非饱与湿陷性黄土二维渗流分析.docVIP

第一章 绪论 第一节 黄土与黄土的湿陷性 一、黄土和湿陷性黄土的概念 黄土【loess】指的是在干燥气候条件下形成的多孔性具有柱状节理的黄色粉性土，湿陷性黄土受水浸湿后会产生较大的沉陷。黄土主要分布于世界大陆比较干燥的中纬度地带。我国的黄土的分布广泛，西起甘肃祁连山脉的东端，东至山西、河南、河北交接处的太行山脉，南抵陕西秦岭，北到长城，包括陕西、陕西、宁夏、甘肃、青海等五个省区的220多个县市，面积达54万平方公里，占全国土地面积的百分之六。 湿陷性黄土是一种特殊性质的土，在一定的压力下，下沉稳定后，受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉，故在润陷性黄土场地上进行建设，应根据建筑物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用期间对不均匀沉降限制的严格程度，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基湿陷对建筑产生危害。 二、湿陷性黄土的分布 在我国，黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地，且地层多、厚度大。在这些地区，一般气候干燥、降雨量少，蒸发量大，属于干旱、半干旱气候类型。黄土分布地区年平均降水量在250～500 mm之间。黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉，以至在其上的建筑物遭到破坏。这是黄土的一种特殊性质。我国湿陷性黄土分布约占黄土分布面积的60％，大部分在黄河中游地区。 由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同，致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别，湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律。 第二节 国内外湿陷性黄土渗流研究现状及发展趋势 半个世纪以来，黄土对水的特殊敏感性及其在黄土变形、强度和本构关系等力学特性上所表现出来的影响规律一直是黄土力学特性研究的中心，研究中出现了一系列重要的发展变化：由单轴压缩试验发展到三轴压缩试验，由常规三轴应力路径发展到多种复杂的应力路径，由对浸水湿陷量的研究发展到对湿陷敏感性的研究，由狭义的浸水饱和湿陷发展到广义的浸水增湿湿陷，由单调的增湿湿陷变形发展到增湿、减湿和间歇性湿陷变形，由将黄土作为直线变形体、非线性弹性体发展到作为弹塑性体，由宏观力学特性分析发展到宏、微观结合的力学特性分析，由研究原状黄土发展到研究击实黄土、挤密黄土和饱和黄土，由假定各向同性发展到研究各向异性，由对一些点上黄土的研究发展到黄土地区面上分布规律和经验关系的研究，由静力学特性的研究发展到动力学特性的研究，由对黄土力学特性的描述发展到对黄土力学特性的改造，由曾、应力研究发展到吸力及有效应力研究等。 一、国外湿陷性黄土渗流的研究进展 土体是自然生态环境的一个重要组成部分，它与人类的生活和生产活动有着极为密切的关系。在土体的固、液、气三相组成中，土体中的水分是最活跃的因素。州门对饱和土体中水分运动问题的研究有较长的历史，其科学理论的形成始于130年前法国工程师Darcy所进行的试验，经不断完善和发展，形成了现在的地下水动力学。非饱和土体中水分运动问题一直是土体学研究的重要课题之一。上世纪下半叶以来，人们对非饱和土体中水分运动问题的研究主要采用形态学观点，定性地分析和描述土体中水分的保持和运动。随着科学技术的进步，本世纪初Buckinghma(1907)首次将“毛管势”应用于土体水，出现了土体水分的能态学观点。经30年代和50年代的发展和逐步完善，加之电子计算技术的迅猛发展和各学科的相互渗透，非饱和土体水分运动研究出现了由经验到理论、从定性到定量的深刻变化，从而对土体中水分运动规律的描述更加准确，土体水分特征参数的测定开始变得简单易行。 自从1856年法国工程师达西(H(.Dalcy)通过均质砂土中液体渗流试验的研究总结出渗流的基本公式一一达西定律以来，渗流理论及其应用研究得到了迅速发展。虽然达西的试验研究是在均质砂土中液体作均匀流的情况下进行的，但是这个研究成果己被后来的学者推广到整个渗流计算中去。1863年裘布依以达西定律为基础，研究了单向和平面径向地下水流稳定运动。1889年俄国数学力学家H.E.儒可夫斯基首先推导出了渗流微分方程。1922年，H.E巴甫洛夫斯基正式提出了求解渗流场的电模拟法，为解决比较复杂的渗流问题提出了一个有效的工具。1931年，Richards将Darcy的线性渗流理论推广应用到非饱和渗流中以后，人们才开始了非饱和渗流的研究。水相流所满足的控制方程很快便建立起来，通常称之为Richards方程。基于Richards控制方程的饱和一非饱和渗流后来得到了深入的研究，并成功地应用到许多实际工程中。BuekleyLeverett(1942)在忽略毛管力时给出T一维两相渗流方程的解。Coleman和Bodllman(1944，1945)较早的研究了最简单最典型的垂直入渗问题一一干土在积水条件下的入渗。他们将土体含水量剖面分为四个区:饱和区、