基于核磁共振技术的非饱和土渗透系数预测方法

摘要

渗透系数反映了水在土体孔隙中的流动情况，直接反映了土体的渗流特性，是土体力学特性一个基本参数，在工程应用中对结构稳定性是不可忽视的一点，主要表现在降雨对边坡稳定性分析、路基变形、土石坝黏土墙与防洪堤的渗漏问题、垃圾填埋场和核废料填埋场对地下水污染及扩散的影响、地下污水的扩散迁移问题等工程及日常问题上。然而，非饱和土渗透试验周期长，过程复杂，所以对非饱和渗透系数的间接预测方法进行研究是尤为重要的。本文以湖南黏土为研究对象，分别进行土-水特征曲线试验、饱和/非饱和渗透试验以及核磁共振试验。通过对试验数据进行分析，结合微观孔隙通道理论，提出了一种基于核磁共振技术预测非饱和土渗透系数的方法，并与Mulem模型的预测结果对比，主要研究内容有： （1）利用压力板仪对测得湖南黏土的土-水特征曲线，并选取Fredlund-Xing模型对离散数据点拟合，得到连续的土-水特征曲线。 （2）由于试验土样为黏土，故选取变水头试验法进行饱和渗透试验，得到室温条件下的饱和土渗透系数。非饱和土渗透系数利用瞬态剖面法测得，试验仪器为机玻璃桶，对试验数据进行分析，得到非饱和土渗透系数随含水率和基质吸力的变化规律。 （3）利用苏州纽迈公司研发的低磁场核磁共振仪对不同干密度试样进行加湿过程和脱湿过程中的核磁共振试验。结合微观孔隙通道理论，将每级横向弛豫时间对应的的信号幅度转换为对应的体积含水率从而预测出非饱和土渗透系数。将加湿、脱湿核磁共振预测结果与一次性饱和核磁共振预测结果进行对比，选出最优的核磁共振预测方法。 （4）选取Mualem模型预测非饱和土渗透系数，并将土-水特征曲线法预测结果、最优核磁共振预测结果分别与实测值进行对比分析，验证本文模型的可靠性。

目录

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第1章 引 言

1.1 研究背景及意义

1.2 非饱和渗透系数研究现状

1.3.1 核磁共振技术的发展与应用

1.3.2 核磁共振技术预测非饱和渗透系数研究现状

第2章 土中渗流运动

2.1 水在土中的存在形式

2.2 吸力理论

2.2.1 土水势

2.2.2 土中吸力

2.2.3 吸力测量方法

2.3 毛细理论

2.3.1 表面张力

2.3.2 毛细现象

2.3.3 毛细水的测量

2.4 达西定律

2.4.1 达西试验

2.4.2 达西定律在非饱和土中的应用

2.5 本章小结

第3章 土-水特征曲线试验

3.1 土-水特征曲线的基本概念

3.2 土-水特征曲线数学模型

3.3 土-水特征曲线试验过程及结果

3.4 土-水特征曲线拟合

3.5 本章小结

第4章渗透试验

4.1 渗透系数

1 粒径、级配和矿物成分

2 孔隙率

3 饱和度

4 温度

4.2 饱和渗透系数测量

4.3 非饱和渗透系数测量

4.4 本章小结

第5章 核磁共振试验

5.1 核磁共振原理

5.1.1 核磁共振信号的产生

5.1.2 核磁共振弛豫机制

5.1.3 孔隙孔径分布曲线

5.2 核磁共振试验

5.2.1 试验设备

5.2.2 试验过程及结果

5.3 本章小结

第6章 由核磁共振试验预测渗透系数

6.1 预测模型的提出

6.2 预测过程及结果

6.2.1 饱和渗透系数预测

6.2.2 非饱和相对渗透系数预测

6.3 土-水特征曲线法预测非饱和渗透系数

6.3.1 统计模型

6.3.2 预测过程及结果

6.3.3 预测方法对比

6.4 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间的科研成果