考慮孔隙微細(xì)觀特征的黏性土滲透機(jī)理研究.pdf

1、黏性土礦物（蒙脫石、伊利石和高嶺石等）與水相互作用，在其顆粒周圍會(huì)形成一定厚度的結(jié)合水，正因?yàn)檫@部分結(jié)合水的存在，使得黏性土具備和其他土體完全不同的滲透特性，從而成為水利水電工程、垃圾填埋工程和核廢料處理工程中不可或缺的天然防滲材料。因此深入探究黏性土的滲透機(jī)理對(duì)以上工程具有重大的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
　　本文首先分析了結(jié)合水對(duì)黏性土滲透特性的影響，推導(dǎo)出有效孔隙比的計(jì)算公式，并對(duì)常用的粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，得到適用于黏

2、性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式；然后，選取慶陽(yáng)黏質(zhì)黃土和合肥黏性土進(jìn)行一系列試驗(yàn)分析，驗(yàn)證了黏性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的合理性；其次，借助掃描電鏡觀測(cè)了慶陽(yáng)黏質(zhì)黃土和合肥黏性土的微細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行處理，得到了孔隙的相關(guān)參數(shù)；最后，結(jié)合分形理論探討了微細(xì)觀參數(shù)對(duì)黏性土滲透特性的影響。主要工作及成果如下：
　?。?）以結(jié)合水厚度為0.12μm建立土顆粒的二維理想模型，計(jì)算結(jié)果表明：與粗粒土相比，黏性土中絕大多數(shù)的孔隙被結(jié)合水占據(jù)，由

3、于這部分無(wú)效孔隙的存在，致使黏性土有孔隙比大而滲透系數(shù)小的特性。為了對(duì)有效孔隙進(jìn)行量化分析，分別以不同粒徑的三維理論模型和土體的宏觀參數(shù)為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出了四種計(jì)算有效孔隙比的公式，并對(duì)典型的粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正，得到黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。通過(guò)比較四種計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最后推薦采用稠度指標(biāo)法計(jì)算黏性土的有效孔隙比。
　　（2）分別從慶陽(yáng)黏質(zhì)黃土和合肥黏性土中，選取液限最大和最小的土樣進(jìn)行熱失重試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出四個(gè)土

4、樣結(jié)合水含量占液限的比例系數(shù)。確定α0后，利用黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出所有土樣的滲透系數(shù)。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相比較，數(shù)值相差不大。再?gòu)钠渌麑W(xué)者的文獻(xiàn)中選取不同種類黏性土的相關(guān)物理參數(shù)，分別代入未修正和修正后的經(jīng)驗(yàn)公式中求得滲透系數(shù)的計(jì)算值，并將其與文獻(xiàn)中實(shí)測(cè)的平均值進(jìn)行對(duì)比分析，以上結(jié)果驗(yàn)證了黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式的正確性。鑒于柯森-卡門滲透系數(shù)公式推導(dǎo)過(guò)程較為嚴(yán)格，而且公式中參數(shù)的物理意義明確，因此推薦釆用由稠度指標(biāo)法修正的柯

5、森-卡門公式作為黏性土滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。
　?。?）借助掃描電鏡對(duì)14個(gè)土樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，并充分發(fā)掘SEM圖像中所蘊(yùn)藏的大量信息。經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理，得到SEM圖像中土樣的二維孔隙比和三維孔隙比。在放大1000倍的條件下，計(jì)算結(jié)果與宏觀試驗(yàn)方法得到的孔隙比相差不大。將放大1000倍的SEM圖像中的土顆粒與孔隙分割開(kāi)，利用圖像處理軟件IPP，提取了孔隙區(qū)域的部分參數(shù)，最終求得被觀測(cè)黏性土的有效孔隙比。結(jié)果與稠度指標(biāo)法計(jì)算

6、出的有效孔隙比的相對(duì)誤差較小。
　?。?）黏性土中有效孔隙的大小分布能夠滿足分形標(biāo)度和概率密度函數(shù)，則結(jié)合分形理論推導(dǎo)出總孔隙的分形維數(shù)Df、結(jié)合水的分形維數(shù)Daw，以及有效孔隙的分形維數(shù)De的計(jì)算公式，公式中的所有參數(shù)都有明確的物理意義。利用有效孔隙率對(duì)Yu、Li推求的平均曲折度解析解進(jìn)行修正，得到了適用于計(jì)算黏性土有效孔隙平均曲折度的公式。將有效孔隙曲折度與曲折度分形維數(shù)Dt建立起聯(lián)系。利用以上得到的參數(shù)關(guān)系，對(duì)公認(rèn)的Hage

7、n-Poiseulle方程進(jìn)行修正，建立了適用于黏性土滲透系數(shù)計(jì)算的分形表達(dá)式。模型中6個(gè)參數(shù)物理意義明確，且不包含其他經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
　　（5）推導(dǎo)并驗(yàn)證了黏性土中有效孔隙長(zhǎng)度分布的分形模型，并利用fish語(yǔ)言自編程序，將有效孔隙網(wǎng)絡(luò)模型導(dǎo)入通用軟件UDEC中計(jì)算等效滲透系數(shù)，最終得到滲透系數(shù)與分形維數(shù)Dι，Dt，Dλ相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方程。分別推導(dǎo)出Dι和有效孔隙長(zhǎng)度質(zhì)量密度的數(shù)學(xué)表達(dá)式，Dλ和有效孔隙率的數(shù)學(xué)表達(dá)式，以及Ld和Dι的數(shù)學(xué)