黏性土矿物(蒙脱石、伊利石和高岭石等)与水相互作用,在其颗粒周围会形成一定厚度的结合水,正因为这部分结合水的存在,使得黏性工具备和其他土体完全不同的渗透特性,从而成为水利水电工程、垃圾填埋工程和核废料处理工程中不可或缺的天然防渗材料。因此深入探究黏性土的渗透机理对以上工程具有重大的理论意义和实用价值。本文首先分析了结合水对黏性土渗透特性的影响,推导出有效孔隙比的计算公式,并对常用的粗粒土渗透系数经验公式进行修正,得到适用于黏性土的渗透系数经验公式;然后,选取庆阳黏质黄土和合肥黏性土进行一系列试验分析,验证了黏性土的渗透系数经验公式的合理性;其次,借助扫描电镜观测了庆阳黏质黄土和合肥黏性土的微细观孔隙结构,通过对图像进行处理,得到了孔隙的相关参数;最后,结合分形理论探讨了微细观参数对黏性土渗透特性的影响。主要工作及成果如下:(1)以结合水厚度为0.12μm建立土颗粒的二维理想模型,计算结果表明:与粗粒土相比,黏性土中绝大多数的孔隙被结合水占据,由于这部分无效孔隙的存在,致使黏性土有孔隙比大而渗透系数小的特性。为了对有效孔隙进行量化分析,分别以不同粒径的三维理论模型和土体的宏观参数为基础,推导出了四种计算有效孔隙比的公式,并对典型的粗粒土渗透系数经验公式进行修正,得到黏性土渗透系数经验公式。通过比较四种计算方法的优缺点,最后推荐采用稠度指标法计算黏性土的有效孔隙比。(2)分别从庆阳黏质黄土和合肥黏性土中,选取液限最大和最小的土样进行热失重试验,结合试验结果计算出四个土样结合水含量占液限的比例系数。确定α0后,利用黏性土渗透系数经验公式计算出所有土样的渗透系数。将计算结果与试验实测值相比较,数值相差不大。再从其他学者的文献中选取不同种类黏性土的相关物理参数,分别代入未修正和修正后的经验公式中求得渗透系数的计算值,并将其与文献中实测的平均值进行对比分析,以上结果验证了黏性土渗透系数经验公式的正确性。鉴于柯森-卡门渗透系数公式推导过程较为严格,而且公式中参数的物理意义明确,因此推荐采用由稠度指标法修正的柯森-卡门公式作为黏性土渗透系数的经验公式。(3)借助扫描电镜对14个土样的微细观结构进行观察,并充分发掘SEM图像中所蕴藏的大量信息。经过一系列的数据处理,得到SEM图像中土样的二维孔隙比和三维孔隙比。在放大1000倍的条件下,计算结果与宏观试验方法得到的孔隙比相差不大。将放大1000倍的SEM图像中的土颗粒与孔隙分割开,利用图像处理软件IPP,提取了孔隙区域的部分参数,最终求得被观测黏性土的有效孔隙比。结果与稠度指标法计算出的有效孔隙比的相对误差较小。(4)黏性土中有效孔隙的大小分布能够满足分形标度和概率密度函数,则结合分形理论推导出总孔隙的分形维数Df、结合水的分形维数Daw,以及有效孔隙的分形维数De的计算公式,公式中的所有参数都有明确的物理意义。利用有效孔隙率对Yu、Li推求的平均曲折度解析解进行修正,得到了适用于计算黏性土有效孔隙平均曲折度的公式。将有效孔隙曲折度与曲折度分形维数Dt建立起联系。利用以上得到的参数关系,对公认的Hagen-Poiseull e方程进行修正,建立了适用于黏性土渗透系数计算的分形表达式。模型中6个参数物理意义明确,且不包含其他经验系数。(5)推导并验证了黏性土中有效孔隙长度分布的分形模型,并利用fish语言自编程序,将有效孔隙网络模型导入通用软件UDEC中计算等效渗透系数,最终得到渗透系数与分形维数Dl,Dt,Dλ相关的经验方程。分别推导出Dl和有效孔隙长度质量密度的数学表达式,Dλ和有效孔隙率的数学表达式,以及LD和Dl的数学表示式。从原始模型中提取不同旋转角度、不同大小的168个有效孔隙网络模型并进行数值计算,得到与不同Dl相对应的等效渗透系数椭圆,计算分析分形维数Dl和模型边长对等效渗透系数方向性的影响,该等效渗透系数椭圆可用来预测某一黏性土场地中最大和最小等效渗透系数的大小和方向。