温度变化对土体基质吸力的影响研究

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基质吸力广泛存在于孔隙介质中,是水气交界面上收缩膜所承受的表面张力,该收缩膜上气压力与水压力不等而产生的不平衡力称为基质吸力。基质吸力是描述非饱和土物理力学性质的重要参数之一,其能反映土体的渗透性、强度和应力应变状态等。基质吸力的影响因素有土体含水量、孔隙率、孔隙特征、土质亲水性和温度等,其中温度直接影响水膜张力和土质亲水性,又间接影响水粘滞性、吸附力和分子热运动从而影响整体的基质吸力。传统的基质吸力研究大多集中在饱和度与基质吸力的相关性研究中,而温度对基质吸力的影响研究较少。鉴此,本研究以理论与试验相结合的方法,开展温度对非饱和土体基质吸力的影响研究并对Van Genuchten模型进行温度修正,主要工作如下:  1)基于孔隙介质物质传输的基本理论,推导了包含温度影响函数的基质吸力数学模型。参考前人对基质吸力模型推导的研究思路,考虑了土体材料的孔隙结构、水膜形态、饱和度、孔隙率、水表面张力和温度等因素,经过一系列的公式转化、拟合和和合并,建立了包含多因素影响的基质吸力模型,模型最终形式为(此处为方程式略过),是含有4个参数和4个未知量的非线性数学模型,该模型的推导为不同温度下基质吸力测试试验的开展和模型参数的界定提供了理论基础。  2)设计和完成了一套高精度测试不同温度条件下基质吸力与饱和度关系的试验测试系统。试验目的是得到两种孔隙率下不同温度的基质吸力与饱和度的数据,为进一步界定基质吸力模型参数提供试验数据。该系统主要由基质吸力测试装置、温度控制装置、水量测量装置和气动加载装置四大部分组成。在试验过程中,根据试验需要改装了空压机使其能在低压时自动加压,实现了试验自动控制;改装了压力板仪自带的玻璃管水体积测量装置,更改出水管路使用高精度天平进行测量;并根据试验土样饱和要求自主设计发明了《简易土体饱和器》(专利号:ZL201620792414.7)。  3)基于最小二乘法,MATLAB编程,结合壤土试验数据和前人文章中膨胀土试验数据对已推导的基质吸力模型进行参数界定。将试验数据代入MATLAB程序中计算出模型的4个参数,得到了壤土和膨胀土的多因素影响基质吸力模型的最终表达式,并验证了模型的合理性。  4)根据已求得的壤土和膨胀土的基质吸力模型,分析温度直接和间接对基质吸力的影响规律,并对传统Van Genuchten模型(VG模型)进行温度修正。控制其中变量分析温度与基质吸力的相关关系,结果显示,温度与基质吸力呈对数关系,随温度的增加基质吸力减小,且在温度较低的时候温度对基质吸力影响敏感性较大。传统VG模型未考虑温度对基质吸力的影响,将已推导出的温度影响项代入其中以完善VG模型,对比计算结果显示,包含温度影响函数的VG模型与试验测试值更加接近。  基于以上工作,本文建立了包含温度影响函数的基质吸力数学模型和设计了不同温度下基质吸力的试验测试系统,进而界定模型参数并分析了温度对基质吸力的影响,最后对VG模型进行了温度修正。
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