西安科技大学开题报告

毕业设计(论文)

开题报告

题目非饱和土恒压吸水试验研究学院地质与环境学院

专业及班级地质工程1001

姓名汤廉超

学号1009040119

指导教师王念秦教授

日期2014年4月5日

西安科技大学毕业设计(论文)开题报告题目非饱和土调压吸水试验研究选题类型研究型一、选题背景、目的及意义

近年来，由于地质、气候、水文等因素的作用,地下水位常常发生很大的变化。以及温室效应的加剧致使产生一系列的连锁反应,全球变暖海洋冰川逐渐消融,热膨胀加剧，从而引致海平面的上升,进而导致地下水位的不断上升。加之随着城市建设的不断发展,地下承压水位随之下降,而潜水位大幅度上升。随着我国经济的迅速发展以及人类活动能力的提高，为了改善人民的生活质量，各级政府不断投资，加大水利提灌工程建设，这一措施促进了灌溉农业的长足发展。然而这种人类生产活动也会影响地下水水位。黄土在世界上分布相当广泛，占全球陆地面积的十分之一，而我国黄土的分布面积，比世界上任何一个国家都大，总面积达63．1万平方公里，占全国土地面积的6%。而且我国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原，黄土高原的面积约占全国黄土分布总面积的70%以上。地下水位的上升将会影响到建筑物的地基及路基。如陕西省西安市，由于超高层建筑的出现，深基坑工程的需要，基坑降水使地下水位降低，随着工程的进展，地下水位不断回升，对建筑地基产生了一定的影响。尤其是当地下水在基础地面下压缩层范围内上升时，地基土的物理性质和力学性质都相应引起变化影响到土体的抗剪强度，导致地基强度降低，压缩性增大，建筑物产生过大的沉降，导致严重的变形，特别是遇到结构性强、不稳定的黄土时这种现象更为严重。路基大都属于与非饱和土，土中基质吸力的存在将引起毛细作用，毛细现象的产生对路基土中的水分分布造成了一定的影响。地下水经毛细作用源源不断地浸润路基，改变了路基土中的含水率，尤其是地下水位的上升，将缩短毛细作用路径，加快了毛细作用对路基中水的补给。路基中含水率的增加将降低路基土强度，给路基稳定性带来危害。同时对于黄土高原分布最大的西北地区，地下水位的上升也将对黄土边坡稳定性产生很大的影响，导致滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害频繁发生。据统计，2010年1-5月全国共发生地质灾害4175起，其中滑坡2915起，崩塌297起，泥石流138起。因此地下水位的改变将会影响黄土的渗流过程，而渗流的高度及速度往往与地下水位的变化有一定的关系，为了探索非饱和土向上渗流过程中，土中水分动态迁移规律，通过改变土体底

