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毕业设计论文.doc

i 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 学科专业学科专业 岩 土 工 程 指导教师指导教师 论文答辩日期论文答辩日期 学位授予日期学位授予日期 答辩委员会主席答辩委员会主席 论文评阅人论文评阅人 ii 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 8m 左右 土体表面 0 5m 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 5m 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 0m 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 6mm 最深达 6cm 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 环境因素关键词 环境因素 膨胀土边坡膨胀土边坡 模型试验模型试验 温度场温度场 湿度场湿度场 iii 裂隙裂隙 位移位移 MODELING EXPERIMENTAL STUDY ON THE INFLUENCE OF ENVIRONMETAL FACTORS UPON TEMPERATURE FIELD AND MOISTURE FIELD IN EXPANSIVE SOIL SLOPE ABSTRACT This essay aimed at the representative expansive soil in Nanning Guangxi To build an expansive soil slope model Using the environment generator to simulate the environment temperature air relative humidity and the rainfall To observe the distribution and alteration laws in the expansive soil slope model under the environmental factors changing At the mean time to observe and describe the fissures displacements in the soil slope model The environment temperature air relative humidity and the rainfall have influenced inner of the slope soil s thermal transfer and temperature change At a moderately high temperature and humidity the soil s inner temperature change velocity was faster After rainfall the temperature change velocity in the inner slope model was changed The environment temperature air relative humidity was the same but the temperature change velocity was slower after the rainfall Only changing the environment temperature air relative humidity and the rainfall the influence depth of the inner slope soil s temperature field is about 0 8m and the temperature change range was wider under the soil surface 0 5m With the increasing depth the effect of temperature hysteresises was distinct The environment temperature air relative humidity and the rainfall had a great effect on the slope soil s inner temperature field The depth that was influenced environment temperature and air relative humidity on slope soil s inner moisture was about 0 5m The biggest range of soil moisture was 3 5 The rainfall had a bigger impact on the soil moisture change the depth of influence was about 1 0m The biggest range of soil moisture that was influenced by rainfall was 5 5 The environment temperature and air relative humidity had a great impact on the iv slope model fissure developing the widest fissure was 6mm and the deepest fissure was 6cm The environment temperature and air relative humidity had a small impact on the soil s surface displacement According with the increase of cycles of dry wet process the types of fissure had changed The developing of fissure accelerates the rainwater s permeation and made the slope surface displacement grown gradually At last it made the slope surface soil saturated and loosening According to this modeling test we have got lots of useful data and accumulated experience It is significant for later modeling