本發(fā)明屬于土路基模型實(shí)驗(yàn)
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基的變形模擬裝置及模擬方法。
背景技術(shù)：
：脹縮性土是指土中黏粒主要成分為親水性礦物，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮變形特性的黏性土，主要以膨脹土和脹縮性紅黏土的形式存在。脹縮性土在我國(guó)20多個(gè)省市均有分布，而在西南部的廣西、貴州、云南和四川分布尤為集中。由于脹縮性土的工程特性對(duì)氣候變化特別敏感，在干濕交替頻繁的氣候環(huán)境下常引發(fā)建筑物變形、邊坡失穩(wěn)、路面開(kāi)裂、隆起等工程災(zāi)害。以廣西為例，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，脹縮性土已造成廣西數(shù)百萬(wàn)平米的建筑物受損，使已建成的公路、鐵路等交通設(shè)施的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元，其病害已成為廣西自治區(qū)的主要工程地質(zhì)災(zāi)害之一，影響大量基礎(chǔ)工程設(shè)施的建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的改善。脹縮性土因其特殊的礦物組成，對(duì)水分的敏感性特別強(qiáng)，在干濕交替頻繁的氣候環(huán)境中，工程特性變化很大，抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的“變動(dòng)”特性。與此同時(shí)，脹縮性土典型的裂隙性對(duì)其強(qiáng)度衰減和變形特性具有強(qiáng)烈的影響；例如，含水量變化引起土體脹縮變形達(dá)到一定程度時(shí)，土中產(chǎn)生裂隙；裂隙的存在破壞土的整體性，降低了強(qiáng)度，同時(shí)便于土中水分遷移，使得脹縮性更為顯著。廣西處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)域，炎熱多雨，干濕交替頻繁，同時(shí)，膨脹土和紅粘土在廣西全區(qū)范圍內(nèi)廣泛分布。因此，開(kāi)展干濕交替環(huán)境下脹縮性土的強(qiáng)度和變形研究是一項(xiàng)非常有意義的工作。目前關(guān)于土體干濕循環(huán)效應(yīng)的研究工作大部分都是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成：例如，王國(guó)利等通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)下膨脹土邊坡的變形和穩(wěn)定性；楊和平等通過(guò)室內(nèi)干濕循環(huán)模擬試驗(yàn)研究了干濕循環(huán)效應(yīng)對(duì)膨脹土抗剪強(qiáng)度的影響；劉義虎等對(duì)干濕循環(huán)下水對(duì)膨脹土路基的破壞機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究；呂海波等通過(guò)南寧地區(qū)原狀膨脹土的干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了抗剪強(qiáng)度與各循環(huán)控制參數(shù)的關(guān)系，并利用壓汞試驗(yàn)測(cè)定了膨脹土干濕循環(huán)過(guò)程中的孔徑分布；趙艷林等通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了膨脹土脹縮變形指標(biāo)的變化規(guī)律。但是室內(nèi)試驗(yàn)由于采用的試驗(yàn)控制參數(shù)不同，由此得到的結(jié)果有時(shí)差異較大，如循環(huán)后膨脹率的變化、達(dá)到強(qiáng)度參數(shù)衰減穩(wěn)定的循環(huán)次數(shù)等。事實(shí)上膨脹土力學(xué)性質(zhì)變化與干濕路徑密切相關(guān)，在多種循環(huán)方式作用下的強(qiáng)度衰減和脹縮變形必然有明顯差異。一部分研究者也進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位觀(guān)測(cè)，如包承剛、劉觀(guān)仕、孔令偉等，但是由于現(xiàn)場(chǎng)的氣象因素、試驗(yàn)對(duì)象邊界條件以及土層分布的不確定性，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理論模型之間產(chǎn)生偏差，并且偏差將隨時(shí)間增加而放大。在實(shí)際工程中，脹縮性土造成的破壞具有多發(fā)性、反復(fù)性和長(zhǎng)期性的特點(diǎn)。