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黄土节理渗流特性的试验研究及节理黄土水分场数值分析

作　者: 罗扬
导　师: 王铁行
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 岩土工程
关键词: 黄土节理渗透系数有限元法数值分析
分类号: TU444
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

黄土中有节理的存在已经为大家所认识,尤其是陕北地区典型的原生垂直节理。黄土中垂直节理是影响其整体性和工程性质的重要因素。水对黄土有着重要的影响,黄土的典型特征就是其遇水湿陷的性质。黄土遇水不但会产生变形(湿陷)还会对其工程性质有巨大的影响。工程上研究黄土节理对黄土地区场地水分入渗的影响就显得极其重要了。认清黄土节理的导水性质是黄土地区工程建设、灾害防治和研究黄土特性及其相关问题的一项重要的基础工作。本论文做了一些关于黄土节理渗透系数的室内试验研究及不同条件下节理对黄土场地水分入渗的影响的数值分析这两方面的研究工作。通过节理土体的室内变水头试验研究了节理渗透系数的变化规律。在变水头试验中,水头的大小会影响到节理的渗透系数,其与水头的关系可以用直线表示。而这条直线的斜率并不大,说明水头对渗透系数的影响有限,在一定范围内节理渗流可以用达西定律表述。进一步研究发现,节理的渗透系数会随着渗流时间的增长而逐渐减小,其初始值量级在10-4cm/s左右。而节理的渗透系数会减小到某一定值或是与土体相同,值得进一步研究。此外,考虑节理-土体二维渗流耦合的影响,还通过试验研究了节理土体初始含水量和干密度对渗流的影响。土体初始含水量不同将影响到节理土体渗流的过程。高土体初始含水量条件下节理的渗透系数的变化趋势较平缓;但在试验条件下土体初始含水量和干密度对节理渗透系数的量级影响均不大,说明试验条件下可以将节理渗流简化成沿节理方向的一维流问题。基于以上对节理渗流特性的研究,考虑节理的影响,本文做了一些黄土渗流场的数值分析工作。建立了节理土体的二维渗流模型。应用经典的Galerkin解二维土体非饱和渗流问题的控制方程(Richard方程)的方法,通过自编的Fortran有限元程序计算得出了不同节理条件下对土体渗流的影响,主要包括了在节理单元处有无节理的影响、节理单元的宽度不同的影响和节理渗透系数不同的影响等。分析结果说明了本文所述的节理土体的建模是可行的。最后分析了不同土体含水量条件下,节理土体的水分迁移情况,表明土体初始含水量越低,节理越容易导水。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-17
  1.1 黄土节理简介  9-12
    1.1.1 黄土节理及其分类  9-12
    1.1.2 黄土节理研究的意义  12
  1.2 非饱和黄土渗流问题  12-15
    1.2.1 概述  12-13
    1.2.2 非饱和土入渗问题  13-15
  1.3 节理研究现状及不足  15-16
  1.4 本文的研究内容与方法  16-17
2 黄土节理渗透规律的试验研究  17-34
  2.1 引言  17
  2.2 试验方法  17-22
    2.2.1 变水头渗透试验  17-19
    2.2.2 试验土样的制备  19-21
    2.2.3 试验土样含水量测定方法  21-22
  2.3 试验结果及分析  22-32
    2.3.1 节理渗透系数随水头的变化  22-25
    2.3.2 节理渗透系数随渗流过程的变化  25-28
    2.3.3 土体初始含水量对节理渗透规律的影响  28-31
    2.3.4 土体干密度对节理渗透规律的影响  31-32
  2.4 本章小结  32-34
3 节理条件下黄土水分场数值分析  34-52
  3.1 引言  34
  3.2 非饱和土水相渗流理论  34-38
    3.2.1 非饱和土水相流动定律  34-35
    3.2.2 非饱和土水相流动的驱动势能  35-36
    3.2.3 非饱和土二维水相非稳态流  36-38
  3.3 非饱和土二维非稳态水相渗流数值分析  38-44
    3.3.1 有限单元法分析  38-41
    3.3.2 节理土体有限元计算模型  41-43
    3.3.3 计算参数的确定  43-44
  3.4 节理非饱和土体二维非稳态渗流结果及分析  44-51
    3.4.1 节理对土体水分场的影响  45-46
    3.4.2 节理单元宽度对土体水分场的影响  46-47
    3.4.3 节理渗透系数对土体水分场的影响  47-49
    3.4.4 土体初始含水量对节理土体水分场的影响  49-51
  3.5 本章小结  51-52
4 结果及建议  52-55
  4.1 本文的主要工作及结论  52
  4.2 本文存在的不足  52-53
  4.3 后续研究展望  53-55
致谢  55-56
参考文献  56-59
在读期间的研究成果  59

黄土节理渗流特性的试验研究及节理黄土水分场数值分析

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