考慮孔隙微細觀特征的黏性土滲透機理研究.pdf

1、黏性土礦物（蒙脫石、伊利石和高嶺石等）與水相互作用，在其顆粒周圍會形成一定厚度的結合水，正因為這部分結合水的存在，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理對以上工程具有重大的理論意義和實用價值。
　　本文首先分析了結合水對黏性土滲透特性的影響，推導出有效孔隙比的計算公式，并對常用的粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式進行修正，得到適用于黏

2、性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式；然后，選取慶陽黏質黃土和合肥黏性土進行一系列試驗分析，驗證了黏性土的滲透系數(shù)經(jīng)驗公式的合理性；其次，借助掃描電鏡觀測了慶陽黏質黃土和合肥黏性土的微細觀孔隙結構，通過對圖像進行處理，得到了孔隙的相關參數(shù)；最后，結合分形理論探討了微細觀參數(shù)對黏性土滲透特性的影響。主要工作及成果如下：
　?。?）以結合水厚度為0.12μm建立土顆粒的二維理想模型，計算結果表明：與粗粒土相比，黏性土中絕大多數(shù)的孔隙被結合水占據(jù)，由

3、于這部分無效孔隙的存在，致使黏性土有孔隙比大而滲透系數(shù)小的特性。為了對有效孔隙進行量化分析，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，推導出了四種計算有效孔隙比的公式，并對典型的粗粒土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式進行修正，得到黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式。通過比較四種計算方法的優(yōu)缺點，最后推薦采用稠度指標法計算黏性土的有效孔隙比。
　?。?）分別從慶陽黏質黃土和合肥黏性土中，選取液限最大和最小的土樣進行熱失重試驗，結合試驗結果計算出四個土

4、樣結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)驗公式計算出所有土樣的滲透系數(shù)。將計算結果與試驗實測值相比較，數(shù)值相差不大。再從其他學者的文獻中選取不同種類黏性土的相關物理參數(shù)，分別代入未修正和修正后的經(jīng)驗公式中求得滲透系數(shù)的計算值，并將其與文獻中實測的平均值進行對比分析，以上結果驗證了黏性土滲透系數(shù)經(jīng)驗公式的正確性。鑒于柯森-卡門滲透系數(shù)公式推導過程較為嚴格，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)驗公式。
　?。?）借助掃描電鏡對14個土樣的微細觀結構進行觀察，并充分發(fā)掘SEM圖像中所蘊藏的大量信息。經(jīng)過一系列的數(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，計算結果與宏觀試驗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，利用圖像處理軟件IPP，提取了孔隙區(qū)域的部分參數(shù)，最終求得被觀測黏性土的有效孔隙比。結果與稠度指標法計算

6、出的有效孔隙比的相對誤差較小。
　?。?）黏性土中有效孔隙的大小分布能夠滿足分形標度和概率密度函數(shù)，則結合分形理論推導出總孔隙的分形維數(shù)Df、結合水的分形維數(shù)Daw，以及有效孔隙的分形維數(shù)De的計算公式，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Yu、Li推求的平均曲折度解析解進行修正，得到了適用于計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)關系，對公認的Hage

7、n-Poiseulle方程進行修正，建立了適用于黏性土滲透系數(shù)計算的分形表達式。模型中6個參數(shù)物理意義明確，且不包含其他經(jīng)驗系數(shù)。
　　（5）推導并驗證了黏性土中有效孔隙長度分布的分形模型，并利用fish語言自編程序，將有效孔隙網(wǎng)絡模型導入通用軟件UDEC中計算等效滲透系數(shù)，最終得到滲透系數(shù)與分形維數(shù)Dι，Dt，Dλ相關的經(jīng)驗方程。分別推導出Dι和有效孔隙長度質量密度的數(shù)學表達式，Dλ和有效孔隙率的數(shù)學表達式，以及Ld和Dι的數(shù)學