土水特征的试验研究及概率分析.pdf
《土水特征的试验研究及概率分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《土水特征的试验研究及概率分析.pdf(12页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、【目的】土水特征曲线(SWCC)是非饱和土力学中的重要曲线,用于表征土体吸力-含水率的关系。而土水特征试验往往耗时耗力,提高SWCC试验效率具有现实意义。【方法】联合采用渗析法与滤纸法可获取全吸力范围内的SWCC。为了在确保试验精度的前提下提高试验效率,以合肥地区黏性土为研究对象,在大量试验研究的基础上,采用4种方案对渗析法与滤纸法的试验数据点进行组合(渗析法及滤纸法所有数据点;渗析法数据点;渗析法所有数据点及一个低吸力的滤纸法数据点;渗析法所有数据点及一个高吸力的滤纸法数据点),研究数据组合方案对SWCC拟合结果的影响。【结果】结果显示:最优的数据组合方案是渗析法所有数据点加上滤纸法的最高吸
2、力点;与基于所有试验数据点的方法相比,二者SWCC拟合参数的统计特征十分接近。在此基础上,计算得到了合肥地区4个工地的黏性土SWCC参数的概率统计特征。【结论】结果表明:需要进行大量SWCC试验时,在不影响试验精度的情况下,可减少滤纸法的试验数据点,采用渗析法所有数据点及一个高吸力的滤纸法数据点的方案以获取SWCC,可有效提高试验效率。关键词:土水特征曲线;概率;曲线拟合;滤纸法;渗析法;方案优化与传者互动D0I:10.13928/ki.wrahe.2023.08.013开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:TU411文献标志码:A文章编号:10 0 0-0 8 6 0(2 0
3、2 3)0 8-0 144-12科Experimental study and probabilistic analysis of soil-water characteristicTAN Xiaohui,ZHANG Xuejuan,FEI Suozhu,XIAO Ying(School of Resources and Environmental Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,Anhui,China)Abstract:ObjectiveJSoil water characteristic curve(SWCC)i
4、s an important curve in unsaturated soil mechanics,which char-acterizes the relationship between soil suction and water content.Soil-water characteristic test is often time-consuming and labor-intensive.It is of practical significance to improve the efficiency of SWCC test.The combination of the osm
5、otic method and thefilter paper method can obtain SWCC in the full suction range.Methods In order to improve the test efficiency under the prem-ise of ensuring the test accuracy,the cohesive soil in Hefei area was taken as the research object.On the basis of a large numberof experimental studies,fou
6、r schemes were used to combine the test data points of osmotic method and filter paper method(alldata points of the osmotic method and the filter paper method;osmotic data points;all data points of osmotic method and a lowsuction point from filter paper method;all data points of osmotic method and a
7、 high suction point from filter paper method),theinfluence of data combination schemes on SWCC fitting result was studied.Results JThe result show that the optimal data com-收稿日期:2 0 2 2-0 2-10;修回日期:2 0 2 3-0 3-15;录用日期:2 0 2 3-0 3-2 4;网络出版日期:2 0 2 3-0 5-2 9基金项目:国家自然科学基金项目(4197 2 2 7 8)作考简个漕晓慧(19女教授博十
8、主要从事岩水利水电技术(中英文)145第54卷2023年第8 期谭晓慧,等/土水特征的试验研究及概率分析bination scheme is all the data points of the osmotic method plus the highest suction point of the filter paper method.Comparedwith the method based on all experimental data points,the statistical characteristics of SWCC fitting parameters are very
