【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 理論模型的正確性。 de silans [13]在位于法國(guó)約 3600㎡的裸土試驗(yàn)場(chǎng)地安裝了多種傳感器，測(cè)量土體不同深度的溫度、含水量和基質(zhì)吸力隨時(shí)間變化的規(guī)律。同時(shí)還采集了包括大氣溫度、氣壓以及輻射量等氣象資料。并利用現(xiàn)場(chǎng)前期實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)他所建立的模型進(jìn)行標(biāo)定，采用標(biāo)定后的模型對(duì)后期土體在大氣作用下的各種反應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果很接近。M. O’ Kane [26] 對(duì)加拿大某銀礦廢棄場(chǎng)上覆土層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，通過(guò)埋設(shè)在土層中的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)在氣候變化下土層溫度、含水量、地下水位等變化，采用自動(dòng)氣象站實(shí)時(shí)采集監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的氣候變化。廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究5黃紹鏗、柯尊敬等 [27]在南寧設(shè)立了監(jiān)測(cè)吸力變化的綜合觀測(cè)站。在土體不同深度埋設(shè)吸力傳感器，同時(shí)相應(yīng)地設(shè)置含水量探頭，以及多個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)和水平位移觀測(cè)點(diǎn)，以取得在亞熱帶濕熱多雨環(huán)境下現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)吸力變化的經(jīng)驗(yàn)，探求不同深度土層的吸力變化、變形、強(qiáng)度、環(huán)境和氣候變化的關(guān)系，為土體氣候變化～基質(zhì)吸力～變形的數(shù)學(xué)模型計(jì)算提供客觀數(shù)據(jù)和實(shí)踐依據(jù)。、 等 [28][29]在新加坡南洋理工大學(xué)開設(shè)了邊坡試驗(yàn)場(chǎng)地，安裝了張力計(jì)、TDR、測(cè)壓管、雨量計(jì)等。通過(guò)測(cè)試所得土體的含水量、吸力、地下水位、表面徑流量和降雨量，研究天然和人工降雨條件下入滲到殘積土邊坡的水分與降雨量的關(guān)系及其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。詹良通等 [30]在湖北棗陽(yáng)選取了一個(gè) 11m 高的典型的非飽和膨脹土挖方邊坡進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)和原位綜合監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器包括張力計(jì)、熱傳導(dǎo)吸力探頭、含水量探頭、土壓力盒、測(cè)斜管、雨量計(jì)、蒸發(fā)計(jì)以及地表徑流量等組成了一個(gè)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)邊坡土體中的水分、孔隙水壓力、應(yīng)力狀態(tài)以及土體的變形的監(jiān)測(cè)，來(lái)探討邊坡中土～水相互作用機(jī)理，從而對(duì)降雨誘發(fā)的非飽和膨脹土邊坡失穩(wěn)機(jī)理有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 等 [31]對(duì)香港一個(gè)安裝了測(cè)試儀器的大型開挖殘積土邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)。埋設(shè)含水量探頭、張力計(jì)、測(cè)壓計(jì)、測(cè)斜管、土壓力盒和雨量計(jì)等測(cè)試儀器。通過(guò)土體含水量、張力和壓力的變化來(lái)揭示邊坡表面入滲過(guò)程，全程分析了在降雨入滲過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性的變化情況。中科院武漢巖土力學(xué)研究所與廣西大學(xué)合作的大氣作用下膨脹土邊坡的響應(yīng)試驗(yàn)與災(zāi)變機(jī)理研究,在廣西畜牧研究所內(nèi)一膨脹土邊坡場(chǎng)地進(jìn)行了原位監(jiān)測(cè)。埋設(shè)的儀器包括：溫度傳感器、TDR、測(cè)斜儀、沉降觀測(cè)、測(cè)壓管以及小型氣象觀測(cè)站。對(duì)大氣作用下膨脹土邊坡的響應(yīng)和災(zāi)變機(jī)理進(jìn)行了研究，并基于濕熱耦合的非等溫流方程，結(jié)合不同的蒸發(fā)計(jì)算模型，建立了大氣～非飽和土相互作用模型 [32]。