宽级配砾质土压实性和渗透性研究

摘要

宽级配砾质土具有成本低廉、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、不易收缩开裂、防渗性能优异等优点，近年来已经展现出取代粘土、土工布等传统防渗材料的趋势。目前，宽级配土已经应用于土石坝心墙防渗、路基隔水层、垃圾填埋场封场覆盖、河道的防渗层等工程实践中。国内外学者已经对砾质土进行了初步的研究，但有关砾质土压实特性和渗透特性的理论并不成熟，尚无法对宽级配土防渗层的可靠性、防渗能力做出准确的评判，一定程度的阻碍了砾质土防渗层的推广和应用。
　　为挖掘宽级配土防渗层的防渗潜能，建立宽级配土防渗层的级配控制、压实、防渗设计标准，本文首先针对宽级配砾质土开展试验研究。在试验中，人工配置具有不同细粒含量的宽级配土，通过颗分试验、击实试验和渗透试验研究了宽级配土的压实和渗透特性，另外，本文还采用有限元数值模拟研究宽级配土用于土石坝心墙防渗、垃圾填埋场衬垫层中的可行性。基于试验和数值模拟结果，本文针对工程中的防渗需求，给出了相应的宽级配土设计标准。
　　通过试验、理论和数值模拟研究，本文取得了以下主要的成果和结论:(1)由于细粒的附着效应，常规干筛法颗分试验误差很大，应采用湿筛法测量宽级配砾质土的级配;(2)基于大量的压实试验结果，通过理论分析和数值回归，给出了砾质土最优含水率的预测模型;(3)基于压实和渗透试验结果，给出了砾质土防渗层的级配控制标准（上下限）;(4)对水泥改良砾质土和膨润土改良砾质土进行了渗透系数量测，给出了水泥和膨润土掺入量的建议值;(5)基于数值模拟结果，论证了砾质土可以用于垃圾填埋场衬垫层，并给出具体方案。
　　本文的研究成果完善了砾质土压实特性和渗透特性的理论。本文给出的级配控制标准和最优含水率计算公式可以指导工程实践;水泥和膨润土改良砾质土能够进一步挖掘砾质土的防渗潜能，对于防渗规格要求较高的工程（例如垃圾填埋场的垫层），可以根据防渗要求选用外掺剂的种类和掺入量。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 土体防渗材料选择

1．2．2 宽级配土、砾质土、砾石土的定义及特点

1．2．3 宽级配砾质土的压实特性研究现状

1．2．4 宽级配砾质土的渗透特性研究现状

1．2．5 改良砾质土研究现状

1．2．6 目前研究的不足

1．3 本文研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线图

1．4 创新点

2 材料特性及试验方案

2．1 宽级配砾质土的构成和级配设计

2．1．1 宽级配砾质土的构成

2．1．2 宽级配砾质土的级配设计

2．2 材料基本特性试验

2．2．1 粉质粘土基本性质

2．2．2 膨润土基本性质

2．2．3 高岭土基本性质

2．3 试验方案

2．4 砾质土击实试验方法

2．4．1 击实试验土料和装置

2．4．2 击实试验操作方法

2．5 渗透试验方法和原理

2．5．1 渗透试验土料和装置

2．5．2 变水头渗透试验操作方法

2．5．3 变水头渗透试验原理

2．6 本章小结

3 宽级配砾质土筛分方法研究

3．1 砾质土筛分试验方案

3．1．1 筛分试验土料准备

3．1．2 干、湿筛法试验步骤

3．1．3 筛分试验方案

3．2 干筛法和湿筛法试验结果比较

3．3 附着效应及干筛法误差分析

3．3．1 粘粒含量对附着效应的影响

3．3．2 含水率对附着效应的影响

3．3．3 细粒矿物成分对附着效应的影响

3．4 实例分析

3．5 本章小结

4 宽级配砾质土压实特性研究

4．1 击实试验方案

4．2 击实试验结果

4．2．1 相同击实功下不同级配砾质土的击实试验结果

4．2．2 击实含水率对砾质土压实特性的影响

4．2．3 宽级配砾质土最优含水率预测方法

4．2．4 不同击实功下相同级配砾质土的击实试验结果

4．2．5 击实功对砾质土压实特性的影响

4．3 细粒含量对砾质土压实特性的影响分析

4．3．1 细粒含量对砾质土压实特性的影响

4．3．2 砾石含量对砾质土压实特性的影响

4．2．3 宽级配砾质土的级配控制标准(上下限)

4．4 本章小结

5 宽级配砾质土渗透特性及改良方法研究

5．1 渗透率与渗透系数简介

5．2 变水头渗透试验方案

5．3 渗透试验结果

5．3．1 砾质土渗透系数与时间的关系

5．3．2 粉质粘土作为细粒料时不同级配砾质土的渗透系数

5．3．3 膨润土作为细粒料时不同级配砾质土的渗透系数

5．3．3 加入外掺剂后的砾质土渗透系数

5．4 试验结果分析

5．4．1 土颗粒结构调整对砾质土渗透性的影响

5．4．2 细粒含量和粗粒含量对砾质土渗透性的影响

5．4．3 宽级配砾质土的级配控制标准(上下限)

5．4．4 水泥作为外掺剂对砾质土渗透性的影响

5．4．5 膨润土作为外掺剂对砾质土渗透性的影响

5．5 宽级配砾质土的渗流变形及其防护措施

5．5．1 渗透变形的类型

5．5．2 渗透变形产生的条件

5．5．3 渗透变形的判别

5．5．4 防止渗透变形的工程措施

5．5．5 级配上下限内的砾质土渗透破坏形式及处理措施

5．5．6 改良砾质土渗透破坏形式及处理措施的建议

5．6 本章小结

6 宽级配砾质土渗透性的评估

6．1 饱和—非饱和渗流的基本方程及理论简述

6．1．1 渗流数学模型方程的选择

6．1．2 饱和—非饱和渗流的基本方程简述

6．1．3 渗流问题的边界条件

6．2 Comsol Multiphsics简介

6．3 砾质土心墙土石坝的渗流分析

6．3．1 几何模型及材料参数

6．3．2 网格划分及边界条件

6．3．3 模拟结果及分析

6．4 垃圾填埋场的渗流分析

6．4．1 砾质土单层防渗方案

6．4．2 HDPE膜+压实土壤方案

6．4．3 方案对比

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文的主要工作和研究成果

7．2 本文研究的不足之处和后期工作的展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集