英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
剪切对粘性土渗透性的影响
摘要：应力应变状态的变化引起粘性土渗透性的变化，进而影响土体的渗流和固结特性。以往的研究主要忽略了土体在剪切过程中渗透性的变化，对这种情况下的渗透性没有合理的描述。为了研究黏性土在剪切过程中渗透系数的变化规律，在传统三轴仪的基础上设计了新型三轴渗流装置。通过该设备在不同围压下进行的一系列试验，研究了黏性土的应力-应变状态对渗透系数的影响。在此基础上，建立了大剪切变形条件下粘性土渗透系数的数学模型。渗流试验结果与模型计算值的对比表明，该数学模型能够很好地校正剪切过程中孔隙比和细观结构对土体导水性能的影响。
关键词：剪切;三轴渗透试验;渗透系数;粘性土;孔隙比;剪切应力水平
简介
土石坝因其对不均匀变形的适应能力强，对材料要求不高，是一种常用的坝型。在中国，高土石坝被用在多个在建或计划中的水电工程项目，例如261.5米高的诺扎渡大坝，312米高的双江口大坝，294米高的梁河口大坝和241米高的长河坝。
粘土作为土石坝防渗材料的应用十分广泛。土石坝在建造和蓄水过程中，堆芯材料的应力-应变状态发生了复杂的变化。特别是对于高土石坝，这些变化大到足以引起芯材渗透性的显著变化。在以往的研究中，粘土在剪切过程中渗透性的变化大多没有考虑。因此，传统的心墙孔隙水压力固结分析结果与现场监测值存在较大差异，特别是对于高坝而言。例如中国黄河上已经建成12年的160米高的小浪底土石坝。但是，心墙部分区域的孔隙水压力仍然很高，总水头甚至大于坝顶标高，并随水库水位周期性变化(Chen et al. 2005). 云南省澜沧江上的诺扎渡大坝于2012年底建成，但其心墙超静孔隙水压力比理论计算值大数倍(Zou et al. 2012).
渗透系数是土体中最重要的参数之一，对土体的渗流和固结有着重要的影响。近几十年来，人们对粘性土的渗透性进行了大量的研究，主要集中在土体的物理状态和力学状态对土体渗透性的影响上。
Marshall(1958)研究了各向同性材料中渗透率与孔隙大小分布之间的关系，并推导出了解释这种关系的预测方程。Mesri(1971)从物理化学和力学变量两方面对导水系数进行了评价，得出导水系数主要受孔洞尺寸分布和孔道弯曲度的影响。Garcia-Bengochea等人(1979)利用孔隙大小分布测量，研究了实验室压实粘土粉砂的渗透性和压实变量之间的关系。Samarasinghe等(1982)发现正常固结土的渗透性(k)与孔隙比有关
其中C=常数，与k单位相同;n =常数取决于土壤类型。Bryant和Richardson(1992)通过试验研究了海相粘土的渗透率(k)与孔隙度之间的关系，为
其中beta;为孔隙度。Liu(1992)研究了土壤的孔隙大小、矿物组成、含水量、细观结构对渗透性的影响，建立了渗透性和孔隙比之间的经验关系。根据一系列固结试验，Xie等(2005)得出土体的水力导率在固结过程中逐渐减小，并推导出孔隙比(e)与渗透系数(k)的关系式。
其中Ck=常数;lgx(或logx)=log10x;且k0=孔隙比为e0时的渗透系数。Yin(2009)发现相对压实度（RC），相当于孔隙比（e），对完全分解花岗岩的水力传导率（k）有显著影响，RC和e都与lnk呈线性关系。
这些研究从物理状态的角度研究粘性土的渗透性，而分形理论(例如，Thevanayagam和Nesarajah 1998;Xu和Sun 2002)在其中的一些研究中使用了描述土壤孔隙的方法。此外，(如Hardcastle和Mitchell 1974;Bowders 和 Daniel 1987;Anandarajah 2003)在流体性质的影响方面取得了许多成就、(如Ghabchi et al. 2015)得到了粘性土的集料级配、形状参数和形状参数。然而，应力-应变状态等因素对渗透率也有显著影响;因此，一些研究人员研究了总应力、有效应力、固结前土体的初始孔隙比、水力梯度、渗透方向和固结程度对渗透性能的影响(Kodikara 和 Rahman 2002;Dunn 和 Mitchell 1984; Chan 和 Kenney 1973; Fox 1996).
