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非饱和土的水力特性包括土水特征曲线和渗透函数。土水特征曲线表示非饱和土的基质吸力与含水量(如饱和度或体积含水率)之间的关系;渗透函数是渗透系数与含水量之间的关系。这两大水力特性参数在分析非饱和土变形与强度问题、降雨入渗与边坡稳定问题、污染物地下迁移等问题中扮演着重要角色。
传统的非饱和土水力特性的测定方法均是在试样处于平衡态下测得,耗时较长,本文围绕非饱和土水力特性的快速测试原理与方法开展了研究,进行了以下四个方面的工作:
1)在测试仪器方面,对联合测试系统做了以下两点改进:一、增加了气泡冲刷和量测装置,能够准确量测溢出陶土板气泡的体积,进而对溢出水量进行修正,使修正后的溢出水量更加接近于真值。二、对压力室做了较大改进,由原来的上、下盖板都装有陶土板改为只在下盖板安装陶土板,进气方向也由原来的从环向进气改为从顶部进气,使其能更好的描述一维流动问题。
2)开展了一步流动试验,利用一维水分运移过程分析软件HYDRUS-1D对试样溢出水量随时间的变化曲线进行拟合,同时分析反算出难以实测的水力学参数,进而能够快速得到非饱和土的土水特征曲线和渗透函数。分别使用了三种土样对该方法进行了验证,并且讨论了施加的吸力步长对试验结果的影响,进而对三种土样提出了合理的加载步长。
3)建立了能够描述试样在非平衡态下饱和度随着基质吸力变化的演化方程,该方程不但考虑了当前基质吸力增量对饱和度的影响,而且还考虑了以往各级吸力增量对饱和度的影响,即考虑了所谓的遗传效应。基于此方程开展了动态多步流动试验,试验中不需要试样在每级吸力下都达到平衡,大大节省了试验所需的时间。分别采用了三种土样对该方法进行了验证,并且讨论了不同的基质吸力步长和加载时间对动态试验结果的影响,并且对这几种土样分别提出了开展动态试验时所施加吸力步长和加载时间的参考值。
4)对以上两种方法进行了对比分析,指出这两种方法所用的时间都远远小于实测方法所用的时间,但从试验精度上来看,动态多步流动方法要优于一步流动方法。尤其对于高吸力范围的土样,一步流动方法的精度较差,而通过控制合理的基质吸力步长和加载时间,采用动态多步流动方法和VG模型相结合的方法,可达到较高精度。