考虑裂隙的膨胀土非饱和渗透特性研究及应用

摘要

裂隙土广泛分布于自然界及实际工程中。裂隙是引起诸如边坡失稳等岩土问题的关键因素。裂隙膨胀土渗透特性的研究对分析裂隙对诸多岩土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渗透特性的影响，但是土中裂隙十分复杂，由于相关理论和试验仪器缺乏，目前针对裂隙非饱和渗透特性的研究报道较少。
　　本文以数值试验为主，开展考虑裂隙的膨胀土非饱和渗透特性研究及应用。为叙述方便，文中将裂隙膨胀土简称裂土，完整膨胀土简称土体，裂隙系统简称裂隙。主要开展的工作包括：（1）由膨胀土室内模拟失水开裂试验，获得膨胀土表面裂隙的分布，从而得到了裂隙与含水量之间的关系。（2）由膨胀土SWCC试验和饱和渗透试验结果，利用Geo-Studio软件反演程序得到完整膨胀土的非饱和水力参数。（3）基于单裂隙非饱和水力模型，应用理论方法和数值试验方法推导了裂隙的非饱和水力参数。（4）为了克服现有方法在研究膨胀土非饱和渗透特性时无法反映裂隙对其的影响的不足，本文基于完整膨胀土渗透特性、膨胀土失水开裂裂隙分布、单裂隙非饱和渗透特性和相关假设，利用数值试验方法，开展考虑裂隙影响的膨胀土非饱和渗透特性及REV研究。通过逐步增大计算尺度，寻找使非饱和渗透参数都趋于稳定时的最小尺度，这个最小尺度即裂隙膨胀土的 REV，稳定值即为裂隙膨胀土的非饱和渗透特性参数。（5）基于Richards方程，使用建立的考虑裂隙影响的非饱和渗透特性参数，利用 Geo-Studio有限元软件对膨胀土边坡在降雨入渗作用下的稳定性进行分析。主要有以下结论：
　　（1）由室内试验和理论公式预测得到完整膨胀土的土水特征曲线和饱和渗透系数可知：若不考虑裂隙的对膨胀土渗透特性的影响，膨胀土的渗透性极低，可以认为几乎是不透水的。另外，对 SWCC试验完成后取出的试样观察发现，试验表面无裂隙出现，仅仅出现体积收缩。这一现象说明，基于试验和理论预测得到的非饱和水力参数反映只是膨胀土本身的性质，没有反映裂隙的存在对膨胀土的非饱和渗透特性的影响。
　　（2）考虑裂隙影响的膨胀土土水特征曲线及 REV数值试验研究结果表明：裂土的REV是存在的，其大小为6～8cm；裂隙的开展使膨胀土基质吸力显著降低，土体持水能力变差。随着膨胀土的含水率降低，裂土的基质吸力可降至土体的基质吸力大小的1/30～1/50。例如，当初始干密度为1.5g/cm3的试样的体积含水率为12.33％时，裂土的基质吸力为276.55KPa，土体的基质吸力为16453.78KPa，裂土的基质吸力值为土体的基质吸力的0.02倍；当初始干密度为1.5g/cm3的试样的体积含水率为11.70%时，裂土的基质吸力为284.39KPa，土体的基质吸力为8456.34KPa，裂土的基质吸力值为土体的基质吸力的0.03倍。
　　（3）考虑裂隙影响的膨胀土渗透函数及 REV数值试验研究结果表明：裂土的REV是存在的，其大小为3～4cm；裂隙的开展使膨胀土渗透系数增大，土体的渗透性变大。随着膨胀土的含水率降低，裂土的渗透系数可比土体的渗透系数大1～2个数量级。例如，当干密度为1.5g/cm3的试样的体积含水率为12.33%时，裂土的渗透系数为7.334×10-15cm/s，土体的渗透系数为6.744×10-17cm/s，裂土的渗透系数比土体的渗透系数大2个数量级；当干密度为1.6g/cm3的试样的体积含水率为12.33%时，裂土的渗透系数为8.054×10-15cm/s，土体的渗透系数为3.544×10-16cm/s，裂土的渗透系数比土体的渗透系数大1个数量级。
　　（4）在对降雨入渗条件下膨胀土边坡稳定性分析时，如果不考虑裂隙的影响或者仅仅考虑裂隙对膨胀土非饱和渗透特性、土体强度中某一参数的影响，计算得出的边坡的稳定系数均大于2.0，说明膨胀土边坡是相当安全的，这与实际情况不相符。而考虑裂隙对渗透特性及土体强度的影响的膨胀土边坡稳定性分析方法计算得出的稳定系数为1.282，要小的多，可以较好的评价边坡产生滑动的可能性，以及滑坡的稳定性。膨胀土边坡稳定性计算结果表明：在对膨胀土边坡进行稳定性评价时，只有考虑了裂隙的影响得出的结论才更准确，才更符合工程实际。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究进展

1.3 主要研究内容

1.4 研究方法及技术路线

2 膨胀土失水开裂裂隙分布试验研究

2.1 膨胀土基本物性指标

2.2 膨胀土胀缩特性指标

2.3 膨胀土失水开裂裂隙分布实验

2.4 裂隙定量评价方法

2.5 实验成果分析

2.6 本章小结

3 含裂隙膨胀土土水特征曲线数值实验研究

3.1 土体土水特征曲线实验研究

3.2 土体土水特征曲线试验

3.3 土体土水特征曲线模型及曲线拟合

3.4 裂隙土水特征曲线研究

3.5 裂土土水特征曲线数值试验研究

3.6 本章小结

4 含裂隙膨胀土渗透函数数值实验研究

4.1 土体的渗透系数试验研究

4.2 饱和渗透试验

4.3 土体的渗透函数研究

4.4 裂隙的渗透函数研究

4.5 裂土的渗透函数数值试验研究

4.6 本章小结

5 考虑裂隙影响的膨胀土边坡稳定性分析

5.1 膨胀土边坡的破坏类型

5.2 裂隙对膨胀土边坡稳定性的影响

5.3 降雨入渗膨胀土边坡稳定性分析方法

5.4 降雨入渗膨胀土边坡稳定性分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

参考文献

致谢

附录：