土体变形影响下的土水特征曲面模型及应用

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土水特征曲线(Soil-Water Characteristic Curve,简称SWCC)是非饱和土力学最重要的本构关系之一,在非饱和土力学的研究和应用中扮演着重要的角色。在SWCC众多的影响因素中,土体变形的影响十分显著,是近年来研究的重点和热点。本文用初始孔隙比作为变形指标研究了土体变形对SWCC的影响,主要的研究工作内容和结果如下:(1)总结了国内外有关土体变形对SWCC影响的相关研究,并对这些研究方法进行了分类。(2)利用VJ tech固结仪对北京海淀区的粉质砂土进行SWCC室内实验,研究了不同初始孔隙比对SWCC的影响。实验结果表明:不同初始孔隙比对SWCC的影响在低吸力范围比较显著,在高吸力范围则不明显,随着吸力的增加,不同初始孔隙比对应的土水特征曲线趋于一致。(3)针对VJ tech固结仪的实验原始数据格式,采用Python2.5脚本编程语言开发了软件SWCCurver vl.0,该软件可实现从实验原始数据读入、数据处理、数据的模型拟合、结果可视化以及保存数据到Excel文件等一系列功能。(4)提出了土水特征曲面(SWCS)的概念,通过将孔隙比引入到与进气值有关的模型参数中对Fredlund-Xing模型进行了修正,建立了不同初始孔隙比影响下的SWCC数学模型,即基质吸力-含水量-初始孔隙比空间的土水特征曲面模型。并采用所提出的SWCS模型来预测土体变形后渗透系数变化。(5)利用(4)中提出的SWCS模型来模拟坝体心墙的不同压实程度对防渗效果的影响,研究表明:当心墙的压实程度不同时,同一时刻心墙截面的流量与e3/(1+e)成线性关系。(6)用“定性”分析的方法对比了考虑土体压缩变形和忽略土体压缩变形两种条件下降雨入渗对边坡渗流场和安全系数的影响,研究表明:在相同的流量边界条件下,考虑土体压缩变形时非饱和区向饱和区演变的速度比较快,从而导致了相同时刻会得到一个相对偏小的安全系数。这一结论表明考虑土体压缩变形对工程实践具有实际意义。
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