9、 close.On this basis,the probability statistical characteristics of SWCC parameters of cohesive soil from four sites in Hefei area are ob-tained by calculation.ConclusionTherefore,when a large number of SWCC tests are required,the test data points of the filterpaper method are reduced without affect
10、ing the test accuracy,using all data points of osmotic method and a high suction pointfrom filter paper method to obtain SWCC can effectively improve the test efficiency.Keywords:soil water characteristic curve;probability;curve fitting;osmotic method;filter paper method;scheme optimization0引言在岩土工程领
11、域中,土水特征曲线(Soil-WaterCharacteristic Curve,S WCC)是研究非饱和土的重要曲线之一 1-3】,它用于表征土体基质吸力-含水率之间的关系 4。准确描述土体的SWCC对于预测非饱和土的强度、渗透性等性质至关重要 5-9 O目前用于SWCC测量的试验方法有很多,如TDR基质吸力量测法、压力板仪法、离心机法等 10-12 。汪东林等 13 使用压力板仪研究不同土体类型的SWCC,沈梦芬等 14 则采用渗析法对合肥地区非饱和膨胀土进行SWCC研究分析。一条完整的SWCC吸力分布范围为0 10 kPa15,然而多数SWCC 试验所能测得的土体吸力范围有限 10-16
12、 ,特别是用于测量黏性土等具有高吸力的土体时,许多试验手段只能测得土体的部分基质吸力-含水率数据点。因此有学者提出采用多种试验相结合的方式以获取大吸力范围的SWCC。文献 17-2 0 或采用张力计法、滤纸法和露点水势仪法(WP4C),或采用非饱和土固结仪和滤纸法相结合,又或者采用渗析法与滤纸法等多种试验相结合的方式以获取全吸力范围内的SWCC。其中值得注意的是,渗析法与滤纸法因具有操作简单、成本低、测量精度较高等优点,常常被用作测量非饱和土吸力 2 1-2 4虽然采用联合试验的手段便于获得全吸力范围内的SWCC,但是SWCC的试验测量方法往往耗时耗力 2 0-2 7 。与粗颗粒土相比,当研究
13、对象为黏性土及膨润土等细颗粒土样时 2 5,其测量难度往往更大。为了获得10 个黏土的基质吸力-含水率数据点,需要6 8 周的时间 2 6 。对于膨润土而言,因其具有非常低的渗透性,浸水膨胀达到饱和所需时间极长 2 7 从而使得SWCC的试验周期更长。除了土体类型的不同会影响试验时长之外,不同的SWCC测量试验所需要的试验周期也不尽相同。对于滤纸法而言,生成一个数据点就需要进行一次试验,且试验的平衡时间长,因此构建整条SWCC需要大量时间,试验效率较低 10 。SWCC试验的开展除了需要考量试验的可操作性、测量精度的准确性等因素外,还需要将试验的时间成本纳人考虑的范围内。因此,探寻和采用快速有
14、效的水土特征曲线生成方法,在保证SWCC精度的同时尽可能地缩减试验时长十分必要综上所述,为了探寻一种节约时间成本、提高试验效率的SWCC试验设计方法,本文基于对合肥地区黏性土进行渗析法与滤纸法试验得到的12 8 组试验数据,选取4种不同的数据组合方案进行SWCC拟合,获取SWCC拟合参数的均值、变异系数及概率分布类型等统计特征,根据统计分析结果确定最优的数据组合方案,为提高SWCC试验效率提供依据。1研究方法1.1试验土样为了研究合肥地区黏性土土水特性及水力参数的概率统计特征,试验土样分别取自合肥市的4个工地。试验用土的基本性质如表1所列。用于SWCC试验的土样均为原状土样,土样的黏粒含量在3
15、0%53%之间,粉粒含量在47%6 9%之间,砂粒含量在0%0.88%之间。其中,部分试验用土的粒径累计分布曲线及孔径累计分布曲线如图1、图2 所示。可见,试验用土的粒径分布范围在0.6 10 0 m之间,其中小于10 m粒径的颗粒百分含量约占6 5%;孔径分布范围在0.0 0 5 10 0 m之间。试验用土的矿物成分以碎屑矿物和黏土矿物为主,其中黏土矿物主要表1试验用土的基本性质Table 1Basic properties of the tested soil参数试验a试验b试验试验d含水率Wo/%20.0023.8023.4023.00密度po/gcm*32.042.032.032.06
16、比重G2.682.692.732.68塑限p/%25.0025.6026.00液限QL/%55.0054.3053.00塑性指数Ip/%30.0028.7027.00自由膨胀率8 et/%50.0057.0045.00146水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期谭晓慧,等/土水特征的试验研究及概率分析100试验a80一试验d604020010-110010102103孔径/um图1试验用土典型的粒径累计分布曲线Fig.1Typical particle size cumulative distributioncurve of test soil100试验a80一试验d%/604020