為弄清脹縮性土的成災(zāi)機(jī)理，建立合理的理論模型，進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)是一項(xiàng)非常有意義的研究工作。室內(nèi)模型試驗(yàn)根據(jù)相似理論，采用類(lèi)似于實(shí)際工程的小尺寸模型，嚴(yán)格控制邊界條件和環(huán)境參數(shù)，對(duì)自然氣候下的實(shí)際工程進(jìn)行各種工況下的試驗(yàn)?zāi)M，最大限度的接近于工程實(shí)踐，可有效克服室內(nèi)試驗(yàn)的控制參數(shù)不同導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果差異較大的缺點(diǎn)；同時(shí)，較之現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)試驗(yàn)，室內(nèi)模型試驗(yàn)具備邊界條件明確、環(huán)境參數(shù)可控的優(yōu)點(diǎn)，是聯(lián)系理論模型與實(shí)際工程的橋梁。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基的變形模擬裝置，解決了1)室內(nèi)試驗(yàn)由于采用的試驗(yàn)控制參數(shù)不同，由此得到的結(jié)果有時(shí)差異較大；2)現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)由于現(xiàn)場(chǎng)的氣象因素、試驗(yàn)對(duì)象邊界條件以及土層分布的不確定性，會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與理論模型之間產(chǎn)生偏差，并且偏差將隨時(shí)間增加而放大的問(wèn)題。盡可能的模仿真實(shí)環(huán)境下的土體脹縮變化，從而為相似土體中的路基護(hù)理提供更有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)方法，具有重大的研究?jī)r(jià)值和工業(yè)價(jià)值。本發(fā)明的另一目的是，提供一種干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基的變形模擬裝置的模擬方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基的變形模擬裝置，包括一路基模型(1)，路基模型(1)設(shè)在用于調(diào)節(jié)溫度和濕度的環(huán)境發(fā)生器內(nèi)的實(shí)驗(yàn)槽中，路基模型(1)的填筑土為干密度1.27g/cm3、粒徑小于10mm的紅粘土，路基模型(1)的上方安裝噴淋式降雨裝置，路基模型(1)的下方設(shè)有粗砂排水層(5)；TDR探管(4)與路基模型(1)的土體表面垂直，TDR探管(4)延路基模型(1)的長(zhǎng)度方向等間距布設(shè)成一列，相鄰的TDR探管(4)底端不在同一平面；在路基模型(1)的不同深度處分別埋設(shè)沉降板(2)，所有沉降板(2)延路基模型(1)的長(zhǎng)度方向等間距布設(shè)成一列，沉降板(2)由底板和連接管構(gòu)成，底板水平、連接管豎直，連接管連接測(cè)桿(8)，測(cè)桿(8)延伸出路基模型(1)的土體表面，所有測(cè)桿(8)均與3cm量程百分表連接；沉降板(2)所在列與TDR探管(4)所在列間隔一定距離；溫度傳感器(3)布設(shè)在路基模型(1)內(nèi)、沉降板(2)所在列與TDR探管(4)所在列之間，在路基模型(1)不同深度處分別布設(shè)溫度傳感器(3)，所有溫度傳感器(3)處于同一垂直線(xiàn)上，溫度傳感器(3)之間通過(guò)電纜線(xiàn)(6)連接，電纜線(xiàn)(6)露出土體表面的端部設(shè)有測(cè)試端口(7)。進(jìn)一步的，所述路基模型(1)為方形。進(jìn)一步的，所述TDR探管(4)的型號(hào)為T(mén)RIME-T3，所述溫度傳感器(3)的型號(hào)為KLZT-5085。進(jìn)一步的，所述沉降板(2)的底板尺寸：長(zhǎng)200mm×寬200mm、厚3～5mm，所述連接管為防銹處理后的鍍鋅鋼管，連接管的規(guī)格為0.4m、0.8m、1.2m和1.6m，路基模型(1)土體表面處的沉降板(2)不設(shè)連接管。