论文部分内容阅读
膨胀土在我国20余个省(市、自治区)都有分布,具有强胀缩性、多裂隙性和超固结性,极易引发工程灾害。天然状态下膨胀土受应力、降雨、蒸发、地下水入渗等环境因素影响,往往处于非饱和状态,含水量的改变会显著影响土体水力-力学性质。土-水特征曲线(Soil-water Characteristic Curve,SWCC)可以反映非饱和土在一定基质吸力下的水力特性,它在分析和预测非饱和土的土-水特性中发挥着重要作用,土-水特征曲线模型也是定量描述和预测土体水分运移的重要基础。本文以南阳弱膨胀土和合肥弱膨胀土为研究对象,分别以覆土压力和干湿循环次数为影响因素,研究分析了不同扰动状态下膨胀土的土-水特征曲线。主要研究内容如下:首先,使用应力相关土-水特征曲线压力板仪,研究不同覆土压力(0、40、100、200kPa)对南阳膨胀土SWCC的影响并建立相应模型,结论如下:(1)试验得到双峰SWCC。膨胀土持水能力随覆土压力的增大而减小,差异性明显。SWCC形态也随覆土压力的变化而变化,其中,较小覆土压力(0~40kPa)对SWCC形态影响不显著,200kPa覆土压力下双峰SWCC的边界效应段Ⅱ显著延长,双峰形态最为明显。此外,覆土压力对SWCC2进气值的影响强于对SWCC1进气值的影响。(2)膨胀土孔隙比变化对50kPa以上的基质吸力更敏感,覆土压力引起的孔隙比降幅是基质吸力引起的孔隙比降幅的2.12倍,说明覆土压力对土体孔隙比的影响比基质吸力更显著,应力作用下膨胀土的体积收缩,由覆土压力引起的粒间孔隙失水占主导地位。(3)建立了以覆土压力和基质吸力为变量的双峰SWCC模型,以南阳膨胀土实测数据验证了模型的精确度和可靠性,部分拟合参数可以有效地反映不同覆土压力下土-水特征曲线的特征点和特征吸力域的变化规律,并且SWCC1拟合参数与覆土压力呈良好的线性关系。其次,对合肥膨胀土开展干湿循环试验(0、1、2、3、4、5次)获取土体裂隙,通过CT扫描和图像处理对土体裂隙开展定量化研究,利用土-水特征曲线压力板仪测得不同干湿循环次数下裂隙膨胀土的SWCC并建立相应模型,结论如下:(1)定义三维裂隙度(三维体积裂隙度和三维面积裂隙度)并结合裂隙内表面积评价膨胀土裂隙发育情况,三维体积裂隙度和裂隙内表面积与干湿循环次数的关系可用Slogistic3函数表示,三维面积裂隙度和干湿循环次数的关系可用Slogistic1函数表示。随着干湿循环次数的增加,裂隙体积、平均裂隙面积和裂隙内表面积均增加,然而5次干湿循环作用下,由于裂隙宽度缩窄,裂隙体积和平均面积反而小幅度降低,但裂隙缩窄并没有达到裂隙闭合的程度。(2)裂隙膨胀土SWCC表现出“双峰”形态。膨胀土持水能力随干湿循环次数的增加而减弱,差异性明显;基质吸力大于100kPa后,不同干湿循环次数下裂隙膨胀土持水特性逐渐趋于一致;SWCC2进气值随干湿循环次数的增加而减小,干湿循环效应对SWCC2特征点的影响强于对SWCC1特征点的影响。(3)通过灰色关联分析方法(Grey Relational Analysis,GRA)得出,三维体积裂隙度与土体持水能力相关性最强,内表面积次之,三维面积裂隙度相关性最弱。(4)建立了以干湿循环次数和基质吸力为变量的双峰SWCC模型,以合肥膨胀土实测数据验证了模型的精确度和可靠性,拟合参数与干湿循环次数皆呈现良好的线性关系。研究对高荷载和干湿循环裂隙扰动下非饱和膨胀土的工程理论和实践有一定的参考价值,可为膨胀土地区农业节水灌溉工程研究以及水土流失、边坡失稳等灾害防治方法的研究提供一定科学依据。