非饱和风积沙路基土土-水特征曲线试验研究与模型修正

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内蒙古西部沙漠地区风积沙路基土是一种典型的非饱和土,由于沙漠地区特殊的气候条件和温湿度环境作用,风积沙路基土土-水特征曲线受含水率、干密度、温度、含盐量等因素影响显著。为探究各因素对风积沙路基土土-水特征曲线的影响规律并建立相应的修正模型,本文以内蒙古阿拉善沙漠地区非饱和风积沙路基土为实验土样,通过ASTM D5298-16滤纸法测试了土样在不同条件下的基质吸力和总吸力,分析了含水率、干密度、温度、含盐量以及不同盐类对土-水特征曲线的影响规律,通过正交试验设计和灰关联度法分析了影响因素的显著性,在理论推导和数据分析的基础上,对van Genuchten模型进行温度和含盐量修正,建立能综合考虑水-热耦合和水-盐耦合的风积沙路基土土-水特征曲线修正v-G模型。通过研究本文主要得到以下结论:(1)风积沙路基土土-水特征曲线受干密度和温度影响显著。随着干密度增大,土-水特征曲线呈现整体平行向右上方偏移的趋势,即当饱和度相同时,干密度越大,土体基质吸力越大,土的持水特性越强。而且这种影响在含水率较低的高吸力区更加明显。随着温度的升高,土-水特征曲线呈现整体向右下方偏移的趋势,即:当土样中基质吸力相同时,其含水量随平衡温度升高而降低,而且温度对土-水特征曲线的影响在高温或低吸力区更加明显。(2)硫酸钠(Na2SO4)盐分含量对风积沙基质吸力、渗透吸力和总吸力均有影响,基质吸力、渗透吸力和总吸力土-水特征曲线均随着土中硫酸钠(Na2SO4)含量增加而向右移动。当体积含水率较高时,含盐量主要通过影响渗透吸力而对总吸力影响较大;而当体积含水率较低时,含盐量会对基质吸力产生一定影响。硫酸钠盐渍土和碳酸钠盐渍土土-水特征曲线分布形式基本相似,当含盐量相同时,相同含水率条件的硫酸钠盐渍土土样比碳酸钠盐渍土土样土中基质吸力更大。(3)基于SPSS极差、方差分析和灰关联度分析结果显示:初始含水率、初始干密度和平衡温度均对风积沙路基土基质吸力有显著影响,其显著性顺序为:初始含水量>初始干密度>平衡温度。(4)基于热力学原理,综合考虑温度对表面张力和润湿系数的影响,建立的能考虑温度效应的土-水特征曲线v-G修正模型拟合不同温度下风积沙路基土土-水特征曲线模型时相关系数均大于0.93,拟合效果良好。分析v-G模型参数a随含盐量变化关系式,代入v-G模型从而使v-G模型参数包含含盐量变化影响,分别建立的基质吸力和总吸力土-水特征曲线含盐量修正模型分别在拟合阿拉善含硫酸钠风积沙基质吸力和总吸力土-水特征曲线时适用性较好。
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