部与水的接触面积来研究土体的向上渗流规律，黄土渗流规律的研究将成为黄土边坡稳定性研究的重要手段。

1.2国内外研究现状

国内外对非饱和土水理性质、渗流规律方面的研究较多，大多数是以重塑土为研究对象，探索非饱和土中水分迁移特性。主要包括以下几个方面：

1、毛细水上升高度研究

许健[1]以粉质黄土为研究对象，在恒温状态下进行开放系统水分迁移试验，得出随着湿润锋面的向上迁移，含水量由试件的底部向顶部逐渐减小，并利用灰色理论预测模型GM(1，1)确定了东北粉质黄土的有害毛细上升高度约为1.12m。董斌[2]通过对12种不同粗细土料进行室内竖管法毛细水上升高度试验，得到毛细水上升高度与时间关系曲线，并分析了影响因素和变化规律。苗强强[3]以非饱和含黏土砂为研究对象，做了3个不同初始含水率的毛细上升试验，得到了试样各个断面的含水率和吸力随时间的变化规律，得出初始含水率对毛细上升高度和上升速度有显著影响，并拟合出了不同初始含水率试样的湿润锋随时间的变化规律。刘小平[4]研究了毛细作用下路基水分迁移特性，探讨了路基中毛细作用机制和毛细上升高度与时间、颗粒大小的关系。李锐[5]应用Geo—slope软件模拟立于水中的圆柱土柱，分析土柱中毛细上升的高度，并做了相关的土柱试验，得到毛细上升高度及上升规律。王有昌[6]通过实测红黏土颗粒分析曲线、土水特征曲线，对两种红黏土进行毛细水综合试验，分析了颗粒大小、压实度、土体类型、土水特征曲线对红黏土毛细水上升的影响，得出毛细水上升高度随着土体压实度增加而减小、水位变化对毛细水上升有很大的影响、土水特征曲线对毛细水上升影响较大的结论。夏宁[7]对路基填料长江口细砂通过室内模拟毛细水上升试验进行研究得出不同细砂含水量对上升高度的影响，毛细水上升高度的含水量分布情况及其上升高度与时间的关系。陈义民[8]通过在室内对不同土质的10种土料进行竖管法毛细水上升高度试验，获得了含水量与毛细水上升高度的规律。同时，对各种土料进行了系列闭式冻胀试验，获得了冻胀率与含水量或者超塑含水量的关系。李自祥[9]选取不同土质、不同密实度、不同含水量的盐渍土，在设定边界系统中进行试验研究。得出多重因素影响毛细水高度及速率，毛细水引起盐分的迁移。王丁[10]通过室内土柱模拟试验，进行了层状土与均质土的对比试验，对层状土壤毛管水运动特性进行了研究，分析了层状土壤毛管水上升高度、

速率及地下水补给量与时间的关系，并研究了毛管水上升高度与地下水补给量之间的关系。张平[11]通过观察同一含水量的土样在不同颗粒大小或不同颗粒级配条件下，毛细水上升速度、高度与时间的关系，得到在毛细水上升开始阶段中粒速度最大，随着时间的推移，颗粒越细上升的速度变得相对越快，颗粒愈粗达到最大高度所需的时间愈短。Bear[12]给出了砂土中毛细管上升高度的范围与孔隙率、土粒平均粒径的关系。

2、土水特征曲线研究

黄义[13]从非饱和土中微观孔隙中分布规律出发，考虑到土孔隙内收缩膜对非饱和土剪切强度的影响，推导出了非饱和土土–水特征曲线方程和结构强度公式。陈辉[14]依据非饱和土土–水特征曲线动态模型，推导出不考虑土骨架变形的气–水两相非饱和土的饱和度演化方程。利用饱和度演化方程并结合多步流动瞬态试验的成果，通过数值反演，提出了一种能利用多步流动瞬态试验数据快速确定非饱和土土–水特征曲线的方法。刘翠[15]然利用改进的非饱和土三轴仪，对非饱和土在不同围压条件下的基质吸力与含水量关系的试验研究。并根据试验结果，绘制非饱和土的土-水特征曲线与围压-基质吸力关系曲线。分析曲线规律，拟合基质吸力与体积含水量之间的函数，并通过土水特征曲线计算非饱和土的渗透系数及预测非饱和土的抗剪强度。刘艳华[16]分析了影响土水特征曲线的几个重要因素，在此基础上进行了大量的对比试验。通过试验，对土水特征曲线有了进一步的认识，并为土水特征曲线在工程中合理应用提出一些建议。Andreas Blum[17]通过声换能器和TDR等设备研究了非饱和土中水分流动的速率。

3、渗透特性研究

李永乐[18]利用特制的非饱和土三轴仪对黄河大堤非饱和土的渗透特性进行了试验研究，为非饱和土渗透系数的直接测定奠定了基础。根据试验结果，得出了黄河大堤非饱和土土体在不同–含水量下的围压–渗透系数关系及其变化规律，以及不同围压条件下质量含水量–渗透系数关系及其变化规律。梁爱民[19]通过对粉土和砂质壤土两种非饱和土的渗透特性进行试验研究，得出了非饱和土含水量与渗透系数的基本关系。高永宝[20]用水–气运动联合测试仪对一定湿密状态下的黄土做了大量的试验，结果表明，一定含水量、不同干密度的土样浸水后，渗气系数随时间的变化趋势具有相似的规律，即具有在起初浸水后的短时间内减小，然后逐渐增大，最后趋于稳定的过程。王辉[21]为了研究干密度对黄土渗透系数的影响以及原状黄土渗透系

数随时间的变化规律，对石太客运专线西段所取原状黄土和重塑黄土分别进行了饱和渗透试验。试验结果表明，该黄土的渗透系数随着干密度的不同，一般在

(10-4~10-6)cm/s之间变化，原状黄土的渗透系数随渗透时间的延长而呈减小的趋势，原状黄土扰动重塑后微结构破坏，干密度的变化对渗透系数影响较大，并且随着干密度的增加呈减小的趋势。Hendrayanto[22]通过现场试验确定非饱和渗透系数。

