沉积环境与动力特性对软黏土渗透系数影响试验研究

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渗流与强度、变形共同组成岩土工程中的三大问题,但其理论研究成果与工程实践应用远低于变形与强度。在我国大兴地下工程的背景下,关于渗流的研究应引起足够重视。为进一步完善渗流试验研究与影响机制,本文以海底隧道为工程背景,主要考虑海底沉积环境和交通荷载两因素对软黏土渗透系数的影响。针对海水环境特点,在三轴渗流仪中开展不同盐溶液、不同固结压力下渗透系数各向异性的试验研究,并用电镜扫描从微观角度解释软黏土渗透系数各向异性的宏观现象;针对动力特性对软黏土渗透性的影响,开发HCA渗流仪并探索其使用标准,用于开展不同频率、不同历时下的软黏土渗透系数变化规律研究。主要得到如下结论:  (1)重塑高岭土水平向渗透系数kh大于竖向渗透系数kv,主要由两个因素导致。一是一维固结下高岭土颗粒趋向于与竖向压力垂直的方向排列,使其竖向渗流通道更为曲折;二是因为竖向剖面大孔隙较水平向大孔隙多,使水平向的渗流速度更快。  (2)高岭土比表面积较小,对盐溶液的响应不明显,故不同类型、不同浓度的离子溶液对渗透系数各向异性的影响规律不明显。  (3)随着固结压力的增大,重塑土的大孔隙会逐渐消失。高岭土竖向剖面大孔隙较多,在固结压力下竖向剖面受到影响更大,渗透系数降低更明显,因此渗透系数各向异性比随着固结压力的增大而减小。  (4)利用HCA开展渗流试验,建议采用连续24h内测得单位时间内平均渗透系数的最大值和最小值差值在2%以内,且无明显递增或递减规律作为渗流计算依据,有利于提升试验精度;若开展动载后的渗流试验,可适当将最大值和最小值差值提高至3%;综合考虑控制器误差、土体变形、渗流效率以及试验之间可比性等因素,建议采用10~15的水力梯度开展渗流试验。  (5)交通荷载对软土渗透系数的影响表现在两方面:一是荷载作用下土体产生轴向应变使其变得更为密实,导致渗透系数降低;二是动荷载使孔隙发生重构,大孔隙减小小孔隙增多,也会减小渗透系数。  (6)动荷载下,软土渗透系数改变量与动荷载频率之间无明显规律,但随着动载历时N的增大而增大。主要是因为动载作用下,软土孔隙重构虽无规律,但是轴向应变随着N的增大不断增加,而频率对轴向应变的影响有限。
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