基于ERT技术的土体干缩开裂研究

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近年来,受全球气候变化影响,持续时间长、影响范围广和强度高的极端干旱性气候频繁发生。在极端干旱气候作用下,工程土体会产生水分蒸发,产生干缩裂隙,进而影响土体的工程性质,导致很多工程地质问题和灾害。然而现有的研究方法不足以完全解决土体干燥过程中的蒸发问题和干缩开裂问题。因此,本文采用ERT技术作为研究方法,以石英砂、下蜀土为研究对象,开展一系列室内试验,系统地研究土体干燥蒸发过程中视电阻率与含水率、裂隙之间关系,为深入分析土体在蒸发过程中水分场的分布特征、迁移规律及裂隙发育规律提供了有效的研究手段。论文主要取得了以下成果:  (1)将ERT技术应用到土盘蒸发试验中,初步建立了干燥过程中土体含水率与试样电阻率之间的关系。试样的含水率越低,试样的视电阻率越高,试样平均视电阻率与试样含水率之间满足指数关系。通过该关系,可定量获得干燥蒸发过程中试样水分场的变化规律。  (2)将ERT技术应用到土柱蒸发试验中,对土柱剖面含水率与实测电阻之间关系进行了标定,建立了土柱剖面含水率与实测电阻之间的关系,同时对干燥过程中土柱剖面电阻进行监测,从而获得土柱水分场演化规律。结果表明:土体的蒸发过程可以分为三个阶段:常速率阶段、减速率阶段和残余阶段;温度的变化会导致土体电阻率发生改变,温度越高,土体电阻率越低;蒸发过程中,蒸发锋面从土柱表面逐渐往下移动;土柱的电阻率云图能够很好地反映蒸发过程中蒸发锋面的移动。采用电阻率法对土柱蒸发过程进行监测,可以获得土柱试样在蒸发作用下水分场的时空演化规律。  (3)对干燥过程中土体水分场演化过程进行了研究,将ERT技术应用到土体模型上,同时结合TDR测量设备,进一步验证了ERT技术的可靠性;对干燥过程中土体模型的剖面电阻率进行了监测,获得了土体剖面上水分场演化规律。研究结果表明:模型试样的视电阻率对含水率变化更加敏感,能比TDR土体湿度传感器更早监测到土体含水率变化。相比较而言,ERT技术更加高效且实用。  (4)对干燥过程中土体干缩开裂规律进行了研究,首先开展了一维、二维黏性土的干缩开裂试验,采用ERT技术对黏性土干燥过程中的电阻率进行了监测,结合试样视电阻率图像和开裂图像数据,对土体的裂隙发育规律进行分析。结果表明:在干燥蒸发初期,随着时间的增加土体电阻率缓慢减小,这主要是由于土体干燥收缩导致土颗粒水化膜变薄,黏性土双电层导电性增强以及土颗粒之间的接触面积增多所致;而随着干燥时间的继续增加,越来越多的气体进入土体中,土体表层由饱和状态变成不饱和状态,土体电阻率由缓慢减小的趋势转为缓慢增加。而当土体中形成微裂隙时,土体的电阻率急剧增大,而未形成裂隙处的电阻率依然保持缓慢增加的趋势。结合试样视电阻率图像和开裂图像数据,可以发现两者之间存在很好的一致性,电阻率云图能够很好地反映土体干缩裂隙的发育情况。  (5)研究结果表明,ERT技术能有效获得蒸发过程中土体水分场的时空演化特征及干缩裂隙发育规律,为研究极端干旱气候作用下土体工程性质响应提供了理想的技术手段。
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