experiments and research KEYKEY WORDS WORDS environmental factors expansive soil slope modeling test temperature field moisture field fissure displacement I 目 录 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 膨胀土研究概况 2 1 2 2 土体温度 湿度计算理论研究概况 3 1 2 3 试验手段研究概况 4 1 3 本文主要工作 6 第二章 试验模型的设计与制作 7 2 1 试验设备简介 7 2 1 1 环境发生器简介 7 2 1 2 TDR 简介 8 2 1 2 1 TDR 测量土体含水量的原理 8 2 1 2 2 TRIME TDR 简介 9 2 1 3 LZT 5085 温度传感器简介 10 2 2 边坡模型的设计与制作 10 2 3 测试仪器的埋设 12 2 3 1 TDR 测试管的埋设 13 2 3 2 温度传感器的埋设 14 2 3 3 百分表的安装 15 2 4 小结 16 第三章 环境因素对边坡模型内温度场影响的试验研究 17 3 1 试验方案 17 3 2 环境温度 湿度的改变对边坡模型内温度场的影响 18 3 2 1 高湿度环境条件下环境温度的改变对边坡模型内温度场的影响 18 3 2 2 低湿度环境条件下环境温度的改变对边坡模型内温度场的影响 22 3 3 降雨后环境温度 湿度的改变对边坡模型内温度场的影响 27 3 3 1 降雨试验方案 27 3 3 2 降雨后环境温度改变对边坡模型内温度场的影响 28 3 4 降雨前后相同温度不同湿度对边坡模型内温度场的影响 31 3 5 结果分析与讨论 32 3 6 小结 34 II 第四章 环境因素对边坡模型内湿度场影响的试验研究 35 4 1 试验方案 35 4 2 TDR 在试验过程中的标定 35 4 2 1 含水量的表示方法 35 4 2 2 TDR 在模型土体内的标定方法 36 4 3 环境温度 湿度的改变对边坡模型内湿度场的影响 38 4 3 1 高湿度环境条件下环境温度的改变对边坡模型内湿度场的影响 38 4 3 2 低湿度环境条件下环境温度的改变对边坡模型内湿度场的影响 38 4 4 降雨对边坡模型内湿度场的影响 39 4 4 1 降雨试验方案 39 4 4 2 降雨对边坡模型内湿度场的影响 40 4 5 降雨后环境温度的改变对边坡模型内湿度场的影响 40 4 6 结果分析与讨论 41 4 6 1 试验结果 41 4 6 2 结果分析 42 4 7 小结 43 第五章 环境因素对边坡土体变形与裂隙影响的试验研究 44 5 1 试验方案 44 5 2 环境温度 湿度的改变对边坡模型裂隙的影响 44 5 2 1 裂隙网格类型 44 5 2 2 环境温度 湿度的改变对边坡模型裂隙的影响 45 5 3 降雨对边坡模型裂隙的影响 47 5 3 1 降雨试验方案 47 5 3 2 降雨对边坡模型裂隙的影响 47 5 4 环境温度 湿度 降雨对边坡模型土体位移的影响 48 5 4 1 环境温度 湿度的改变对边坡模型土体位移的影响 48 5 4 2 降雨对边坡模型土体位移的影响 49 5 5 小结 50 第六章 结论与建议 51 6 1 结论 51 6 2 建议 52 参考文献 53 致 谢 56 攻读学位期间发表论文情况 57 广西大学硕士学位论文 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 1 第一章 绪论 1 1 引言 膨胀土主要由强亲水性粘土矿物成分 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 1 2 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 20 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 27 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 3 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 33 7 42 5 各地 年降水量均在 1070 毫米以上 大部分地区为 1500 2000 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 温度对粘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 20 世纪中叶 4 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 长时间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 广西大学硕士学位论文 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 2 引起土体中能量的传递和温度场的改变 5 产生附加的地温度场 土体温度的变化强度 与土层 含水量和地下水等因素有关 6 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 1938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 1959 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 1959年至1977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 广西大学硕士学位论文 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 3 学态度 20世纪50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 而拉开了我国膨胀土研究的序幕 1 20世纪70年代中期我国开展了大规模的普查工作 建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 20世纪80年代 我国制定了膨胀土地区建筑技术规范 7 1988年工程地质专业委 员会召开了首次 膨胀岩学术讨论会 1994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 8 1 2 2 土体温度 湿度计算理论研究概况 Klute 9 将Richards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Philip Devries 10 Devries 11 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Milly 12 修改以考虑成层土的热湿耦合运移 A asserat de silans 13 采用Philip