不均匀沉降引起压实粘土屏障开裂及优势渗流分析

摘要

垃圾填埋体的不均匀沉降等因素容易引起压实粘土屏障张拉开裂，裂隙的出现为外部水分进入填埋场内提供优先路径，显著降低压实粘土屏障的防渗性能，从而使得渗滤液的产量增大，引起垃圾填埋场失稳或渗沥液渗漏等重大工程事故。
　　为了揭示压实粘土屏障在不均匀沉降下的张拉开裂性状，本文采用PIV(ParticleImageVelocimetry)技术测量裂纹扩展过程中的应变变化，开展了压实粘土梁的三点弯曲试验，详细研究了粘土的张拉开裂过程，以及含水量对粘土开裂性状的影响。另一方面，为研究裂隙对粘土屏障防渗性能的影响，本文将其作为高渗透性的多孔介质材料，建立了含单一裂隙压实粘土层的饱和/非饱和渗流模型，数值研究了含裂隙粘土层中的水分运移过程，对比分析了裂隙发育位置、深度、宽度和渗透系数对压实粘土屏障水分击穿时间和稳定渗漏量的影响。试验和数值分析的结果表明:
　　(1)裂隙的发育位置对压实粘土层防渗性能有重要影响。底部裂隙对其防渗性能影响极小;顶部裂隙对稳定渗漏量影响很小，但会显著缩短水分击穿时间;贯通裂隙则会显著缩短水分击穿时间和增大稳定渗漏量。因此，压实粘土屏障服役期间应重点控制顶部裂隙的发育，并且严禁出现贯通裂隙。
　　(2)对于顶部裂隙，随裂隙深度、宽度和饱和渗透系数增大，水分击穿时间大大缩短，稳定渗漏量不断增加;当裂隙渗透性足够大时，击穿时间主要受裂隙下部有效土层厚度控制，可将顶部裂隙近似作为入渗边界。因此，当粘土层顶部发育裂隙时，需要对裂隙的宽度和深度进行有效控制，并应重点控制裂隙的发育深度。
　　(3)粘土的抗裂性能随含水量增大而显著提高，当含水量从32.6％增至37.0％时，临界开裂应变从2.4％增大至4.1％，但粘土的抗拉强度和弹性模量均显著降低。因此，在压实粘土层施工和服役过程中，应对压实粘土采取保湿措施，以提高其抗变形能力。
　　(4)压实粘土层底部的拉伸应变与差异沉降的大小密切相关，可以根据差异沉降近似计算粘土层底部拉伸应变的大小。另外，裂纹出现后，随中点位移增加，粘土梁中的裂纹宽度呈近似线性地增长，而裂纹深度呈阶梯式快速增长，且裂纹前期扩展迅速，后期扩展较为缓慢。因此，填埋场设计中应有效地控制或减小场后差异沉降的大小。
　　(5)含水量对压实粘土梁的弯曲开裂性状有显著影响。随含水量的增加，粘土梁中的裂纹扩展速度放缓，压实粘土梁由脆性断裂逐渐转变为延性破坏，并且裂纹尖端的塑性区域随含水量增加而不断扩大。
　　(6)PIV测试技术能有效地揭示粘土梁弯曲开裂过程中的应变局部化现象，以及起裂位置的应变发展过程，具有传统测试方法不可替代的优越性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 终场覆盖系统

1．1．2 不均匀沉降引起压实粘土屏障开裂及优势渗流问题

1．2 关键科学问题

1．3 粘土张拉开裂问题

1．3．1 粘土拉伸特性的试验研究

1．3．2 岩土材料中的裂纹扩展模拟

1．3．3 现有研究的不足

1．4 含裂隙压实粘土层的渗流问题

1．4．1 粘土覆盖中水分运移的模拟

1．4．2 含裂隙土层的渗流模拟

1．4．3 现有研究的不足

1．5 本文的主要研究内容

第二章 土梁弯曲试验装置的研制

2．1 引言

2．2 土样制备

2．2．1 土料参数

2．2．2 制样方法

2．2．3 制样过程

2．2．4 土梁均匀性检验

2．3 土梁弯曲试验装置

2．3．1 试验装置组成及功能

2．3．2 反力支架及支座

2．3．3 试验加载系统

2．3．4 试验测量系统

2．4 PIV测试技术

2．4．1 PIV分析的基本原理

2．4．2 PIV控制点标定

2．4．3 PIV测试

2．4．4 应变计算方法

2．5 试验过程

2．6 本章小结

第三章 土梁弯曲试验结果及分析

3．1 引言

3．2 土梁弯曲开裂过程分析

3．2．1 裂纹扩展过程

3．2．2 裂纹深度和宽度的发展过程

3．2．3 土梁中跨荷载的发展过程

3．2．4 裂纹附近区域的应变发展过程

3．2．5 起裂位置的应变发展过程

3．3 含水量对土梁弯曲性状的影响

3．3．1 含水量对土梁断裂特征的影响

3．3．2 含水量对等效弹性模量的影响

3．3．3 含水量对抗拉强度的影响

3．3．4 含水量对临界开裂应变的影响

3．4 本章小结

第四章 裂隙优势渗流对粘土屏障防渗性能的影响

4．1 引言

4．2 含裂隙压实粘土层的渗流模型

4．2．1 分析模型

4．2．2 控制方程

4．2．3 边界条件

4．2．4 初始条件

4．3 裂隙对水分入渗过程的影响分析

4．3．1 总渗漏量的发展过程

4．3．2 孔隙水压力的发展过程

4．4 水分击穿时间的参数分析

4．4．1 裂隙深度对水分击穿时间的影响

4．4．2 裂隙宽度对水分击穿时间的影响

4．4．3 裂隙饱和渗透系数对水分击穿时间的影响

4．5 稳定渗漏量的参数分析

4．5．1 含裂隙粘土层顶(底)部竖向流速的分布

4．5．2 裂隙深度对稳定渗漏量的影响

4．5．3 裂隙宽度对稳定渗漏量的影响

4．5．4 裂隙饱和渗透系数对稳定渗漏量的影响

4．6 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 本文主要结论

5．2 进一步研究的建议及展望

参考文献

作者简历及科研情况