17、01010-210-110010l10210孔径/um图2 订试验用土典型的孔径分布曲线Fig.2Typical pore size cumulative distribution curve of test soil为蒙脱石和伊利石。表中试验土的自由膨胀率大于40%,依据膨胀土地区建筑技术规范(GB50112一2013)的技术标准,可知试验用土均属于弱膨胀土。1.2SWCC试验通过试验测得土样的一系列吸力(山)-含水率(w)的数据,再选用某种SWCC拟合模型对测得的一系列(山,w)数据进行曲线拟合,即可得到一条完整的SWCC。测量土体吸力的方法有很多,如离心机法、张力计法、蒸汽平衡法10-1
18、4 等。其中,渗析法与滤纸法简单方便且应用广泛,因此本文联合采用渗析法与滤纸法来测定土体的吸力。通过渗析法与滤纸法测量全吸力范围内的SWCC,根据试验的不同,所设计的渗析法与滤纸法的吸力数据点数也不同1.2.1渗析法渗析法常用于测量低吸力段(0 150 0 kPa)的SWCC数据。渗析法试验利用半透膜只允许离子和小于半透膜孔径的分子通过的性质,将密封于半透膜中的土样置于聚乙二醇(PEG)溶液中,在2 0 的恒温条件下对装有土样的PEG溶液进行振荡。大约10 d后,经过土样与PEG溶液的水分交换,土样的吸力与溶液的吸力达到平衡。此时测量土样的含水率w以及PEG溶液的浓度(用白利度B,表示),并通
19、过公式求解该白利度对应的吸力值 14,即可得到一个(山,w)数据点。将一组土样放置于若干组不同浓度的PEG溶液中进行试验,即可得到若干组(山,w)数据点。11(1)山(90/B,3.-1)式中,出为吸力;B,为白利度,用来表示PEC溶液的浓度。1.2.2滤纸法滤纸法常用于测量高吸力段(150 0 30 0 0 0 kPa)的SWCC数据。滤纸法试验是在恒温恒湿条件下,将3层滤纸叠放在一起,再分别在滤纸上下各放置一块相同含水率的土样。3层滤纸中,顶底面滤纸与土样直接接触,对中间层滤纸起保护作用。当滤纸与土样密切接触时,上下两块土样中的水分子以液态水的形式渗人滤纸中。试验约10 d后,滤纸与土样的
20、吸力将达到平衡。此时,测量中间层滤纸的含水率并借助滤纸的率定曲线方程,即可获得土样的吸力 2 1-2 8 ;同时,测量土样的含水率w,即可得到一个(,w)数据点。为了测定不同吸力值下若干个(山,w)数据点,需要将同一原状土样分为若干组,采用低温烘干法制备不同含水率条件下的试样,再进行滤纸法试验。滤纸的率定曲线方程公式如下(log =-0.076 7w+5.493(47%)(2)(log =-0.012 0+2.470(47%)1.2.3SWCC试验方案综上所述,对于渗析法及滤纸法,测定一组非饱和土(山,w)数据约需10 d,对于一个工地测量多组(山,w)数据一般需要数月的时间。本文4组SWCC
21、试验历时2 3a,各次试验的方案不完全相同。各次试验中渗析法与滤纸法的具体试验方案如表2 所列。由于SWCC一般用半对数坐标表示(对吸力山取对数),而渗析法及滤纸法分别用于测定低吸力及高吸力范围的(山,w)数据。因此,为了使(山,w)数据均匀地分布于SWCC曲线上,滤纸法的吸力点个数可以少于渗析法的吸力点个数。147水利水电技术(中英文)第54卷2023年第8 期谭晓慧,等/土水特征的试验研究及概率分析表2试验方案Table 2Test program渗析法滤纸法试验编号试验组数吸力点个数目标吸力值/kPa吸力点个数土样含水率/%a18813.023.5b6380、3、8、2 2、6 5、2
22、0 0、550、16 0 0311.020.0C35311.020.0d1260、3、2 2、6 5、2 0 0、16 0 036.0 23.01.3SWCC拟合模型及数据组合方案1.3.1SWCC拟合模型常见的SWCC拟合模型有Fredlund-Xing模型和van Genuchten 模型 2 9-3。其中,属于S 型函数的vanGenuchten模型(简称VG模型)是最常用的经典模型之一。故本文采用VG模型对SWCC进行拟合,其表达形式如下w,-w,+W(3)1+(山/a)m式中,w为重力含水率;w。为饱和重力含水率;w为残余重力含水率;山为基质吸力(kPa);、n、m均为SWCC拟合参
23、数,其中,a为与土样进气值有关的参数,n为与孔径分布有关的参数,m为控制SWCC拐点后的曲线斜率,m=1-1/n。1.3.2SWCC数据组合方案一般地,曲线拟合的效果随着参与拟合的数据点个数的增加而增加。但是,SWCC曲线形状类似于反S型,它在吸力较小及吸力较大时有明显的曲线转折现象,而在曲线中部很大的吸力范围内可以近似为直线。另一方面,除了极少数长期干旱的情况,大多数土体工程中的吸力值相对较小。因此,SWCC试验的重点是测定土体在低吸力段的(,w)数据,以及在高吸力段SWCC转折点处的(,w)数据。为了探讨SWCC试验中吸力范围大小及吸力点布设方式对SWCC试验结果的影响,分别根据表3所列的
24、4种数据组合方案选取数据点,再根据选择的数据点进行SWCC曲线拟合。其中,由于不同数据组合方案间用于SWCC拟合的数据点数不同,因此均方根误差等精度指标不适用于对比各个数据组合方案间的拟合效果。而数据组合方案1是基本方案,可用于验证其他3种数据组合方案的精度。表3SWCC数据组合方案Table 3Data combination schemes for fitting SWCC序号拟合数据点的组合方式1渗析法所有数据点+滤纸法所有数据点2渗析法所有数据点3渗析法所有数据点+滤纸法的最低吸力点4渗析法所有数据点+滤纸法的最高吸力点2拟合结果分析2.1数据组合方案对SWCC形状的影响分别根据表3中
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 特征 试验 研究 概率 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。