Devries 10 提出并由Milly 12 修改的方程 来描述热湿耦合运移 以Prandtl方法和Monin Obukhov 14 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 Wilson 15 16 17 采用Darcy定律 Fick 定律和Fourier定律来描述液态水 气态 水和热量的运移 建立了热湿耦合的控制方程 土体与大气的耦合采用修正的 Penman Wilson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SoilCover D A Swanson 18 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 Alonso 19 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 Yao Sun 20 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 两相流 的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 广西大学硕士学位论文 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 4 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 21 22 采用Wilson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Penman 方程估算水的蒸发 贺再球等 23 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 24 在CAP模型的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 25 提出了一个非饱和土孔隙气 水 汽 热耦合运动的理论模型 该模型假定孔隙气和孔隙水运动分别遵循Darcy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Fick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 sserat de silans 13 在位于法国约 3600 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间变化的规律 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 Kane 26 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 广西大学硕士学位论文 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 5 黄绍铿 柯尊敬等 27 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 Gasmo H Rahardjo 等 28 29 在新加坡南洋理工大学开设了边坡试验场地 安装 了张力计 TDR 测压管 雨量计等 通过测试所得土体的含水量 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雨量 的关系及其对边坡稳定性的影响规律 詹良通等 30 在湖北枣阳选取了一个 11m 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 Li 等 31 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 TDR 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 32 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 排除对所研究内容的干扰因素 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 William H Craig 等 33 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 广西大学硕士学位论文 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 6 姚玉春 34 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 35 36 37 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 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 1 所示 图 1 1 论文框架图 广西大学硕士学位论文 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 7 Figure 1 1 The theses framework 第二章 试验模型的设计与制作 2 1 试验设备简介 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 TDR 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 0m L 3 0m W 3 0m D 上安装的 如图 2 1 所 示 图 2 1 环境发生器安装示意图 Figure 2 1 Environment generator installation diagram 环境发生器由广西大学土木建筑工程学院与重庆万达仪器有限公司联合开发研制 广西大学硕士学位论文 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 8 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 2005 年 12 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 图 2 2 环境发生器 Figure 2 2 Environment generator 环境发生器主要技术指标 1 工作室尺寸 7240 D 7800 W 4500 H mm 约 254m3 2 温度范围 30 80 3 温度波动度 0 5 4 温度偏差 在 5 以上时 2 0 在 5 以下时 3 0 5 升温速率 从 30 升温至 60 时间不大于 180min 6 降温速率 从 30 升温至 20 时间不大于 240min 7 湿度范围 50 95 RH 30 60 8 湿度偏差 当湿度 75 RH 时 3 RH 当湿度 75 RH 时 5 RH 9 降雨面积 3000 5000mm 15 10 降雨强度 20 100mm h 11 