進(jìn)一步的，所述路基模型(1)的尺寸為長(zhǎng)3m×寬1.6m×高1.9m，粗砂排水層(5)高20cm；所述沉降板(2)所在列與所述TDR探管(4)所在列間隔距離為60cm，所述溫度傳感器(3)與沉降板(2)所在列的水平距離為30cm，溫度傳感器(3)與路基模型(1)短邊一側(cè)的水平距離為100cm，溫度傳感器(3)分別在路基模型(1)的土體表面以下10cm、20cm、40cm、70cm、110cm、130cm、150cm和190cm深度處布設(shè)；所述沉降板(2)分別在距路基模型1土體底部0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、1.9m處埋設(shè)，沉降板(2)的水平間距均為50cm；所述TDR探管(4)的水平間距均為100cm。進(jìn)一步的，所述環(huán)境發(fā)生器的溫度范圍為：-30～+80℃；從+30℃降溫至-20℃的時(shí)間不大于240min；濕度范圍：0～100％。一種干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基的變形模擬裝置的模擬方法，具體按照以下步驟進(jìn)行：步驟1，確定當(dāng)?shù)氐脑陆涤炅亢驮抡舭l(fā)量數(shù)據(jù)；步驟2，降雨過(guò)程：利用路基模型(1)上方的噴淋式降雨裝置控制每次降雨速率、降雨時(shí)間，直至路基模型1的土體充分飽和；每次降雨后采用TDR探管(4)測(cè)定路基模型(1)土體的含水量分布、采用沉降板(2)和3cm量程百分表測(cè)定路基模型(1)土體的變形情況；步驟3，蒸發(fā)過(guò)程：以降雨后的土體作為初始狀態(tài)，設(shè)定環(huán)境發(fā)生器的溫度、濕度，連續(xù)蒸發(fā)，月蒸發(fā)量作為蒸發(fā)終止條件；蒸發(fā)過(guò)程中采用溫度傳感器(3)觀(guān)測(cè)路基模型(1)土體的溫度、采用TDR探管(4)觀(guān)測(cè)路基模型(1)土體的含水量、采用沉降板(2)和3cm量程百分表觀(guān)測(cè)路基模型(1)土體的變形情況；步驟4，降雨過(guò)程和蒸發(fā)過(guò)程交替進(jìn)行，直至達(dá)到月蒸發(fā)量則蒸發(fā)終止。進(jìn)一步的，所述步驟2中每次降雨速率為20mm/h、降雨時(shí)間為15分鐘。進(jìn)一步的，所述步驟3中，連續(xù)蒸發(fā)的時(shí)間為月蒸發(fā)量與日蒸發(fā)量的比值，當(dāng)土體蒸發(fā)時(shí)，日蒸發(fā)量由式(1)計(jì)算：式中：E——日蒸發(fā)量，mm/d；Γ——飽和蒸氣壓和溫度關(guān)系曲線(xiàn)的斜率kPa/℃；Qn——土表面凈輻射量，mm/d；η——為濕度常數(shù)66Pa/℃；Ea——為干燥力，mm/d；A——為土表面相對(duì)濕度的倒數(shù)；將土體表面變成自由水面時(shí)，式(1)中A變成100％，即A＝1，此時(shí)式(1)簡(jiǎn)化為式(2)：整理后有：其中為與溫度有關(guān)的無(wú)量綱數(shù)，與溫度的關(guān)系查詢(xún)《土壤水動(dòng)力學(xué)》雷志棟編P200的表5.3得到。進(jìn)一步的，所述步驟3中，環(huán)境發(fā)生器的溫度設(shè)定為40℃、濕度設(shè)定為50％。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明以環(huán)境發(fā)生器為技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合土壤水能量理論，運(yùn)用加速試驗(yàn)理論，確定室內(nèi)模型試驗(yàn)的環(huán)境模擬控制因素；采用TDR探管、溫度傳感器、沉降板、3cm量程百分表測(cè)定路基模型的土體參數(shù)，測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確可靠，對(duì)深入研究干濕交替環(huán)境下脹縮性土路基變形具有重要意義；提出干濕交替環(huán)境下脹縮性土的災(zāi)變機(jī)理，為室內(nèi)試驗(yàn)、理論模型與實(shí)際工程的聯(lián)系建立一個(gè)橋梁，可有效地解決干濕交替環(huán)境下脹縮性土相關(guān)災(zāi)變問(wèn)題；同時(shí)，可為相似工程提供一種有效的研究方法和技術(shù)手段。附圖說(shuō)明為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1a是本發(fā)明實(shí)施例中TDR探管、溫度傳感器、沉降板的布設(shè)平面圖。圖1b是本發(fā)明實(shí)施例中TDR探管埋設(shè)剖面圖。圖1c是本發(fā)明實(shí)施例中溫度傳感器埋設(shè)剖面圖。圖1d是本發(fā)明實(shí)施例中沉降板埋設(shè)剖面圖。圖2是紅粘土滲透系數(shù)預(yù)測(cè)曲線(xiàn)。圖3a是蒸發(fā)初始階段土體無(wú)裂痕時(shí)各層土體含水量曲線(xiàn)。圖3b是第一次蒸發(fā)結(jié)束土體有裂痕時(shí)各層土體含水量曲線(xiàn)。