重塑黄土接触面渗透破坏研究

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为了缓解土地紧缺和水土流失,黄土高原开展了大规模的治沟造地工程。治沟造地工程由于存在大面积的挖填区域,产生了大量挖填接触面。接触面两侧土体压实系数、孔隙度和颗粒级配存在着差异,加之降雨冲刷和入渗导致接触面地表出现裂缝、冲沟等破坏,甚至会产生滑坡、地陷等现象。因此,挖填区域接触面是保持治沟造地工程稳定的关键部位。本研究以延安地区黄土为研究材料,利用渗透试验和渗透破坏试验等研究方法,研究了压实系数、细粒含量对重塑黄土接触面的渗透性能和抗渗强度的影响及其规律,并通过颗粒流分析软件PFC2D从机理角度揭示了接触面产生渗透破坏的形式。研究结论如下:(1)重塑黄土的渗透系数随着试样压实系数的增大呈现出幂函数式减小,减小的速率先快后慢。随着压实系数的增加,重塑黄土试样的渗透破坏坡降也随之线性增加。相同压实系数下,设置了接触面的试样的渗透破坏坡降要比没有设置接触面的试样整体要小。当接触面一侧压实系数固定时,试样的渗透破坏坡降随着另一侧压实系数的增加,整体上呈现出线性增加的关系。但是,接触面两侧压实系数相同的试样的渗透破坏坡降要高于压实系数相邻的试样。(2)重塑黄土的渗透系数随着细粒含量的增大而减小,80%的细粒含量是曲线的突变点。当试样的细粒含量<80%时,渗透系数随着细粒含量的升高线性下降;当试样的细粒含量>80%时,渗透系数随着细粒含量的升高下降缓慢,最终趋于恒定值。在接触面两边压实系数和细粒含量相同时,接触面的存在与否不影响试样的渗透系数。但是,接触面的存在会降低试样的抗渗强度。整体来看,设置接触面试样的渗透破坏坡降比没有接触面的试样的渗透破坏坡降小。当接触面一侧固定的细粒含量≥80%时,重塑黄土试样的渗透破坏坡降随着另一侧细粒含量的增加呈现出与上述分析一致的规律。当接触面一侧固定的细粒含量<80%时,重塑黄土试样的渗透破坏坡降与另一侧细粒含量呈现出线性关系。(3)有无接触面的试样的渗透破坏特征有所差异。无接触面试样的渗透破坏形式为试样底层的中心土体产生裂纹,连接环刀周边的细小孔道,最终形成渗透破坏面,同时,在试样顶面与环刀接触处出现环状裂缝。有接触面的渗透破坏试样首先会在试样接触面的底层出现渗透破坏点,然后,压实系数较小或者细粒含量较小的土体底部会出现渗透孔道,这两个破坏点连接试样与环刀周边的孔道,最终形成渗透通道,发生渗透破坏。(4)重塑黄土接触面渗透破坏的力学机理是:试样渗透破坏点的出现位置为土体的拉应力薄弱处。渗透破坏点处的渗透孔道的形成是颗粒之间的应力由压应力变成了拉应力并逐渐升高导致的。表明,重塑黄土接触面的渗透破坏是由于土体颗粒之间的张拉导致的,颗粒之间的张拉应力大于土体的承受强度,导致破坏。并且,室内渗透破坏试样的破坏形式与PFC2D的模拟结果是一致的,在试样的渗透破坏坡降方面,两者反应的规律是一致的,但是具体数据是有一定偏差的,误差率约在15%。
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