风速 1 7m s 变频调节 广西大学硕士学位论文 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 9 2 1 2 TDR 简介 2 1 2 1 TDR 测量土体含水量的原理 时域反射仪 Time Domain Reflectometry 简称TDR 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TDR测定频率范围内 土壤水的介电常数是80 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 Dielectic constants 在表2 1 38 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 关系式 通过测定土壤的表观介电常数 用Ka表示 TDR测定的土壤混合物介电常数 可 推求土壤的体积含水量 表 2 1 主要土壤成分的介电常数 Curtis and Defandorf 1929 38 Table 2 1 The main soil constituents dielectric constant Material Dielectric Air 1 Water 80 at 20 Ice 3 at 5 Basalt 12 Granite 7 9 Sandstone 9 11 Dry loam 3 5 Dry sand 2 5 2 1 2 2 TRIME TDR 简介 TDR 主要有探针式和探管式两种 TRIME T3 是管式 TDR 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 TRIME T3 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 TRIME T3 系统 1 系统组成 图 2 1 39 TRIME T3 系统的基本件包括 读取探头水分测量值的 FM 读数表 圆柱式探头 T3 探头 TECANAT 塑料探管 最大管长 3 米 探管埋设套件 探管及附件 广西大学硕士学位论文 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 10 图 2 4 温度传感器 Figure2 4 Temperature sensor 图 2 3 TRIME TDR 系统组件 Figure 2 3 Components of the TRIME TDR system 2 主要技术指标 TRIME T3 土壤剖面水分传感器的主要技术指标 测量范围从 0 到 60 精度可以 控制在 3 以内 T3 探头长 220mm TECANAT 塑料探管内径 42mm 长度包括 1m 2m 3m 三种类型 TRIME FM 读数表的主要技术指标 TRIME FM 读数表的分辨率为 0 1 读数的重复 精度 0 3 可用于 15 50 的温度范围内 外形尺寸 210 90 60mm 重 875g 2 1 3 LZT 5085 温度传感器简介 LZT 5085 温度传感器由长沙科力自动化工程有限公司研制生产 KLZT 5085 为一款精密的单总线数字温度计 其内部自带 AD 转换器 通过内部的温度采集 AD 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 主要技术指标 灵敏度 0 05 精度 0 1 测量范围 45 85 线性误差 0 05 2 2 边坡模型的设计与制作 环境发生器内试验槽的尺寸 5m 3m 3m 并且试验槽由钢板分隔为三个尺寸相 等的小试验槽 3m 3m 1 6m 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 Table 2 2 Basic physical character index 广西大学硕士学位论文 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 11 密度 g cm3 天然含水量 最大干密度 g cm3 最优含水量 液限 塑限 塑性指数 平均自由膨胀率 1 9824 51 7418 34422 521 546 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 3m 长 3m 高 1 6m 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 3m 长 2 6m 高 的钢板侧 面 图 2 5 试验槽平面图 Figure 2 5 The plane of experimental hole 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 15cm 厚砂石垫层 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 混 凝 土 钢板 广西大学硕士学位论文 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 12 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 2mm 3mm 厚的黄油 5 将粉碎好的土样按照最优含水量 wop 2 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 95 的压实度来将土体压实 其中压实 机械采用 HCD70 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 图 2 6 边坡模型 Figure 2 6 The slope model 2 3 测试仪器的埋设 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 TDR 测试 管埋入边坡模型内 具体位置如图 2 7 所示 广西大学硕士学位论文 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 13 温度传感器 TDR 测试管 图 2 7 传感器位置 Figure 2 7 Transducer positions 2 3 1 TDR 测试管的埋设 TDR 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 TDR 测试管具有不同的长度 根据模型的设计 将 TDR 测试管加工成相应的长度 并 且使 TDR 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 钻孔 扩孔至设计深度后 灌入一定稠度的泥浆 将 TDR 测试管插入孔内 5 将保护盖盖在测试管上 防止进水 广西大学硕士学位论文 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 14 图 2 8 TDR 安装示意图 39 Figure 2 8 TDR installation diagram 39 