膨脹土的裂隙演化機制及其邊坡穩(wěn)定性分析.pdf

1、膨脹土因含有蒙脫石等親水礦物，表現(xiàn)出脹縮性、裂隙性等不良工程特性，對巖土工程建設(shè)產(chǎn)生諸多困擾。降雨-蒸發(fā)循環(huán)作用是膨脹土裂隙產(chǎn)生的主要原因。裂隙導(dǎo)致膨脹土結(jié)構(gòu)碎散、強度衰減，同時也為雨水入滲提供優(yōu)先通道，導(dǎo)致膨脹土飽和度增加、基質(zhì)吸力降低、土體強度進一步喪失，膨脹土邊坡穩(wěn)定性受到威脅。由于裂隙發(fā)育的復(fù)雜性，以及觀測手段的限制，長期以來人們對膨脹土裂隙分布規(guī)律，及其對土體滲透特性、強度特性等方面的影響難以深入研究，理論研究成果相對匱乏。當(dāng)

2、前，伴隨著改善民生、城鎮(zhèn)一體化的呼聲不斷升高，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進、完善，膨脹土地區(qū)的工程問題日益突出。
　　基于此，本文將重點研究膨脹土的裂隙演化機制。通過室內(nèi)試驗和數(shù)值分析方法，系統(tǒng)地研究裂隙的觀測方法和裂隙幾何形態(tài)的定量化指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，揭示了裂隙形態(tài)隨含水率變化的機理和規(guī)律，詳細(xì)分析裂隙對非飽和滲透特性的影響，建立了裂隙動態(tài)土-水特征曲線和滲透系數(shù)方程的理論模型。另外，通過室內(nèi)試驗，對裂隙膨脹土強度進行了研究。引入裂隙-

3、孔隙雙重介質(zhì)模型，分析了裂隙對膨脹土邊坡滲流場和穩(wěn)定性的影響。本文的主要工作和結(jié)論如下：
　?。?）開展了降雨-蒸發(fā)干濕交替作用下的裂隙演化試驗。在實驗室模擬降雨-蒸發(fā)條件，以南京某膨脹土為研究對象，開展膨脹土在干濕交替作用下的裂隙演化試驗，利用固定的數(shù)碼相機觀察記錄膨脹土樣的蒸發(fā)-收縮-開裂、濕化-膨脹-裂隙愈合過程，實現(xiàn)了對裂隙演化過程的跟蹤拍攝。
　?。?）開發(fā)了裂隙圖像識別及裂隙形態(tài)參數(shù)定量分析程序。利用該程序，獲得

4、了不同時刻的裂隙特征參數(shù)，如裂隙平均寬度、裂隙率、分形維數(shù)等，得到了裂隙形態(tài)參數(shù)指標(biāo)與土體含水率的關(guān)系，探討了非飽和膨脹土在干-濕循環(huán)下的裂隙演化規(guī)律。
　?。?）揭示了干濕循環(huán)對膨脹土力學(xué)特性的影響規(guī)律。對反復(fù)干-濕循環(huán)路徑后的土樣分別進行了直接剪切試驗和非飽和三軸壓縮試驗。直剪試驗中，小尺寸的環(huán)刀試樣在干濕循環(huán)過程中產(chǎn)生了明顯裂隙，試驗結(jié)果顯示了強度參數(shù)與裂隙分形維數(shù)D、干濕循環(huán)之間的相互關(guān)系。三軸試驗結(jié)果顯示：反復(fù)干濕循環(huán)使

5、得土體大孔隙體積增加，因此土-水特征曲線中飽和含水率、分形維數(shù)升高，進氣值降低，土體在屈服點前的收縮性增強，抗剪強度衰減。
　?。?）提出了預(yù)測裂隙土-水特征曲線的新方法。利用分形理論對不同含水率下裂隙的靜態(tài)土-水特征曲線進行了描述，結(jié)合失水收縮-濕化愈合過程中的裂隙演化路徑，得到了裂隙動態(tài)土-水特征曲線及滲透函數(shù)方程。
　?。?）建立了裂隙-孔隙雙重介質(zhì)滲流模型。將裂隙膨脹土體視為水力特性不同的裂隙介質(zhì)與孔隙介質(zhì)并存的材料

6、，建立能同時反映兩種水力特性的裂隙-孔隙雙重介質(zhì)滲流模型，對裂隙膨脹土邊坡進行了滲流分析。計算結(jié)果表明：裂隙分布區(qū)域濕潤鋒下降速度明顯高于非裂隙區(qū)域，使得裂隙形成的封閉區(qū)在降雨過程中吸力迅速衰減、達(dá)到飽和，這是膨脹土邊坡失穩(wěn)的根本原因。
　?。?）揭示了裂隙深度、飽和滲透系數(shù)、土體分形維數(shù)和降雨強度等參數(shù)對坡體穩(wěn)定性的影響規(guī)律。計算結(jié)果表明：坡體穩(wěn)定安全系數(shù)與裂隙深度、裂隙開度負(fù)相關(guān)；分形模型中，土體的飽和滲透系數(shù)、進氣值及分維數(shù)