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本次研究在前人研究的基础上,针对黄河大堤非饱和土的特殊问题,先后开展了岩土工程调查研究、勘查取样、室内试验、分析计算等工作,对非饱和土的土水特性、渗透特性以及强度特征等有了进一步认识,结论如下:1.针对非饱和土试验周期漫长,对仪器控制精度要求高的特点并结合非饱和土的特性以及工程中非饱和土体的实际受力状态,研制出了改进型非饱和土三轴仪.该仪器能够较准确地量测非饱和土在不同受力条件下的土水特征曲线,并且能够直接测定不同受力条件下非饱和土的渗透系数以及非饱和土的强度.试验中能够很好地避免非饱和土量测所遇到的基质吸力、孔隙水压力等问题,使其具有简便快捷的优点.采用数据自动化采集和处理,大大节省了人力并提高了试验精度.2.利用特制的非饱和土三轴仪对非饱和土在不同围压条件下的土水特性试验方法进行了探讨.对黄河大堤险工段非饱和土基质吸力在不同围压、不同含水量条件下的变化规律进行了研究,并根据试验结果求出土水特征曲线及其相应的拟合函数.3.非饱和土在不同围压、不同含水量条件下的渗透特性可以用非饱和土三轴仪和特制的渗透试验压力室及其相应的量测控制装置来测定.4.饱和~非饱和土系统渗流分析:关于饱和~非饱和土系统渗流分析,传统的研究均是在土壤水或地下水各自领域内进行(土壤水属于非饱和流动、地下潜水属于饱和流动)至多将地下水作为土壤水的下边界;或在研究地下水运动时,上边界条件处理为通量边界条件.事实上,两者是相互影响、相互转化的渗流系统.特别是在水利工程领域,不同部位所受的周围压力不同,其渗透性能和渗流特征亦不相同.对于饱和~非饱和土渗流系统来说,饱和流的自由面是由饱和~非饱和流模拟得出的浸润线(孔隙水压力为零的线).但是,在饱和区与非饱和区之间存在水头差,并且在非饱和区存在基质吸力,并且等势线穿过自由面.亦即在饱和土与非饱和土之间以及在非饱和土区均存在水流.饱和~非饱和土模拟得出的浸润线也不是流线.本次研究对非饱和土在不同应力应变条件下的渗流进行了分析.对非饱和土的~维和二维渗流固结模型进行了探讨.5.黄河大堤在黄河下游属于地上悬河,黄河下游临黄大堤一般高7-10m,最高达14m,洪水期黄河水位可达到基准面以上8m,黄河大堤由粉土、粉质粘土组成,地下水在黄河大堤中的渗流属于饱和~非饱和土二维渗流.根据饱和~非饱和土系统渗流分析得出的二维渗流固结模型,以及土水特征曲线函数和渗透系数函数式,对黄河大堤险工段饱和~非饱和土进行渗流分析.采用二维饱和~非饱和渗流有限元计算程序SWMS-2D进行分析计算,SWMS-2D可模拟在多孔介质中水流的运动和孔隙水压力的变化,其中包括饱和~非饱和土的二维平面流或轴对称流,可用于分析各种复杂的渗流问题.本文在原程序的基础上进行改进,即将试验所得的渗透系数函数以及土水特征曲线函数加入到程序中进行计算,从而得到饱和~非饱和区域在不同时期的水头分布、浸润线位置以及渗流场的分布规律.浸润线的上升情况、水流速率、孔隙水压力的变化情况以及坝内浸润线瞬变位置进行了预测.6.非饱和土的抗剪强度均高于饱和土的抗剪强度.7.黄河大堤在洪水期时,大堤土体随着时间的延续,部分土体将由非饱和土逐渐转变为饱和土,从而导致大堤强度的降低,影响大堤的安全运用.