考虑裂隙网络动态发展的裂隙土土水特征曲线研究

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裂隙土广泛分布于自然界及实际工程中。土中裂隙的存在能够为液相在土中的渗流提供优势通道,导致土体的渗透系数显著增加,抗剪强度降低。裂隙是引起诸如边坡失稳、大坝破坏、地下污染物迁移等岩土工程问题的关键因素。裂隙土土水特征曲线(SWCC)的研究对分析裂隙对诸多岩土工程问题的影响至关重要。虽然越来越多的学者开始关注裂隙对土体土水特征曲线的影响,但是土中的裂隙非常复杂,由于理论指导和试验仪器的缺乏,目前针对非饱和裂隙土土水特征曲线的研究报道较少。有些学者在进行膨胀土土水特征曲线的研究时往往忽略裂隙的存在或不考虑裂隙的动态变化,由此产生的误差难以预计;而通过间接方法得出的结论的可靠性也有待验证。因此通过理论和试验方法进行考虑裂隙网络动态发展的裂隙土土水特征曲线的研究十分必要。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)利用图像处理技术对干湿循环过程中裂隙土试样表面的裂隙进行定量研究,得到不同含水量(吸力)条件下试样表面的裂隙率和裂隙开度分布,由此分析不同干湿循环条件下裂隙土表面裂隙的开展规律。结果表明,实验室内自由蒸发和均匀洒水的干湿循环过程中裂隙的开展过程可以分为三个阶段;而渗透仪内的干燥过程裂隙开展可以分为三个阶段,湿润过程裂隙率先略有增大而后裂隙几乎不发生闭合。(2)根据双重介质理论,把裂隙土看作是裂隙网络系统和土体系统两部分连续介质的叠加;根据毛细定律和多孔介质的孔径分布特征,应用理论方法推导考虑裂隙网络动态变化时裂隙土的土水特征曲线,并用该方法预测经历干湿循环的裂隙土试样的土水特征曲线。结果表明,在干湿循环过程中考虑裂隙网络动态变化时裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征,裂隙对裂隙土土水特征曲线的影响主要表现在较低吸力范围内,较高吸力时裂隙土的土水特征曲线主要受土体所控制。(3)研制适用于测量考虑裂隙网络动态发展的裂隙土土水特征曲线的大尺寸渗透仪。该仪器可以满足裂隙土表征单元体积(REV)、在较低基质吸力时能够精确控制吸力以及试验过程中能够观测试样中裂隙开展情况的要求。首先,大尺寸渗透仪能够容纳直径280mm,高度不大于200mm的试样,能够基本满足裂隙土试样表征单元体积和裂隙开展的要求。其次,根据多孔连续介质的毛细吸力理论,考虑到裂隙土中裂隙的孔径(开度)较大的特点,试验仪器能够精确控制10kPa以内的基质吸力,精度为0.005kPa。再次,试验仪器的压力室壁由透明有机玻璃制成,易于观测试验过程中裂隙的开展情况。(4)通过室内试验,利用自制的大尺寸渗透仪测量了考虑裂隙网络动态发展的裂隙土的土水特征曲线。试验结果表明,考虑裂隙网络动态发展时裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征,并且干燥过程的双峰现象比湿润过程更明显。利用本文所述的理论方法对试验过程中所用裂隙土试样的土水特征曲线进行预测,结果表明理论预测结果在一定程度上反映了裂隙网络对裂隙土土水特征曲线的影响,但是与实测值之间仍有一定的误差。
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