圖4是土體有裂隙和無(wú)裂隙的累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化的比較。圖5是土體有裂隙和無(wú)裂隙的入滲強(qiáng)度隨時(shí)間變化的比較。圖6是第一次降雨過(guò)程中3號(hào)TDR探管附近土體內(nèi)水分入滲擬合曲線(xiàn)。圖7a是第一次降雨過(guò)程中各測(cè)試點(diǎn)隨時(shí)間的土體變形曲線(xiàn)。圖7b是第二次降雨過(guò)程中各測(cè)試點(diǎn)隨時(shí)間的土體變形曲線(xiàn)。圖8a是第一次蒸發(fā)過(guò)程中各時(shí)間點(diǎn)不同土層的溫度變化曲線(xiàn)。圖8b是第二次蒸發(fā)過(guò)程中各時(shí)間點(diǎn)不同土層的溫度變化曲線(xiàn)。圖9a是第一次蒸發(fā)過(guò)程中各測(cè)試點(diǎn)的土體變形曲線(xiàn)。圖9b是第二次蒸發(fā)過(guò)程中各測(cè)試點(diǎn)的土體變形曲線(xiàn)。圖中，1.路基模型，2.沉降板，3.溫度傳感器，4.TDR探管，5.粗砂排水層，6.電纜線(xiàn)，7.測(cè)試端口，8.測(cè)桿。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。脹縮性土的干濕循環(huán)與環(huán)境因素密切相關(guān)，因此在模型試驗(yàn)中對(duì)自然環(huán)境的模擬至關(guān)重要，特別是一些滿(mǎn)足工程應(yīng)用尺度的物理模型的尺寸較大，對(duì)環(huán)境模擬技術(shù)的要求更高。本發(fā)明以環(huán)境發(fā)生器為技術(shù)平臺(tái)，結(jié)合土壤水能量理論，運(yùn)用加速試驗(yàn)理論，確定室內(nèi)模型試驗(yàn)的環(huán)境模擬控制因素；并建立大型紅粘土路基模型，開(kāi)展脹縮性土路基的干濕變形機(jī)制的研究。1.路基模型的填筑：試驗(yàn)在環(huán)境發(fā)生器內(nèi)進(jìn)行。環(huán)境發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、降雨、風(fēng)等氣候環(huán)境變量的模擬，本試驗(yàn)主要應(yīng)用其對(duì)溫度、濕度的控制，本實(shí)驗(yàn)的降雨通過(guò)噴淋式注水裝置，利用環(huán)境發(fā)生器的降雨功能可以有效地控制降雨速率、降雨量、降雨范圍等參數(shù)。溫度范圍：-30～+80℃；降溫速度：從+30℃降溫至-20℃，時(shí)間不大于240min。試驗(yàn)槽的尺寸為5m×3m×3m，由鋼板分隔為三個(gè)尺寸相等的小試驗(yàn)槽(3m×1.6m×3m)。取其中一個(gè)小試驗(yàn)槽填筑土樣，制作路基模型1(3m×1.6m×1.9m)。填筑土樣采用紅粘土，風(fēng)干、碾碎，過(guò)10mm篩；填筑干密度控制為1.27g/cm3(天然干密度)。2.模型參數(shù)的監(jiān)測(cè)方案：TDR探管4、溫度傳感器3、沉降板2的布設(shè)平面圖，見(jiàn)圖1a，路基模型1為方形，沉降板2延路基模型1的長(zhǎng)度方向布設(shè)一列，沉降板2的水平間距均為50cm；TDR探管4延路基模型1的長(zhǎng)度方向布設(shè)一列，TDR探管4的水平間距均為100cm；沉降板2所在列與TDR探管4所在列間隔距離為60cm，溫度傳感器3布設(shè)在路基模型1內(nèi)、沉降板2所在列與TDR探管4所在列之間，溫度傳感器3與沉降板2所在列的水平距離為30cm，溫度傳感器3與路基模型1短邊一側(cè)的水平距離為100cm。1)含水量監(jiān)測(cè)，采用TRIME-T3型管式TDR土壤剖面含水量測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)埋設(shè)在路基模型1內(nèi)的TDR探管4監(jiān)測(cè)土體含水量的變化，TDR探管4埋設(shè)的剖面圖，見(jiàn)圖1b，相鄰的TDR探管4底端不在同一平面(編號(hào)為1-3號(hào))，路基模型1的下方設(shè)有高20cm的粗砂排水層5；TDR探管4的型號(hào)為T(mén)RIME-T3，主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍0～60％，精度3％以?xún)?nèi)。2)溫度監(jiān)測(cè)，溫度傳感器3的型號(hào)為KLZT-5085。根據(jù)農(nóng)學(xué)中地溫研究表明，當(dāng)深度按算術(shù)級(jí)數(shù)增加時(shí)，土壤溫度變化的振幅按幾何級(jí)數(shù)減少。