目前所取得的一些研究成果很多是基于理論研究、室內(nèi)機(jī)理試驗(yàn)輔以少量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得的，如果在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)應(yīng)該說(shuō)是最理想的，但由于問(wèn)題本身的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)難以準(zhǔn)確控制環(huán)境條件，干擾因素很多，土體內(nèi)的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)也難以量測(cè)，因而試驗(yàn)條件和試驗(yàn)結(jié)果的重現(xiàn)性差。室內(nèi)模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為準(zhǔn)確的控制環(huán)境邊界條件，排除對(duì)所研究?jī)?nèi)容的干擾因素。因此，有必要開展室內(nèi)模型試驗(yàn)尤其是中等尺度的模型試驗(yàn)研究工作，為室內(nèi)機(jī)理試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)提供聯(lián)系的橋梁。William 等 [33]在室內(nèi)開發(fā)了能夠調(diào)節(jié)模型邊界相對(duì)濕度的大氣干濕循環(huán)模擬箱，采用離心機(jī)來(lái)模擬大氣降雨入滲和蒸發(fā)蒸騰這種季節(jié)性變化，將其看作為作用于土體的一種荷載，模擬真實(shí)的土工構(gòu)筑物在氣候變化下的力學(xué)特征和性能。廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究6姚玉春 [34]利用離心機(jī)模擬在降雨條件下邊坡破壞機(jī)理，認(rèn)為邊坡土體在含水量增大造成強(qiáng)度降低可以用損傷變量來(lái)表示，要防止水的入滲導(dǎo)致含水量超過(guò)損傷變量突變點(diǎn)的對(duì)應(yīng)值，超過(guò)此值，邊坡土體損傷將加速發(fā)展，將由局部破壞發(fā)展成為深層的整體性破壞。楊果林 [35] [36] [37]開展了室內(nèi)大型模型試驗(yàn)，研究壓實(shí)膨脹土路基在積水、陰天、日照和降雨 4 種不同氣候條件下膨脹土路基土溫、含水量和土壓力的變化規(guī)律。 本文主要工作本文主要針對(duì)廣西南寧典型的膨脹土進(jìn)行研究，利用環(huán)境發(fā)生器研究膨脹土在濕熱多雨的環(huán)境條件下，邊坡模型內(nèi)部溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)的分布與變化規(guī)律。主要工作如下：（1）設(shè)計(jì)與制作膨脹土邊坡模型；（2）利用環(huán)境發(fā)生器，模擬不同的氣象條件，觀測(cè)邊坡模型在不同溫度、濕度、降雨等氣象條件下土體內(nèi)部溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)的分布規(guī)律；（3）利用環(huán)境發(fā)生器，模擬不同的氣象條件，觀測(cè)邊坡模型在不同溫度、濕度、降雨等氣象條件下土體裂隙發(fā)育與開展以及邊坡位移發(fā)展規(guī)律；（4）對(duì)所取得的觀測(cè)成果進(jìn)行分析，歸納總結(jié)環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡的影響規(guī)律。具體的實(shí)施步驟，如圖 11 所示?！妗妗妗妗鎴D 11 論文框架圖廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究7Figure 11 The theses framework第二章 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)與制作 試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介此次模型試驗(yàn)，主要監(jiān)測(cè)的是土體內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)以及土體的位移。在試驗(yàn)過(guò)程中用到的儀器設(shè)備主要有： 環(huán)境發(fā)生器、TDR 測(cè)量系統(tǒng)和溫度傳感器等。 環(huán)境發(fā)生器簡(jiǎn)介環(huán)境發(fā)生器是一專用試驗(yàn)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、降雨等氣候環(huán)境變量的模擬。本設(shè)備是在泥土實(shí)驗(yàn)坑 (L)（W）（D）上安裝的。