黄土节理渗流特性的试验研究及其数值模拟

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黄土节理广泛存在于黄土地区,它是黄土的软弱结构面,水流入渗的优势通道,其存在会影响黄土地区隧道、窑洞、公路边坡等工程的稳定性;目前对黄土节理渗流特性的相关研究较少,本文通过现场调研、室内试验、理论分析及数值模拟等方法对黄土节理的渗流特性及其对隧道洞口段变形规律的影响进行了研究。首先采用室内试验对黄土节理的水力参数进行研究。以含节理黄土为研究对象,通过设计对比试验,利用GDS三轴渗透仪测定了各组试样的水力参数,研究了节理开度、节理周围土体性质对渗流的影响,并对比了天然与人工节理的差异,结果表明:均质黄土样远小于含节理黄土样的渗透系数,节理的存在极大地增强了黄土体的渗流能力;黄土节理平均开度相同时,天然节理渗透系数略低于人工节理,含节理黄土渗流时,周围黄土对节理渗流有一定的影响,使整体的渗透能力得到较大的提高;干密度较小,土质疏松的含节理黄土体渗流时,易使节理侧壁的土颗粒脱落,影响节理渗流。为进一步得到含节理黄土水流入渗规律,利用自行设计加工的天然黄土节理渗流模拟试验装置进行了模型试验,得到了节理及其开度对水流入渗范围、水分场分布的影响规律:含节理黄土样湿润锋为一条沿节理下凹的曲线,含水率等值线大致以节理为对称轴向下弯曲,均质黄土样的湿润锋及含水率等值线均为一条水平线;含节理黄土样入渗深度约为均质黄土样的2.6倍,湿润区面积约为均质黄土样的2.2倍,节理的存在较大的增加了水流的入渗深度及入渗量,且节理开度越大入渗深度越深,水流入渗量越大。通过进一步分析模型试验数据,建立了湿润区宽度、湿润区深度与节理开度及水流入渗时间的关系,进而得到了湿润区范围的计算方法,并通过FISH语言对计算方法进行了编程;根据湿润区范围进一步对节理的单位时间水流入渗量进行了研究,节理单位时间水流入渗量随节理开度的增加而增加,随时间的增加而减小,结合数值分析软件得到了节理等效渗透系数,研究了节理间距、节理数量对湿润锋的影响。利用有限差分软件,对含节理黄土隧道洞口段变形规律进行了研究,隧道拱顶沉降随节理开度和水流入渗时间的增加而增加,节理开度越大、入渗时间越长,隧道发生破坏的可能性越大。
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