因而表層溫度變化梯度更大，溫度傳感器3的埋設(shè)剖面圖，見(jiàn)圖1c，分別在路基模型1的土體表面以下10cm、20cm、40cm、70cm、110cm、130cm、150cm和190cm深度處布設(shè)8個(gè)溫度傳感器3，以加密表層深度范圍內(nèi)溫度測(cè)點(diǎn)，所有溫度傳感器3處于同一垂直線(xiàn)上，溫度傳感器3之間通過(guò)電纜線(xiàn)6連接，電纜線(xiàn)6露出土體表面的端部設(shè)有測(cè)試端口7。溫度傳感器3的主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度0.05℃，精度±0.1℃，測(cè)量范圍-45℃～+85℃，線(xiàn)性誤差0.05℃。3)沉降監(jiān)測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)采用沉降板2，沉降板2由底板和連接管構(gòu)成，連接管連接測(cè)桿8，測(cè)桿8延伸出路基模型1的土體表面；底板尺寸：長(zhǎng)200mm×寬200mm、厚3～5mm，連接管可用鍍鋅鋼管(做防銹處理)。連接管按埋設(shè)要求做成0.4m、0.8m、1.2m、1.6m四個(gè)規(guī)格，路基模型1土體表面的沉降板2可不用連接管。埋設(shè)方法：考慮到模型的尺寸，過(guò)多的沉降板2務(wù)必影響到路基模型1填筑的質(zhì)量，故只監(jiān)測(cè)5個(gè)分層厚度，即40cm為一分層。當(dāng)填土到0.4m、0.8m、1.2m、1.6m、1.9m高度時(shí)，按圖1d中的設(shè)定位置埋設(shè)沉降2板，埋設(shè)過(guò)程需保證沉降板2的底板水平，連接管豎直。測(cè)試方法：在路基模型1的內(nèi)壁上固定一根鋼管，將磁性表座固定在鋼管上，在磁性表座上安裝3cm量程百分表，所有測(cè)桿8均與3cm量程百分表連接；通過(guò)百分表讀數(shù)監(jiān)測(cè)土體變形。3.環(huán)境模擬控制因素的設(shè)定：1)南寧地區(qū)的歷年氣候資料：《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GBJ112-87)附錄二中國(guó)部分地區(qū)的蒸發(fā)力及降雨量表，得南寧地區(qū)的全年蒸發(fā)量與降雨量，見(jiàn)表1。表1南寧地區(qū)的全年蒸發(fā)量與降雨量表1表明，5～8月為南寧的雨季，降雨量占全年的63.02％，蒸發(fā)量占全年的52.78％，降雨量大于蒸發(fā)量，土壤水分運(yùn)動(dòng)以降雨入滲為主；9～12月為南寧的干季，這4個(gè)月的降雨量只占全年的19.13％，蒸發(fā)量卻占全年的28.06％，蒸發(fā)量大于降雨量，土壤水分運(yùn)動(dòng)以蒸發(fā)為主。2)Penman公式計(jì)算自由水面日蒸發(fā)量：當(dāng)土體蒸發(fā)時(shí)，日蒸發(fā)量可由Penman-Wilson公式，即式(1)計(jì)算：式中：E——日蒸發(fā)量，mm/d；?！柡驼魵鈮汉蜏囟汝P(guān)系曲線(xiàn)的斜率kPa/℃；Qn——土表面凈輻射量，mm/d；η——為濕度常數(shù)66Pa/℃；Ea——為干燥力，mm/d；A——為土表面相對(duì)濕度的倒數(shù)。將土體表面變成自由水面時(shí)，式(1)中A(相對(duì)濕度的倒數(shù))就變成100％，即A＝1，此時(shí)Penman-Wilson退化成傳統(tǒng)的Penman公式，即式(2)：整理后有：其中為與溫度有關(guān)的無(wú)量綱數(shù)，其與溫度的關(guān)系可查詢(xún)《土壤水動(dòng)力學(xué)》(雷志棟編)P200的表5.3。試驗(yàn)環(huán)境下，Qn可忽略不計(jì)，主要計(jì)算為Ea，Ea＝0.26(es2-e2)(1+0.54u2)，其中(es2-e2)為2米高度處的飽和差(100Pa)；u2為2m高度處的風(fēng)速。3)自由水面蒸發(fā)量試驗(yàn)：為了驗(yàn)證Penman公式估算自由水面蒸發(fā)量的偏差，同時(shí)也為后期的環(huán)境模擬參數(shù)的設(shè)置提供參考，先在恒溫恒濕箱里做自由水面蒸發(fā)量試驗(yàn)。恒溫恒濕箱設(shè)置溫度為40℃，濕度按30％、40％、50％、60％、70％、80％進(jìn)行，測(cè)出不同濕度下的日蒸發(fā)量。蒸發(fā)皿采用5種不同直徑：6.8cm(250ml燒杯)、9.2cm(600ml燒杯)、10.7cm(1000ml燒杯)、13.1cm(2000ml燒杯)、19cm(5000ml大燒杯)，同時(shí)裝水稱(chēng)重，放進(jìn)恒溫恒濕箱蒸發(fā)1晝夜，取出稱(chēng)重，換算出自由水面日蒸發(fā)量。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。