砂泥岩混合料各向异性渗透特性试验研究

摘要

从各向异性渗流的特点出发，研制了砂泥岩混合料各向异性渗透仪，并利用该试验仪器，试验研究了砂泥岩颗粒混合料室内击实试样的渗透各向异性问题。基于试验研究成果，探讨了砂泥岩颗粒含量比例、颗粒级配、试样干密度等因素对砂泥岩颗粒混合料渗透各向异性的影响，并阐释了砂泥岩混合料试样各向异性渗透特性的机理。采用数值模拟方法，以均质土石坝为例，计算分析了考虑各向异性渗流特性对坝体浸润线、渗流场分布、坝坡稳定性等的影响。具体研究内容及结论如下:
　　 (1)基于Darcy定律和常水头渗透试验方法，研制了研究砂泥岩混合料各向异性渗透特性的试验仪器。试验仪器的试样形态为长方体，仪器的前、后盖及上盖可以自如开启及闭合，便于制备研究水平、垂直两个方向渗透特性的试样。从密封性、水流取向、仪器尺寸、侧壁渗漏、测压管位置、饱和方式等方面对砂泥岩混合料各向异性渗透仪的合理性、适用性、及试验成果的可靠性进行了验证。
　　 (2)利用研制的试验仪器，研究了砂泥岩颗粒混合料室内击实试样分别在平行于击实方向和垂直于击实方向的渗透特性。在不同砂泥岩颗粒含量比例、颗粒级配、试样干密度等条件下进行了渗透试验，基于试验成果，探讨了渗透势、颗粒分布分维值、泥岩颗粒百分含量、试样干密度、特征粒径等对渗透系数及临界梯度的影响。
　　 (3)基于渗透试验成果，利用各向异性系数的概念，分析了砂泥岩颗粒混合料室内击实试样的各向异性渗透特性，结果表明，总体而言，平行于击实方向的渗透系数比垂直于击实方向的渗透系数大1.59倍，各向异性渗透特性明显。
　　 (4)根据砂泥岩颗粒形状结构特性及制样方法的特点，提出了片状颗粒“错缝墙”渗透模型及密度不均匀分布“串并联”渗透模型，利用该模型解释了砂泥岩混合料试样各向异性渗透特性的机理。
　　 (5)基于饱和—非饱和理论，以均质土石坝为例，通过计算分析坝体浸润线、渗流场分布、坝坡稳定性等问题，论证了考虑各向异性渗流特性的必要性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 土体渗透理论分析法

1．2．2 常水头室内渗透试验的测试方法

1．2．3 变水头室内渗透试验的测试方法

1．2．4 现场试验方法

1．2．5 各向异性渗透试验

1．2．6 目前存在的问题

1．3 本文研究内容及目标

1．3．1 各向异性渗透特性的试验方法

1．3．2 平行层面、垂直层面的渗透特性

1．3．3 各向异性渗透特性机理

1．4 本文研究采用的技术路线

第二章 试验仪器及试验方法

2．1 概述

2．2 试验原理

2．3 试验仪器

2．4 试验方法

2．4．1 层流状态

2．4．2 试验仪器尺寸

2．4．3 水流的取向

2．4．4 仪器密封性

2．4．5 侧壁渗漏

2．4．6 测压管位置

2．4．6 水、温度的影响

2．4．7 饱和方式

2．5 试验步骤

2．5．1 仪器密封性检查

2．5．2 传感器标定

2．5．3 制样

2．5．4 饱和试样

2．5．5 加压

2．5．6 数据整理

2．6 本章小结

第三章 试验土料制备及试验方案

3．1 概述

3．2 砂岩、泥岩的物理力学性质

3．2．1 物理性质

3．2．2 力学性质

3．3 土料制备方法

3．3．1 人工破碎

3．3．2 破碎机破碎

3．3．3 筛分

3．4 试验土料配制

3．4．1 试验土料级配

3．4．2 试样干密度

3．4．3 砂、泥岩颗粒含量比例

3．4．4 颗粒形状

3．5 试验方案设计

3．6 本章小结

第四章 平行层面的渗透特性

4．1 概述

4．2 砂、泥岩颗粒比例对渗透特性的影响

4．2．1 试验结果

4．2．2 试验结果分析

4．3 颗粒级配对渗透特性的影响

4．3．1 拟合因素分析

4．3．2 试验结果

4．3．3 试验结果分析

4．4 密实度对渗透特性的影响

4．4．1 试验结果

4．4．2 试验结果分析

4．5 正交试验

4．5．1 试验结果

4．5．2 试验结果分析

4．6 本章小结

第五章 垂直层面的渗透特性

5．1 概述

5．2 砂泥岩颗粒比例对渗透特性的影响

5．2．1 试验结果

5．2．2 试验结果分析

5．3 颗粒级配对渗透特性的影响

5．3．1 试验结果

5．3．2 试验结果分析

5．4 密实度对渗透特性的影响

5．4．1 试验结果

5．4．2 试验结果分析

5．5 正交试验

5．5．1 试验结果

5．5．2 试验结果分析

5．6 本章小结

第六章 各向异性渗透特性机理

6．1 概述

6．2 各向异性渗透特性分析

6．2．1 砂泥岩颗粒比例

6．2．2 颗粒级配

6．2．3 试样干密度

6．2．4 正交试验各向异性规律

6．3 各向异性渗透机理

6．3．1 各向异性细观机理

6．3．2 各向异性宏观机理

6．4 等效均质渗透系数

6．5 本章小结

第七章 各向异性渗流及稳定性分析

7．1 概述

7．2 各向异性渗流及稳定性计算原理

7．2．1 各向异性渗流

7．2．2 渗流稳定性

7．3 计算参数及方案

7．4 渗流分析

7．4．1 浸润线

7．4．2 流速分布

7．5 稳定性分析

7．5．1 滑动面及塑性应变

7．5．2 安全系数

7．6 结论

第八章 总结与展望

8．1 全文总结

8．2 研究展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果