考虑黏粒含量的粉土水分迁移规律及城墙渗流特征研究

论文摘要

河南地区古城墙遗址众多,墙体多为粉土夯筑,其特点是粉粒为主,黏粒占比低,孔隙率高。降雨条件下,入渗作用明显,影响深度大,易造成城墙坍塌破坏。在城墙的覆土保护修缮中,常采用换填黏性土的方式改善墙体的渗透性能,但针对黏粒含量对粉土水力特性影响的研究缺乏系统性。因此,开展考虑黏粒含量影响下的粉土吸力和渗流特性研究,提出黏粒含量、干密度和覆土厚度等重要的施工参数对指导遗址修缮具有重要的意义。研究以河南省郑韩故城城墙散落粉土为试验基准土,通过添加高岭土的方式实现对粉土中黏粒含量的调节。主要研究内容及结果如下:（1）研究了试样饱和含水率与黏粒含量及干密度之间的变化关系。（2）采用滤纸法试验研究了不同黏粒含量和干密度下粉土的基质吸力与总吸力随含水率的变化规律。（3）基于改进的Geo-Expert 1D Column试验装置,分析了暴雨工况下黏粒含量对一维土柱渗流场的影响。（4）从土体的微观结构分析发现,随着黏粒含量的增加,黏粒的作用更多的是对孔隙的填充和镶嵌,颗粒间孔隙的孔径和面积均发生了明显的降低,黏粒在粉粒表面的附着程度显著增加;随着干密度的增大,粉土颗粒的微观孔隙由大而多逐渐向密而实过渡。（5）概化典型城墙数值计算模型,采用Midas–GTS NX分析城墙本体在暴雨工况下的渗流场变化情况。（6）结合宏、微观试验及数值模拟计算,考虑遗址修复的难度和成本效应,建议在城墙等覆土保护修缮中,选用添加高岭土后黏粒含量达到22%的粉土作为夯补材料,覆土时的干密度设定为1.6g/cm3,覆土厚度设置为50cm,这样对于提高土体的抗渗能力具有较好的作用。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的

1.1.3 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 黏粒含量对土体力学特性的影响

1.2.2 土水特征曲线的研究现状

1.2.3 渗透特性

1.3 主要研究内容和技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第2章土水特征曲线影响的试验研究

2.1 非饱和土土水特性的相关理论

2.1.1 土水特征曲线的影响因素

2.1.2 土水特征曲线模型

2.1.3 滤纸法率定

2.2 不同黏粒含量土样制备

2.2.1 试验土样

2.2.2 黏粒

2.2.3 不同黏粒含量土样配置及制样

2.3 滤纸法试验

2.4 试验结果与分析

2.4.1 饱和含水率与黏粒含量及干密度的关系

2.4.2 基质吸力与黏粒含量及干密度的关系

2.4.3 总吸力与黏粒含量及干密度的关系

2.5 本章小结

第3章水分迁移规律的影响研究

3.1 饱和渗透系数

3.1.1 变水头渗透试验

3.1.2 试验结果与分析

3.2 土壤水分传感器标定

3.2.1 ML3 水分传感器原理

3.2.2 标定过程

3.3 试验装置及方案

3.3.1 试验装置的设计

3.3.2 试验土样

3.3.3 试验方案

3.4 试验结果及分析

3.4.1 入渗率对黏粒含量变化的响应

3.4.2 湿润峰对黏粒含量变化的响应

3.4.3 监测点含水率对黏粒含量变化的响应

3.5 本章小结

第4章土体微观结构分析

4.1 黏粒含量对微观结构的影响

4.2 场发射电子显微镜基本原理

4.3 微观结构的研究方法

4.4 试验步骤

4.4.1 备样

4.4.2 扫描电镜观察

4.4.3 IPP6.0 软件对电镜图像分析

4.5 试验结果分析

4.5.1 不同黏粒含量试样微观结构分析

4.5.2 不同干密度试样微观结构分析

4.6 本章小结

第5章城墙渗流有限元数值分析

5.1 Midas-GTS NX简介

5.2 非饱和渗流理论

5.2.1 非饱和土达西定律

5.2.2 质量守恒原理

5.2.3 瞬态非饱和渗流

5.2.4 土水特征曲线与渗透系数曲线的描述

5.3 渗流分析数值模型

5.3.1 工程概况

5.3.2 计算参数、初始条件

5.3.3 计算方案

5.4 黏粒含量对城墙渗流场影响的计算结果分析

5.4.1 初始渗流场

5.4.2 孔隙水压力变化规律

5.4.3 体积含水率变化规律

5.5 本章小结

第6章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

附录：攻读硕士期间发表的论文、专利、参与项目

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘晨辉

导师: 祝彦知,李新明

关键词: 古城墙遗址,黏粒含量,吸力量测,水分迁移,微观结构,数值模拟

来源: 中原工学院

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 中原工学院

分类号: TU43

总页数: 74

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