表2不同濕度下的自由水面日蒸發(fā)量由表2可得初步規(guī)律：1)隨著濕度的增加，日蒸發(fā)量呈遞減的趨勢(shì)；2)蒸發(fā)皿的直徑對(duì)日蒸發(fā)量有一定的影響，11～19cm段蒸發(fā)量基本保持恒定值。為了模型試驗(yàn)中對(duì)自由水面蒸發(fā)量測(cè)定的方便和精確，故選擇2000ml燒杯(直徑13.1cm)作為蒸發(fā)皿。將溫度和濕度(干燥力Ea)值代入式(3)，得各種溫度和濕度下的自由水面日蒸發(fā)量估算值，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，見(jiàn)表3。表3自由水面蒸發(fā)量估算值與實(shí)測(cè)值從表3可知，恒溫恒濕箱控制溫度40℃，濕度依次為30％、40％、50％、60％、70％、80％時(shí)，按Penman公式計(jì)算，不考慮風(fēng)速，理論值與實(shí)測(cè)值偏差很大?？紤]到恒溫恒濕箱內(nèi)一直有吹風(fēng)，使箱內(nèi)溫度和濕度達(dá)到均勻；因此需考慮風(fēng)速的影響，后用風(fēng)杯式風(fēng)速表測(cè)定，箱內(nèi)平均風(fēng)速為1.6m/s?？紤]風(fēng)速(1.6m/s)的影響，采用Penman公式重新計(jì)算，理論值與實(shí)測(cè)值比較吻合。結(jié)論：可以采用式(3)(Penman公式)對(duì)自由水面日蒸發(fā)量進(jìn)行估算，但必須根據(jù)實(shí)際情況確定是否考慮風(fēng)速的影響。環(huán)境發(fā)生器和恒溫恒濕箱具有相同的原理，但后者空間小，所以必須考慮風(fēng)速的影響；前者是否應(yīng)該考慮風(fēng)速的影響，需要根據(jù)測(cè)定的風(fēng)速而定。4)環(huán)境因素施加方案：結(jié)合上述1)、2)和3)討論的內(nèi)容，運(yùn)用加速試驗(yàn)理論，可確定模型試驗(yàn)環(huán)境因素的施加方案：以9月、10月、11月、12月四個(gè)月的降雨量和蒸發(fā)量為環(huán)境控制因素。降雨過(guò)程：控制降雨速率(20mm/h)，不控制降雨量，讓土體充分飽和。蒸發(fā)過(guò)程：以降雨后的土體作為初始狀態(tài)，施加環(huán)境影響(模擬夏季自然界氣候選擇溫度40℃，濕度50％)，連續(xù)蒸發(fā)，月蒸發(fā)量作為蒸發(fā)終止條件。則由Penman公式計(jì)算控制的蒸發(fā)試驗(yàn)所需時(shí)間見(jiàn)表4。表4各次循環(huán)的連續(xù)蒸發(fā)時(shí)間模擬月份9月10月11月12月月總蒸發(fā)量(mm)101.981.746.135.3Penman公式估算日蒸發(fā)量(mm/d)8.168.168.168.16連續(xù)蒸發(fā)時(shí)間(d)12.5105.54利用式(3)對(duì)環(huán)境發(fā)生器中的自由水面蒸發(fā)量進(jìn)行估算，經(jīng)測(cè)定，環(huán)境發(fā)生器內(nèi)處于密閉狀態(tài)，基本不要考慮風(fēng)速的影響。4.試驗(yàn)結(jié)果及分析：1)紅粘土的入滲特性：裂隙性是紅粘土的一個(gè)重要特征，它對(duì)強(qiáng)度衰減和變形特性有強(qiáng)烈的影響。含水量的變化引起土體脹縮變形達(dá)到一定程度時(shí)，土中產(chǎn)生裂隙；裂隙的存在破壞了土體的整體性，減低了強(qiáng)度，同時(shí)便于土中水分遷移，使得脹縮性能更加顯著。另外，裂隙性質(zhì)會(huì)極大的影響土體滲透性，紅粘土在入滲吸濕過(guò)程中，土體內(nèi)部形成優(yōu)先流，滲透系數(shù)很大，同時(shí)隨著吸濕程度的增加，原先已開(kāi)裂的裂隙也逐漸閉合，這時(shí)路基模型1的土體成為連續(xù)介質(zhì)，土體的滲透系數(shù)減小。非飽和土滲透系數(shù)的測(cè)定可在試驗(yàn)室或在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)原位方法利用了現(xiàn)場(chǎng)土的不均勻性和各向異性使?jié)B透系數(shù)的原位測(cè)試優(yōu)于室內(nèi)試驗(yàn)，通常在非飽和土中存在的裂隙、斷裂、張裂縫及根孔等不可能在試驗(yàn)室用小試件得到其代表性，此外，試驗(yàn)室試件還受到取樣擾動(dòng)的影響。除了直接測(cè)量滲透系數(shù)外，還可采用間接方法對(duì)非飽和滲透系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。比如，可以利用土水特征曲線(xiàn)預(yù)測(cè)非飽和土滲透系數(shù)。