此，随着气温的升高，乞的增值小于巳的增值， 故相对湿度变小；反之，气温降低，相对湿度增大。在一般情况下，相对湿度随气温 的升高而下降，随气温降低而上升。 三、净辐射 地面由于吸收太阳辐射和大气逆辐射而获得热量，同时又向外放射长波辐射而损 失热量。在单位时间内，单位面积地面所吸收的辐射与放出的辐射之差，称为地面辐 射差额( r ) ，简称净辐射。 2 2 3 2 基本蒸发模型 一、d a l t o n 公式 最早的蒸发公式是以水汽扩散理论为基础的d a l t o n 公式【2 6 】： e = 工( “，一引；) ( 2 3 ) 广西大掌司n b 掌位论文南宁膨胀土的气候敏感性研究 e 一一竖向蒸发通量；z 一一与风速、地面粗糙度及涡流扩散有关的函数： u 。一一发生蒸发时土体表面的水蒸气压力： 甜；一一发生蒸发时土体表面上方空气中的水蒸气压力： 该公式在求解现场问题时，需有气候数据来估计系数f i ，。 二、p e n m a n 公式 p e n m a n ( 1 9 4 8 ) 基于能量守恒定律，将式( 2 3 ) 与地表能量平衡相结合，综合了能量 平衡法与空气动力学法的特点，考虑了多个气象因素如净辐射量、风速、空气湿度和 温度，提出了p e n m a n 公式口7 】，机理性比较强，在世界范围内被广泛采用，并不断得 到改进： e = 警 泣4 ， r 一一饱和水蒸汽压与温度关系曲线的斜率； r 。一一总净辐射量； 7 7 一一温度常数； e 。一一自由水面蒸发量； p e n m a n 公式仅适用于饱和土表面蒸发量计算，对于非饱和土，其蒸发率是逐渐降 低的，上式得不到体现。 三、p e n m a n w i l s o n 公式 w i l s o n 以p e n m a n 公式为基础，通过考虑表土相对湿度变化，推出了计算非饱和 土表面实际蒸发量的p e n m a n w i l s o n 公式【2 8 2 9 】 e = 警 ( 2 5 ) 1 2 广西大掌司旺b 掌位论文南宁膨甩。匕的气候敏感性研究 r 一一饱和水蒸汽压与温度关系曲线上相对于平均空气温度处的斜率； q 。一一总净辐射量；露一一温度常数；e 。一一五材；( 丑一4 ) z 一一0 3 5 ( 1 + 0 1 4 6 w w ) ； w w 一一风速； u v 4 一一蒸发面上方的空气中的水蒸汽压力： b 一一空气相对湿度的倒数；a 一一地表相对湿度的倒数 目前，蒸发量的预测正在成为一个非常重要的问题【3 0 l ，以上三种蒸发模型中， p e n m a n - w i l s o n 公式的精确度较高【3 6 1 。 2 3 降雨入渗过程 非饱和土在积水条件下的入渗是最简单最典型的垂直入渗问题，因而最早为人们 所研究。初始含水率较低的土在积水条件下入渗一定时间后，土体剖面中含水率的分 布如图2 1 所示，对这种含水率，最早由c o l e m a n 与b o d m a n 进行了研究，他们将含 水率剖面分为四个区：饱和区、含水率有明显降落的过渡区、含水率变化不大的传导 区和含水率迅速减少至初始值的湿润区，湿润区的前缘称为湿润峰。地表积水后，土 体含水率分布随时间的变化如图2 3 所示【1 0 】【3 l 】【3 2 】。 9 图2 2 地表积水入渗时含水率分区图2 3 积水后含水率随时间的变化 f i g2 2w a t e rc o n t e n tr e g i o nd i v i s i o nw h i l es u r f a c e f i g2 3 w a t e rc o n t e n tc h a n g sb yt i m ea f t e r w a t e ri n