非飽和土壤滲透特性及飽和入滲機(jī)理試驗(yàn)研究.pdf

1、非飽和滲透系數(shù)的確定與土中水—?dú)膺\(yùn)動(dòng)規(guī)律是非飽和土壤水分入滲問(wèn)題研究的關(guān)鍵。由于非飽和土中水的滲透性難以測(cè)定，許多學(xué)者提出的滲透性函數(shù)形式又極為不統(tǒng)一，使得目前還沒(méi)有一種儀器或函數(shù)形式得以推廣，也無(wú)法滿足非飽和土理論研究以及工程實(shí)踐的要求。土壤積水入滲過(guò)程中土中氣體壓力的變化規(guī)律及對(duì)入滲過(guò)程的影響對(duì)節(jié)水灌溉和水土保持等的實(shí)施具有重要的指導(dǎo)意義。 本文試圖通過(guò)試驗(yàn)研究、理論推導(dǎo)兩個(gè)方面，對(duì)非飽和滲透系數(shù)的確定及積水入滲過(guò)程中土中水

2、—?dú)膺\(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行較為全面、深入地研究。主要研究成果如下： (1)本文從非飽和土滲透特性研究的需要出發(fā)，針對(duì)目前研制的非飽和土滲透儀的不足，根據(jù)非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置量測(cè)非飽和滲透系數(shù)的主要特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，提出了新型非飽和土穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置研制開(kāi)發(fā)的整體思路，完成了重要內(nèi)容的研制。采用穩(wěn)態(tài)水壓力發(fā)生器作為水壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓力的穩(wěn)定控制和滲透水量的精確測(cè)定。針對(duì)新型穩(wěn)態(tài)滲流試驗(yàn)裝置工作原理，總結(jié)出了一套行之有效的操作方法。

3、通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擬合分析，明確了土壤非飽和滲透系數(shù)隨土壤飽和度的變化關(guān)系。 (2)運(yùn)用邵龍?zhí)断嘟橘|(zhì)的相互作用原理并結(jié)合水力學(xué)中層流阻力中滲透流速的概念重新推導(dǎo)了飽和與非飽和土壤水分的運(yùn)動(dòng)方程，給出了單一均質(zhì)飽和與非飽和土壤滲透系數(shù)的理論表達(dá)式。根據(jù)飽和土滲透系數(shù)方程，考察了土水相互作用力系數(shù)的物理基礎(chǔ)。由穩(wěn)態(tài)滲流方法量測(cè)非飽和滲透系數(shù)的水力條件，分析了非飽和滲透系數(shù)理論表達(dá)式的應(yīng)用。 (3)通過(guò)理論分析了非飽和土積水入滲

4、條件下，土中氣體壓力對(duì)入滲區(qū)土體平衡的影響，并建立了理想狀態(tài)下土體平衡的臨界條件。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了土體平衡狀態(tài)的存在形式。試驗(yàn)結(jié)果表明，入滲土體孔隙率和初始含水量決定著入滲初始階段土中氣體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和入滲過(guò)程。土體的孔隙率越大、初始含水量越小，入滲初期作用水層對(duì)土中氣體的封閉作用越弱，氣體越容易逸出，逸出過(guò)程中對(duì)土表附近土體的擾動(dòng)程度和范圍越大，土中氣體壓力的波動(dòng)幅度和頻率越大，并導(dǎo)致入滲率出現(xiàn)階梯狀變化；反之，入滲初期作用水層對(duì)土中氣體

5、的封閉作用越強(qiáng)，氣體越難逸出，入滲土體內(nèi)越易出現(xiàn)裂縫，且氣體逸出時(shí)只對(duì)裂縫以上土體有擾動(dòng)，而裂縫以下土體則幾乎不受擾動(dòng)，氣體壓力波動(dòng)的幅度和頻率也越小，入滲率顯著減小，并可能造成入滲過(guò)程的停止。 (4)通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入滲土體內(nèi)存在兩個(gè)明顯的分界面，將濕潤(rùn)鋒以外的另一鋒面給出了定義，將其定義為飽和鋒，通過(guò)對(duì)破壞土體的平衡分析說(shuō)明了定義的合理性。試驗(yàn)結(jié)果表明，飽和鋒的位置與入滲過(guò)程有關(guān)。對(duì)于結(jié)構(gòu)較疏松的土體，飽和鋒的位置隨著土體擾動(dòng)

6、深度的增加而增加。對(duì)于結(jié)構(gòu)較牢固的土體，飽和鋒的位置隨著裂縫深度的增加而增加。從飽和鋒的位置出發(fā)，研究了土體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體破壞的過(guò)程，并將土體破壞分為三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)三種不同的狀態(tài)：臨界狀態(tài)、過(guò)渡狀態(tài)和穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 (5)對(duì)于不同類型的土，當(dāng)入滲土柱內(nèi)出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫的形狀不同。對(duì)于具有一定粘性的土(硅微粉)，土體出現(xiàn)裂縫時(shí)，因?yàn)橥令w粒之間存在粘性，裂縫面多不規(guī)則。對(duì)于砂性土(粉煤灰、細(xì)砂)，裂縫面則多是規(guī)則的。對(duì)于顆粒比重不同的