我国在非饱和土向上渗流过程中，湿润锋面随时间的迁移、含水率随试样高度的变化等方面研究已有显著成果，同时以上的研究大多是以重塑土为研究对象，对于原状土的研究报道较少。本文在前人众多研究成果基础上，选取原状非饱和离石黄土为研究对象，模拟地下水水位稳定的过程，设计试验装置，进行原状离石黄土向上渗流试验分析，提出不同天然含水率的土柱在不同管径下的渗流规律及其含水率的变化规律等内容。

参考文献：

[1]许健，牛富俊，牛永红，等．东北粘质黄土有害毛细上升高度预测研究［J］．西安建筑科技大学学报，2011，43（4）：501—506．

[2]董斌，张喜发，李欣，等．毛细水上升高度综合试验研究［J］．岩土工程学报，2008，30（10）：1569—1575．

[3]苗强强，陈正汉，田卿燕，等．非饱和含黏土砂毛细上升试验研究［J］．岩土力学，2011，32（1）：327—333．

[4]刘小平．非饱和土路基水作用机制及其迁移特性研究［D］．长沙：湖南大学，2008．

[5]李锐，李文光，陈善雄．基于Geo—slpoe的膨胀土路基毛细水上升分析［J］．华中科技大学学报（城市科学版），2006，23（1）：36—39．

[6]王有昌，付强．红黏土毛细水上升影响因素对比试验研究［J］．公路与汽运，2011，（3）：100—104．

[7]夏宁，黄琴龙．长江口细砂毛细水上升高度试验研究［J］．粉煤灰综合利用，2009（6）．

[8]陈义民，张喜发，张冬青，等．季冻区公路路基土有害毛细水上升高度综合试验研究［J］．冰川冻土，2008，30（4）．

[9]李自祥，杨成斌，杨阳．盐渍土中毛细水上升高度研究［J］．安徽建筑，2012（3）．

[10]王丁费，良军．层状土壤上升毛管水运移特性试验研究［J］．地下水，2009，31（1）．

[11]张平，吴昊，殷洪建，等．颗粒级配对毛细水上升影响的研究［J］．节水灌溉，2010（7）．

[12]贝尔．多孔介质流体动力学［J］．北京：中国建筑工业出版社，1983．

[13]黄义，张引科．非饱和土土–水特征曲线和结构强度理论［J］．岩土力学，2002（3）．

[14]陈辉，韦昌富，陈芳芳，等．非饱和土土–水特征曲线预估方法研究［J］．岩土力学，2013

[15]刘翠然，李红帅，贺鹏程．非饱和土的土–水特征曲线的试验研究及应用［J］．云南水力发电，2005（1）．

[16]刘艳华，龚壁卫，苏鸿．非饱和土的土水特征曲线研究［J］．工程勘察，2002（3）．

[17]BLUM A，FLAMMER I，FRIEDLI T，et al．Acoustic tomography applied to water flow in unsaturated soils［J］．Vadose Zone Journal，2004，（3）：288—299．

[18]李永乐，刘翠然，刘海宁，等．非饱和土的渗透特性试验研究［J］．岩石力学与工程学报，2004（22）．

[19]梁爱民，刘潇．非饱和土渗透系数的试验研究［J］．井冈山大学学报(自然科学版)，2012（2）．

[20]高永宝，刘奉银，李宁．确定非饱和土渗透特性的一种新方法［J］．岩石力学与工程学报，2005（18）．

[21]王辉，岳祖润，叶朝良．原状黄土及重塑黄土渗透特性的试验研究［J］．石家庄铁道学院学报(自然科学版)，2009（2）．

[22]HENDRAYANTO，KOSUGI K，MIZUYAMA T．Field determination of unsaturated hydraulic conductivity of forest soils［J］．Journal of Forest Research，1998，3：11—17．