本文采用Fredlund和Xing(1994)法預(yù)測(cè)，此法采用土水特征曲線(xiàn)公式，見(jiàn)式(4)：其中：ψave是土體的進(jìn)氣值；ψr是相應(yīng)于殘余含水量θr的吸力；θr可認(rèn)為是土水特征曲線(xiàn)的一個(gè)折點(diǎn)；θ′是對(duì)吸力的微分；y是代表吸力的積分變量；θ代表體積含水率，ψ代表基質(zhì)吸力為了計(jì)算的方便，我們對(duì)吸力采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)范圍內(nèi)積分，則式(4)可轉(zhuǎn)化為：y表示基質(zhì)吸力對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的積分變量，b＝In(1000000)。由式(5)以及紅粘土的土水特征曲線(xiàn)可得出非飽和紅粘土的滲透系數(shù)，如圖2所示。模型試驗(yàn)中，采用雙環(huán)滲透試驗(yàn)測(cè)量土的滲透系數(shù)，試驗(yàn)分別在土體蒸發(fā)前的初始階段、第一次干濕循環(huán)蒸發(fā)階段結(jié)束時(shí)，對(duì)1號(hào)TDR探管4的位置進(jìn)行入滲。試驗(yàn)所使用的雙套環(huán)滲透儀的外環(huán)直徑為45.2cm，內(nèi)環(huán)直徑為22.6cm，內(nèi)外環(huán)高均為15cm。在內(nèi)外環(huán)體內(nèi)側(cè)標(biāo)記刻度，內(nèi)外環(huán)體下部均設(shè)刃口，方便插入土體并防止邊壁滲漏。滲透系數(shù)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SDS01-79)，按下式計(jì)算滲透系數(shù)值：其中，k為滲透系數(shù)(cm/s)；Q為滲透流量(cm3/s)；A為內(nèi)環(huán)面積(400cm2)，H1為試驗(yàn)時(shí)水的入滲深度(cm)，H2為貯水坑中水的深度(cm)，H3為相當(dāng)于作用毛細(xì)管力的水柱高度(cm)，H3根據(jù)不同土質(zhì)查表取值。進(jìn)行雙環(huán)滲透試驗(yàn)初，測(cè)量表層土體的體積含水量，然后進(jìn)行入滲，求得表土的初始滲透系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。表5無(wú)裂隙和裂隙存在時(shí)土體的原位滲透系數(shù)比較無(wú)裂隙和有裂隙兩種狀況條件下的滲透系數(shù)，可知裂隙存在條件土體的含水量均比無(wú)裂隙時(shí)小，但滲透系數(shù)卻大很多，這與圖2滲透系數(shù)曲線(xiàn)結(jié)果明顯矛盾。實(shí)際上，上述試驗(yàn)和計(jì)算方法得出的土體滲透系數(shù)是基于土體為連續(xù)介質(zhì)，而實(shí)際工程中，高吸力對(duì)應(yīng)的土體含水率較低，土體表面開(kāi)裂嚴(yán)重，土體已不能用連續(xù)介質(zhì)理論來(lái)描述。裂隙的大量存在，導(dǎo)致土體內(nèi)部形成不同程度的優(yōu)先流，造成現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)滲透系數(shù)偏大。測(cè)量初始階段1號(hào)TDR探管4附近土體水分入滲，變化曲線(xiàn)如圖3a-3b所示；比較在無(wú)裂隙和裂隙存在條件下土體裂隙的入滲可知，1號(hào)TDR探管4對(duì)應(yīng)為212分鐘、16分鐘，路基模型1的土體各層達(dá)到飽和時(shí)的時(shí)間比無(wú)裂隙時(shí)短很多。由于裂隙存在導(dǎo)致土體產(chǎn)生優(yōu)先流，土體迅速飽和。由于裂隙貫穿整個(gè)土層，使水沿著裂隙流入到土體深部，造成所測(cè)土體各層含水量基本相近，達(dá)到飽和。土體有裂隙和無(wú)裂隙的累計(jì)入滲量隨時(shí)間變化的比較，見(jiàn)圖4；土體有裂隙和無(wú)裂隙的入滲強(qiáng)度隨時(shí)間變化的比較，見(jiàn)圖5；由圖4、圖5可知，在初始狀態(tài)無(wú)裂隙條件下，同一時(shí)間，土體的水分入滲量遠(yuǎn)小于裂隙存在條件的入滲量，這是因?yàn)榱严兜拇嬖冢雇馏w入滲形成優(yōu)先流，造成入滲量增大很多。而由于紅粘土的弱脹縮性，造成土體入滲后期，裂隙并不完全閉合，所以其入滲強(qiáng)度仍維持較高水平(0.1cm/min)，所以累計(jì)入滲量仍有較快增長(zhǎng)。2)降雨過(guò)程：噴淋式注水裝置模擬降雨，按降雨強(qiáng)度(20mm/h)降雨15分鐘，根據(jù)平均月降雨量確定；選擇20mm/h、15分鐘使降雨強(qiáng)度和時(shí)間適當(dāng)，有利于水分入滲，不在路基表面聚集。)