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 在试验坑顶与坡面 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 法的 2 5 步 TDR 测试管的埋设完成后 如图 2 9 所示 图 2 9 TDR 位置图 Figure 2 9 TDR positions 2 3 2 温度传感器的埋设 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 广西大学硕士学位论文 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 15 坡顶处在土体表面以下 10 20 50 80 110 150 和 200cm 深度处布设 7 个温度 传感器 坡面处在土体表面以下 10 20 50 80 110 和 160 cm 深度处布设 6 个温度 传感器 坡脚处在土体表面以下 10 20 50 80 和 120 cm 深度处布设 5 个温度传感 器 温度传感器的埋设方法 1 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 10 所示 图 2 10 温度传感器位置 Figure 2 10 Temperature transducer positions 2 3 3 百分表的安装 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 利用膨胀螺栓和铁管自重来固定铁管 广西大学硕士学位论文 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 16 3 在需安装百分表的边坡土体部位 将一刚性垫块埋入边坡土体内 用以测量 土体位移 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 11 百分表安装图 Figure 2 11 Percentage gauge installation diagram 2 4 小结 本章就此次模型试验主要所用的试验仪器进行了简要介绍 同时对边坡模型的制 作以及测试仪器的安装做了说明 主要有以下几点需要注意 1 边坡模型的制作从 2006 年 9 月开始 到 2007 年 1 月完成模型制作以及仪器 的安装埋设 待 TDR 测试管 温度传感器埋设完成以及百分表的安装完成之后 将模 型用塑料薄膜覆盖静置 使得模型土体与 TDR 测试管 温度传感器接触良好 土体强 度增长之后 于 2007 年 3 月下旬开始进行模拟试验 2 模型试验所取用的均为重塑土 因此要保证模型的均匀性 则在土样制备的 过程中严格控制颗粒的大小 3 要保证每层土样的压实度 须严格控制压实次数 对于边角等压实机械不容 易压实部位 需人工将其压实 压实效果用环刀法分点取土检测 4 安装温度传感器的时候需用一刚性导杆固定传感器的位置 选用的是一细直 径的铁丝 为了防止铁丝对传感器的干扰 将安装传感器部位用绝缘胶条包裹 然后 将传感器固定在相应位置 广西大学硕士学位论文 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 17 第三章 环境因素对边坡模型内温度场影响的试验研究 膨胀土受环境因素影响显著 环境因素的变化将引起土体内温度 含水量的改变 外界温度的变化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 同时含水量的改变也影响着热量的传递 温度的改变 因此 土 体内部温度 含水量的变化是衡量膨胀土受环境因素影响的重要指标 广西地处中 南亚热带季风气候区 气候温暧 热量丰富 各地年平均气温 16 0 23 0 各地累年极端最高气温为 33 7 42 5 广西是全国降水量最丰富地 区之一 各地年降水量均在 1070 毫米以上 大部分地区为 1500 2000 毫米 从国内外研究的成果来看 在如此湿热多雨的环境条件下 对膨胀土内部温度场 湿度场分布情况的研究工作尚不多见 所以 研究膨胀土在不同环境因素下 土体内 部温度场 湿度场的变化规律 具有极其重要的理论意义和工程实际意义 3 1 试验方案 根据广西的气象资料 通过模拟不同的环境温度 湿度 降雨等环境因素 观测土 体内温度场分布规律 具体实施步骤如下 1 控制环境发生器内部温度 23 湿度值 90 RH 并以此作为模拟试验 广西大学硕士学位论文 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 18 的初始值 2 保持环境湿度 90 RH 不变 改变环境温度值 按照 23 10 20 30 40 30 20 为一个循环过程 量测在此过程中土体 内部温度场变化情况 3 改变环境湿度 令 70 RH 恒定 按照 20 10 20 30 40 30 20 为一个循环过程 量测在此过程中土体 内部温度场变化情况 4 模拟不同的降雨强度 量测降雨之后土体内部温度场的变化情况 5 保持环境湿度 90 RH 不变 改变环境温度值按照按照 30 40 30 20 30 为一个循环过程 量测在此过程中土体内部温度场变 化情况 在进行试验之前 我们首先要明确两个基本概念 相对湿度和降雨量 相对湿度 某温度时空气的绝对湿度跟同一温度下水的饱和汽压的百分比 叫做 当时空气的相对湿度 用 RH 表示 相对湿度是和温度联系在一起的 不同的温度下 同一个相对湿度 空气中水汽含量是不一样的 降雨量 从天空降落到地面上的雨水 未经蒸发 渗透 流失而在水面上积聚的 水层深度 我们称为降雨量 以毫米为单位 中国气象局规定 24 小时内的降雨量称 之为日降雨量 凡是日降雨量在 10 毫米以下称为小雨 10 0 24 9 毫米为中雨 25 0 49 9 毫米为大雨 暴雨为 50 0 99 9 毫米 大暴雨为 100 0 250 0 毫米 超 过 250 0 毫米的称为特大暴雨 3 2 环境温度 湿度的改变对边坡模型内温度场的影响 3 2 1 高湿度环境条件下环境温度的改变对边坡模型内温度场的影响 首先模拟高湿度情况下 环境温度改变对土体内温度场影响 保持 90 RH 不变 按照 23 10 20 30 40 30 20 为一个循环过程 量测在此过程中 土体内部温度的变化情况 具体成果如下 1 环境温度由 23 下降到 10 不同位置温度 时间关系曲线 15 17 19 21 23 25 0369 12 h 0 1m 0 2m 0 5m 0 8m 1 0m 1 5m 2 0m 15 17 19 21 23 25 036912 h 0 1m 0 2m 0 5m 0 8m 1 1m 1 6m 15 17 19 21 23 25 036912 h 0 1m 0 2m 0 5m 0 8m 1 2m 广西大学硕士学位论文 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 19 图 3 1 不同位置温度 时间关系曲线 Figure 3 1 Relation curve between temperature time in d