Carpenter和Stephenson(1986)调查了一些因素的影响[即:，试件尺寸、水力梯度、试验持续时间和体积应变(由有效应力引起)]对水力传导率的影响。Chu等人(2002)通过实验室和现场试验研究了海洋粘土的渗透性和固结特性。他们测定了土壤在垂直和水平方向的渗透性，并得出结论，土壤的水力传导率随深度降低。Li和Luo（2006）研究了围压对粘质土渗透性的影响，结果表明在半对数坐标系下，渗透系数与孔隙比近似呈线性关系，渗透系数随围压和固结度的增加而减小。
到目前为止，渗透性的研究主要集中在物理状态和应力状态对土体渗透性的影响上，且几乎所有的研究都是在各向同性固结条件下进行的，不能代表剪切变形过程中的渗透性。根据试验结果，研究了黏性土的渗透系数与物理机械状态之间的关系。在此基础上，建立了剪切变形过程中渗透系数变化的数学模型。
测试设备和测试方法
设备在常规三轴仪的基础上设计(见图1)，由三轴剪切试验系统、渗水进出水口系统、渗透压力系统和渗透能力测量系统组成。新设备采用椭圆底座和加载帽取代了传统三轴仪的圆形底座和加载帽。用于放置土样的基座平台为矩形，且矩形平台与椭圆形截面基座之间存在渐近过渡。可采用长方体土样，高11 cm，长9 cm，宽4.5 cm。三轴渗透试验设备的试验布置如图2所示。
在支座和承台上分别增设渗水进水口和渗水出水口，使水在剪切过程中可以向三个方向任意渗透。通过控制进、出口阀门，可在立方体试样的不同侧面施加渗透压力;由此得到三个方向的渗流情况。渗漏流量由连接进、出口的滴定管测量。试验中，通过改变围压和轴压，研究不同围压下土体在剪切过程中的渗流特性。
在渗透试验中，将支座、试样和加载帽用橡胶膜包裹，并在室内施加恒定的围压。固结阶段结束后，施加轴向荷载进行剪切作用。剪切速率控制在0.012 mm/min，以保证试件内超静孔隙水压力的充分消散。当剪切位移达到设定值时，暂停轴向加载，并打开进口阀施加渗流压力。同时记录围压、竖向应力应变和渗流速率，得到该加载阶段试件的水力传导率。然后释放渗流压力，重新施加轴向荷载对试件进行剪切。当试样的剪切位移达到另一设定值时，将发生新的渗流过程。
通过改变围压、渗流压力、渗流方向等因素来研究土体的渗透性。
|
1、基座；2、左右侧面渗水进水口；3、顶面底面渗水进口；4、试样；5、顶面底面渗水出水口；6、轴向位移计；7、加载杆；8、轴向伸长计；9、驱动杆；10、前后面渗出水口；11、加载帽；12、左右侧面渗出水口；13、透水层；14、橡胶膜；15、橡胶圈；16、前后面渗水进水口；17、压力室壁；18、测量滴定管；19、围压入口 |
图一：三轴渗透试验装置原理图
图2：三轴渗透试验设备的试验布置
典型测试结果及分析
测试材料
本文以梁河口土石坝的粘性土为研究对象。粘土的物理性质如表1所示，其级配曲线如图3所示。平均直径(d50)为0.017 mm，试件干密度为1.80 g/cm3。
表1试验土壤物理性质
|
物理性质 |
数值 |
|
液限(wL) (%) |
30.8 |
|
塑性极限(wP) (%) |
16.5 |
|
塑性指数(IP) |
14.3 |
|
特定的重力(GS) |
2.732 |
|
最佳含水量(wOP) (%) 最大干密度(rho;dmax)(g/cm3) |
15.0 1.86 |
图3：试验土级配曲线
典型的测试结果
分别进行围压为100、300、500、900、1200 kPa的5次试验，所有试验均保持渗透压力为50 kPa。图4为不同围压下x向渗透系数(如图1所示)与轴向应变的关系曲线。图4显示如下:
1.在一定围压下，试样的渗透系数在剪切过程开始时迅速下降，且随着轴向应变的增加，下降速率变小。特别是当轴向应变超过10%时，试件的渗透系数趋于恒定。
2.在剪切过程中，水力传导率将比初始值小几十倍。例如，围压为100kpa时，轴向应变为1.37%的试样的渗透系数比轴向应变为10.2%的试样的渗透系数大67.8倍。水力传导率比初始值减小5-10倍。