三、研究内容、研究方法与技术路线

（一）研究内容

1、设计试验装置，依据试验目的参照马氏瓶恒压供水原理、毛细水上升原理在达西渗透装置的基础上改进试验装置及仪器，并进行仪器的安装与调试；

2、测定不同天然含水率的原状非饱和离石黄土的天然物理力学指标—天然含水率、天然密度、塑限、液限等基本参数；

3、完成原状非饱和离石黄土6个试样的向上渗流试验，测定湿润锋面上升高度、渗流速度、补水筒水面下降高度、土柱渗流试验结束后自下而上不同断面处的含水率，并做好摄像、拍照、记录工作，具体工作安排如下：

总共准备三组不同天然含水率的土样，每组各3个。取样筒的尺寸分别为4.1cm ×25cm、5.6cm×25cm。每组原状非饱和离石黄土土柱压强水头为15cm，历时1、2、3、4、5、6、7、8min......条件下，记录补水筒水面下降高度和湿润锋面上升高度，测定土柱湿润锋面上升高度与时间的关系、补水筒水面下降高度与时间的关系和试验终态时土柱自上而下不同断面处的含水率。

对比试验数据：（1）分析原状非饱和离石黄土的吸水量随时间的变化规律；（2）分析湿润锋面上升速度对土柱吸水量的影响；（3）分析天然含水率对原状非饱和离石黄土吸水量的影响；（4）分析原状非饱和离石黄土土柱底部与水面的接触面积对

土柱吸水量的影响；（5）土柱底部与水面的接触面积对土柱湿润锋面上升速度的影响；（6）分析水压与毛细作用共同影响下的原状非饱和离石黄土向上渗流规律；（7）分析试验结束后土柱自上而下含水率的变化规律。

4、整理试验数据，绘制不同条件下离石黄土向上渗流参数关系曲线图。

根据试验基本原理，参考有关试验装置及文献，设计调压吸水试验仪器如图1所示：

图1非饱和土恒压吸水试验仪

仪器装置及名称：

1有机玻璃管（取样筒及试验筒）

②刻度纸

③水晶板支架

④止水夹

⑤进排气口

⑥供水口

⑦进水口

⑧补水筒

⑨铁架台

图2补水筒结构图（三）技术路线

图6技术路线框图

三、开展论文(设计)工作已具备的条件正文（所需资料、实验条件、上机条件等）

1、针对研究对象及研究内容，已准备书籍：《第四纪地貌学》、《黄土学》、《黄

土地区工程地质》、《工程岩土学》，并下载相关论文百余篇；

2、试验经费充足，试验大纲初步完成，仪器设备就绪；

3、学校图书馆可供上机。

四、毕业设计(论文)工作进度

2月1日——2月30日资料收集设计试验方案

3月1日——3月20日编写试验大纲，准备试验器材，研制试验装置

3月20日——4月9日试验设备安装、调试

4月9日——4月20日现场采样、室内试验

4月21日——5月20日试验数据全面分析

5月21日——5月30日论文草稿

6月1日——6月10日论文定稿

五、预期成果（或达到的目标）

1、得到离石黄土含水率、重度、孔隙度、液限、塑限5个基本参数，汇总土工实验数据表；

2、得到离石黄土6个试样的渗透试验的流程录像、照相资料，编绘管径分别为4.1cm、5.6cm条件下湿润锋面上升高度—时间关系、补水筒水面下降高度—时间关系、含水率—试样高度关系曲线图；

3、分析研究、完成学术论文。

指导教师意见难度份量

综合训

练程度

是否隶属科

研项目

指导教师签字:____________

2014年3月日

系

审

核

意

见

教学主任签字:____________

2014年3月日

毕业设计（论文）任务书

姓名汤廉超学号1009040119专业及班级地质1001班

设计（论文）题目：非饱和土恒压吸水试验研究

完成日期：2014年6月5日

具体要求：

1、设计试验装置；

2、测定离石黄土含水率、重度、孔隙度、液限、塑限5个基本参数；

3、完成离石黄土试样的渗流试验，探索水压对黄土向上渗流速度的影响；

测定湿润锋面形状及其在不同条件的变化规律。

编制图件：

1、不同天然含水率条件下，湿润锋面的上升高度与时间的关系(3个图，H—T)；

2、补水筒水面下降高度与时间的关系（3个图，H—T）；

3、不同天然含水率条件下，含水率与试样关系（3个图，W—H）。

指导教师职称：

(填写任务书日期)2014年3月日

院系

部审

核意

见

教学院长（主任）_______________（签名）