如圖 2－1 所示：圖 21 環(huán)境發(fā)生器安裝示意圖Figure 21 Environment generator installation diagram環(huán)境發(fā)生器由廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院與重慶萬(wàn)達(dá)儀器有限公司聯(lián)合開發(fā)研制。廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究8環(huán)境發(fā)生器具有模擬自然環(huán)境（如降雨、氣溫、濕度等）的功能，可在可控的環(huán)境條件下對(duì)巖土體性質(zhì)進(jìn)行觀測(cè)和對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)（如應(yīng)力、位移等）進(jìn)行分析，可保證試驗(yàn)的重現(xiàn)性，并能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。其控制系統(tǒng)主要包括制冷系統(tǒng)、濕度系統(tǒng)、淋雨系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、氣流循環(huán)系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)等等。為保證環(huán)境模擬精確、穩(wěn)定，系統(tǒng)配有檢測(cè)儀表自動(dòng)調(diào)節(jié)等，可依據(jù)測(cè)量信號(hào)，通過(guò)一定的控制算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，使氣候環(huán)境保持恒定或按程序自動(dòng)變化，其過(guò)程以動(dòng)態(tài)圖形顯示。整個(gè)系統(tǒng)于 2022 年12 月建成，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，通過(guò)國(guó)防科工委第一測(cè)試計(jì)量研究中心的計(jì)量認(rèn)證。建成后的環(huán)境發(fā)生器如下圖所示： 圖 22 環(huán)境發(fā)生器Figure 22 Environment generator環(huán)境發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)：工作室尺寸：7240(D)7800(W)4500(H)mm(約 254m3)；溫度范圍：30～+80℃； 溫度波動(dòng)度：177。℃；溫度偏差：在+5℃以上時(shí)，177?！?； 在+5℃以下時(shí)，177?！?；升溫速率：從+30℃升溫至+60℃，時(shí)間不大于 180min；降溫速率：從+30℃升溫至20℃，時(shí)間不大于 240min；濕度范圍：50～95%RH（+30～+60℃） ；濕度偏差：當(dāng)濕度﹥75%RH 時(shí)，177。3%RH；當(dāng)濕度≤75%RH 時(shí)，177。5%RH；降雨面積：30005000mm(15㎡)；降雨強(qiáng)度：20～100mm/h；1風(fēng)速：≤(變頻調(diào)節(jié))。廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究9 TDR 簡(jiǎn)介 TDR 測(cè)量土體含水量的原理時(shí)域反射儀(Time Domain Reflectometry，簡(jiǎn)稱TDR)是一項(xiàng)包含高頻電子脈沖的技術(shù)，通過(guò)測(cè)定電磁波在混合介質(zhì)中沿波導(dǎo)棒傳播的速度，來(lái)確定混合介質(zhì)的介電常數(shù)。在TDR測(cè)定頻率范圍內(nèi)，土壤水的介電常數(shù)是80，固相介電常數(shù)是34，氣相介電常數(shù)是1。常見的土壤成分的介電常數(shù)（Dielectic constants）在表21 [38]中列出。因此，土壤混合物介電常數(shù)的大小主要取決于土壤中水的含量，建立兩者之間的關(guān)系式，通過(guò)測(cè)定土壤的表觀介電常數(shù)(用K a表示，TDR測(cè)定的土壤混合物介電常數(shù))可推求土壤的體積含水量。表 21 主要土壤成分的介電常數(shù)(Curtis and Defandorf, 1929) [38]Table 21 The main soil constituents dielectric constant Material DielectricAir 1Water 80 at 20℃Ice 3 at 5℃Basalt 12Granite 79Sandstone 911Dry loam Dry sand TRIMETDR 簡(jiǎn)介 TDR 主要有探針式和探管式兩種。TRIMET3 是管式 TDR 測(cè)量系統(tǒng)，主要用來(lái)測(cè)量土壤剖面含水量，測(cè)深最大為 3 米，沒(méi)有輻射危害。