3. 在低围压(如100,300kpa)渗流试验中，在大剪切变形结束时(如轴向应变达到15%)，试样的渗透系数有一定的反向增加。这一现象在高围压条件下(如500、900、1200 kPa)没有表现出来。
4.当轴向应变一定时，试样的渗透系数随围压的增大而减小。在轴向应变较低时，曲线差异明显，且随轴向应变的增大而减小。
图4：不同围压下渗透系数的变化
渗透性机理分析
在剪切过程中，试件在开始阶段承受剪压变形。这种黏土几乎不存在剪胀效应，孔隙水被挤出，土样孔隙率降低。同时，土体颗粒在剪切作用下的错位和重新排列引起土体细观结构的变化。这些因素都降低了试样的渗透系数。随着轴向应变的增加，土体细观结构的调整减弱，土体渗透系数的变化不明显。
在低围压、大剪切应变条件下，土样剪胀趋势较小，试样的孔隙比增大，水力导率相应增大。由于本研究中黏性土的剪胀性较弱，其渗透系数的增加幅度较小。
在大剪切变形过程中，导致土体渗透性变化的主要因素有两个：试样的体积压缩,导致土壤的孔隙比的降低,位错运动和土壤颗粒在剪切过程的调整,改变土壤中构造。
黏性土渗透性与物理力学状态的关系
为了研究黏性土在剪切过程中物理力学状态对渗透性的影响，选取孔隙比(ev)和剪应力水平(SL)作为描述土体物理特性和应力状态的参数。
渗透系数与孔隙比的关系
图5为不同围压下土样的渗透系数与孔隙比的关系。试件的渗透系数随着孔隙比的减小而减小，渗透系数的变化率趋于缓慢。但不同围压下试验结果的趋势线不相同，说明土的水力传导率不仅与孔隙比有关，还与土的应力状态有关。这一结论与前面的力学分析相一致。在半对数坐标系下，不同围压下的土样渗透系数与孔隙比的关系曲线如图6所示。根据固结阶段结束时孔隙比的变化趋势和试验值，可以近似得到剪切变形开始时土样的初始渗透系数。图6中的A、B、C、D、E点分别为围压为100、300、500、900、1200 kPa时，应力水平为0时(剪切过程开始时)土样水力导率的估定值。由图6可知，在应力水平为0时，土的渗透系数与孔隙比在半对数坐标系下近似为线性关系(图6中的虚线)。这一结果与先前的研究结果一致(e.g., Xie et al. 2005; Li and Luo 2006; Nagaraj et al. 1993). 图6中的虚线描述了不同各向同性固结压力下试件渗透系数与孔隙比的关系;因此称其为各向同性固结中的水力传导率线，或称各向同性固结k线。也就是说，当土样经历各向同性固结过程而不发生剪切变形时，其渗透系数将沿各向同性固结k线发生变化，渗透系数与试样孔隙比具有单一的关系。在偏应力作用下，当试样发生剪切变形时，其渗透系数会降低。因此，渗透率也与试样的应力状态密切相关。
图5：不同围压下渗透系数与孔隙比的关系
图6：半对数坐标系下土体各向同性固结k线
水力传导率与剪切应力水平的关系
为了研究土体在大剪切变形过程中的渗透性，将剪切应力水平(SL)来描述剪切作用的程度。剪应力水平定义为剪应力与抗剪强度的比值。根据莫尔-库仑准则，剪切应力水平(SL)可以描述为
式中sigma;1、sigma;3分别为试件的主应力和小主应力;(sigma;1 -sigma;3)f =破坏时的偏应力，与围压和强度参数有关。
图7为两种不同坐标系下渗透系数与剪应力水平的关系曲线。随着剪切应力水平的增加，试件的渗透系数逐渐降低。当剪切应力水平较低时，渗透系数变化率较大，且随着剪切应力水平的增加渗透系数变化率减小。在一定围压下，不同剪应力水平下试样的渗透系数不同。结果表明，剪切应力水平是影响土体导水性能的重要因素。
图7：水力传导率与剪应力水平的关系:(a)算术坐标系;(b)半对数坐标系
大剪切变形条件下粘性土渗透系数的数学模型
数学模型
从试验结果可以看出，大剪切变形过程中的孔隙比和剪应力水平对土体的导水性能有显著影响。为了描述土体在大剪切变形过程中的渗透系数，提出了指数函数数学模
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[258788]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