，停止，測(cè)3號(hào)TDR探管4的含水量分布；繼續(xù)降雨15分鐘，停止，測(cè)3號(hào)TDR探管4的含水量分布和變形讀數(shù)；循環(huán)進(jìn)行，直到路基模型1的土體含水量基本達(dá)到飽和。降雨過(guò)程中，監(jiān)測(cè)3號(hào)TDR探管4附近土體含水量的變化。第一次降雨過(guò)程中3號(hào)TDR探管4附近土體含水量分布數(shù)據(jù)見(jiàn)表6，第一次降雨過(guò)程中3號(hào)TDR探管4附近土體內(nèi)水分入滲擬合曲線(xiàn)見(jiàn)圖6；各測(cè)點(diǎn)的飽和時(shí)間見(jiàn)表7。表6第一次降雨過(guò)程中3號(hào)TDR探管附近土體含水量分布表7各測(cè)點(diǎn)飽和時(shí)間深度(m)降雨累計(jì)時(shí)間(min)累計(jì)入滲時(shí)間(min)0.245650.4751350.6901730.81202471.01503041.21803621.42103991.62254401.8225440各沉降板2埋設(shè)深度：1#——表層，2#——0.3m，3#——0.7m，4#——1.1m，5#——1.5m。降雨過(guò)程中，膨脹為正，沉降為負(fù)。第一次、第二次降雨過(guò)程中土體的變形情況，見(jiàn)圖7a-7b。從圖7a-7b可以看出：1)第一次降雨過(guò)程，土體發(fā)生膨脹變形，但變形量不大，最大值為0.25mm。隨后土體發(fā)生沉降變形，最大值為0.865mm。土體發(fā)生膨脹的主要原因是土體吸水后體積增大，推測(cè)沉降的原因是土體吸水后重度增大。2)經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)后，土體在降雨過(guò)程中發(fā)生的膨脹變形明顯增大，且變形量與土層厚度明顯有關(guān)，最大值為4.3mm，最小值為0.41mm。土體發(fā)生膨脹的主要原因是土體經(jīng)過(guò)一次蒸發(fā)過(guò)程，含水量降低，降雨過(guò)程中土體吸水后體積膨脹。3)蒸發(fā)過(guò)程：在蒸發(fā)過(guò)程中，觀(guān)測(cè)了路基模型1的土體溫度、含水量、變形量的變化，測(cè)定了每天的自由水面蒸發(fā)量和表土蒸發(fā)量。第一次蒸發(fā)過(guò)程：從12月25日11：00開(kāi)始實(shí)施環(huán)境因素，至1月6日23:00終止，共12.5天。第二次蒸發(fā)過(guò)程：從1月9日11：00開(kāi)始實(shí)施環(huán)境因素，至1月18日11:00終止，第二次蒸發(fā)過(guò)程共10天。溫度測(cè)定按每天9:00、15:00、21:00三個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，變化趨勢(shì)見(jiàn)圖8a-8b，選取每天9點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總成表8、表9。表8第一次蒸發(fā)過(guò)程中每天9點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)表9第二次蒸發(fā)過(guò)程中每天9點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)深度(m)蒸發(fā)初始狀態(tài)蒸發(fā)第3天蒸發(fā)第5天蒸發(fā)第7天蒸發(fā)第9天蒸發(fā)結(jié)束1.925.125.425.625.625.825.81.525.425.826.026.026.126.31.326.026.326.326.326.526.81.126.626.726.526.626.927.20.728.026.827.428.128.729.10.425.127.028.629.630.330.70.221.129.130.831.632.132.50.120.330.732.032.532.833.1由圖8a-8b和表8-9可知，溫度隨著蒸發(fā)過(guò)程的持續(xù)，逐漸向模型底部傳遞。表層土體變化大，從20.3℃變化到33.1℃，變化幅度12.8℃；深部土體變化較小，從25.1℃變化到25.8℃，變化幅度0.7℃。蒸發(fā)過(guò)程中土體的變形情況，見(jiàn)圖9a-9b。蒸發(fā)過(guò)程中，以沉降為正，膨脹為負(fù)。從圖9a-9b可以看出，第一次蒸發(fā)過(guò)程土體最大沉降量為3.48mm，第一次蒸發(fā)過(guò)程土體最大沉降量為5.2mm。表層沉降比較明顯，底部沉降不明顯，與大氣影響深度有關(guān)。在環(huán)境因素終止后，土體沉降迅速增大，與測(cè)桿的熱脹冷縮有關(guān)。需要說(shuō)明的是，在本文中，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3