TRIME－T3 探管式測(cè)量系統(tǒng)的探頭經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，比普通探針式系統(tǒng)的探針有著更大的測(cè)量范圍。TRIME－T3 系統(tǒng)（1）系統(tǒng)組成（圖 21） [39]TRIME－T3 系統(tǒng)的基本件包括：讀取探頭水分測(cè)量值的 FM 讀數(shù)表；圓柱式探頭 T3探頭；TECANAT 塑料探管，最大管長(zhǎng) 3 米；探管埋設(shè)套件；探管及附件。廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究10圖24 溫度 傳感器Figure24 Temperature sensor 圖 23 TRIMETDR 系 統(tǒng)組件 Figure 23 Components of the TRIMETDR system(2)主要技術(shù)指標(biāo)TRIMET3 土壤剖面水分傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍從 0 到 60%，精度可以控制在 3%以內(nèi)；T3 探頭長(zhǎng) 220mm，TECANAT 塑料探管內(nèi)徑 42mm，長(zhǎng)度包括 1m，2m，3m三種類型；TRIMEFM 讀數(shù)表的主要技術(shù)指標(biāo)：TRIMEFM 讀數(shù)表的分辨率為 %，讀數(shù)的重復(fù)精度177。%；可用于15℃～50℃的溫度范圍內(nèi)；外形尺寸 2109060mm，重 875g。 LZT5085 溫度傳感器簡(jiǎn)介L(zhǎng)ZT5085 溫度傳感器由長(zhǎng)沙科力自動(dòng)化工程有限公司研制生產(chǎn)。KLZT5085 為一款精密的單總線數(shù)字溫度計(jì)，其內(nèi)部自帶 AD 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)內(nèi)部的溫度采集，AD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一系列過(guò)程，最后將溫度值以規(guī)定的格式（格式說(shuō)明請(qǐng)參照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)）轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并輸出，可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的算法，將數(shù)據(jù)還原為溫度值。主要技術(shù)指標(biāo)：靈敏度：℃；精度：177?！妫? 測(cè)量范圍：45℃～+85℃；線性誤差：℃。 邊坡模型的設(shè)計(jì)與制作環(huán)境發(fā)生器內(nèi)試驗(yàn)槽的尺寸（5m3m3m） ，并且試驗(yàn)槽由鋼板分隔為三個(gè)尺寸相等的小試驗(yàn)槽（3m3m） 。取其中一小試驗(yàn)槽填筑土樣，進(jìn)行模型制作。制作邊坡模型所用膨脹土取自南寧市南梧路嘉和城附近，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表 2－2 所示：表 22 基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 22 Basic physical character index 廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文 環(huán)境因素對(duì)膨脹土邊坡內(nèi)溫度場(chǎng)、濕度場(chǎng)影響的模型試驗(yàn)研究11密度(g/ cm3)天 然 含 水 量(%)最 大 干 密 度(g/cm3)最 優(yōu) 含 水 量(%)液限(%)塑限(%)塑性指數(shù)平 均 自 由 膨 脹 率(%) 44 46根據(jù)自由膨脹率，可以初步判別所取土樣為弱膨脹土。所選取的試驗(yàn)槽的尺寸為 3m（長(zhǎng)）3m（高）（寬） 。如圖 2－4 所示，試驗(yàn)槽三個(gè)側(cè)面和一個(gè)底面均為混凝土制成，外加一個(gè) 3m（長(zhǎng)）（高）的鋼板側(cè)面。圖 25 試驗(yàn)槽平面圖Figure 25 The plane of experimental hole根據(jù)試驗(yàn)槽的尺寸，將所選取的膨脹土土樣晾干粉碎后分層填入試驗(yàn)槽，壓實(shí)后制成邊坡模型。根據(jù)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)得到的土樣最大干密度和最優(yōu)含水量來(lái)控制壓實(shí)質(zhì)量。邊坡模型具體的制作過(guò)程如下：（1）將取回的土樣翻曬，粉碎后備用；（2）在試驗(yàn)坑坑底鋪一層 15cm 厚砂石墊層，用來(lái)排水；（3）考慮到試驗(yàn)坑鋼板一側(cè)與混凝土面不同的邊界條件，在鋼板一側(cè)貼一層保溫混凝土 鋼 板廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文