土吸力测量中滤纸法影响因素及其应用研究

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土体吸力是非饱和土力学中的一个重要概念,它在解释工程问题中的非饱和土的力学性状方面具有重要意义。测量土体吸力的方法已经有多种,在这些方法当中,滤纸法是唯一一种可以同时测量总吸力和基质吸力的吸力测量技术,同时滤纸法也具有经济上廉价,操作上简单等特点,因此具有广泛的应用前景。目前国内外的学者对滤纸法已经有了相当深入的研究,但是在滤纸法率定曲线的影响因素方面仍然有很多地方相关学者的观点没有达成一致,同时国内学者滤纸法的研究也还不够深入。  本研究全文以四种不同品牌的定量滤纸作为研究主体,对滤纸法率定试验中的影响因素进行了系统性的研究,并拟合不同品牌定量滤纸的在不同吸力状态(总吸力和基质吸力)和不同含水量状态(吸湿和脱湿)下的率定曲线。同时观察了滤纸材料的微观结构并对孔径分布进行测试,探讨和分析了滤纸法应用工程中的常见误差,最终将滤纸法与其他吸力测试技术进行比较来探究滤纸法的精确性以及吸力测试适用范围。研究的主要内容及结论如下:  1)以三种国产品牌定量滤纸(双圈牌203型、新星牌203型、皎洁牌203型)和一种国外品牌滤纸(Whatman No.42型)为研究对象,对上述四种品牌的定量滤纸进行总吸力吸湿率定曲线测量,并观察不同品牌滤纸率定曲线之间的差异,同时对不同批次的双圈牌203型定量滤纸进行率定曲线测量,研究批次对率定曲线的影响。结果表明不同品牌定量滤纸的率定曲线在高吸力段中吸力值与滤纸含水率的关系趋势非常接近,而在低吸力段中率定曲线的趋势有较大的不同。而同品牌不同批次的滤纸率定曲线之间也存在一定的差异。  在对不同品牌进行率定试验的过程中,每隔相应的天数对滤纸进行称量直到滤纸质量达到稳定,结果表明不同品牌滤纸的率定曲线达到平衡所需的时间比较接近,而率定曲线达到平衡所需的时间也可以根据吸力段来划分,便于更高效地应用于滤纸法吸力测量中。  以双圈牌203型定量滤纸为研究对象,对该型滤纸分别进行不同温度下的总吸力率定试验,探究温度效应对滤纸率定曲线的影响,试验结果表明滤纸的持水性能随着温度的升高而降低,并从热力学的角度对温度效应对滤纸率定曲线的影响进行来分析;  分别利用不同种类的饱和盐溶液、不同摩尔浓度的NaCl溶液和压力板对双圈牌203型定量滤纸进行吸湿和脱湿过程的总吸力和基质吸力率定曲线测试,发现吸湿和脱湿过程的率定曲线之间在低吸力段存在明显的滞回性。  将试验过程中测定的率定曲线进行公式拟合,为本文后续的国产滤纸法应用以及以后学者对国产滤纸在滤纸法中的应用研究提供参考。  2)分别使用扫描电子显微镜和泡压法滤膜孔径分析仪对四种不同品牌的定量滤纸进行微观结构观察以及孔径分布测试,通过对测试结果进行分析得出滤纸材料的孔径分布与滤纸的持水性能之间有密切的关系。  3)利用国产双圈牌203型定量滤纸对特定土样进行总吸力和基质吸力测量,并将测量结果与压力板法和蒸汽平衡法的测量结果进行对比,结果表明滤纸法测量基质吸力的极限值为100kPa,而测量总吸力的极限值为1000kPa。  4)本文从热力学角度对温度波动造成的滤纸法总吸力值测量误差进行分析,结果表明温度波动造成的误差是滤纸法不能准确测量低于1000kPa的总吸力值的重要原因。同时对电子天平的精度对滤纸含水率测量造成的误差进行计算,认为0.0001g精度天平也能满足正常的称量要求。  论文创新点:①开展了不同品牌国产定量滤纸率定曲线试验研究为后续学者对国产滤纸在滤纸法中的应用研究提供参考;②通过对不同品牌和不同学者测得的率定曲线的比较,并将率定曲线应用于吸力测量的实际应用,基本确认了滤纸法在总吸力在高于1000kPa,基质吸力在高于100kPa时的精确性;③对滤纸率定曲线的影响因素如温度效应、平衡时间和滞回效应进行系统性的试验研究,明确得到了各种影响因素对率定曲线测量结果的影响程度;④对滤纸材料的微观结构和孔径分布进行了测量,并根据测量结果分析了滤纸持水性能与孔径分布之间的关系。
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