考虑水-力耦合效应的可变形非饱和土渗流特性研究

With the development of modern geotechnical engineering such as the slope stability caused by rainfall, seepage-proofing of earth dams, groundwater pollution in the buffer layer of landfill and nuclear waste repository, the seepage properties of unsaturated soils with hydro-mechanical coupling process has become an important issue in geotechnical engineering. The analysis of water flow requires the coefficient of permeability for an unsaturated soil be defined. The soils in nature are always unsaturated and deformable, so the coefficient of permeability of an unsaturated soil is a function of both saturation and void ratio. A serious of laboratory experiments will be conducted in order to investigate the water flow properties in unsaturated soils and its microstructural mechanism under hydro-mechanical coupling conditions, including triaxial tests, soil column tests, mercury intrusion porosimetry tests and electron microscope scanning tests. A void ratio dependent soil water retention model and a permeability function will be presented, which are derived on two bases: an incremental relationship between the degree of saturation and the void ratio; predicting the permeability function for unsaturated soils by use of the soil-water characteristic curve. So a simple but useful approach to quantify the effect of current void ratio on the relative coefficient of permeability for unsaturated soils will be proposed. Furthermore, the numerical solution of the coupled model and approach will be studied. Based on COMSOL Multiphysics, the application of the proposed model will finally be conducted for the design of buffer layer in landfills.

非饱和土渗流问题是岩土工程中最为常见的问题之一，例如降雨引起的边坡稳定问题、土质堤坝的防渗问题、垃圾填埋场以及核废料处置库周边地下水污染问题等。渗透系数是描述土体渗透性的重要参数，非饱和土渗透系数不但随着饱和度的变化而变化，同时还受到孔隙比的影响。本研究拟通过三轴试验、土柱实验以及压汞试验和电镜扫描试验，揭示水-力耦合作用下非饱和土液相流动规律及微观机理；基于对土体内部固、液、气三相的变形协调限制以及宏、微观孔隙水之间的差异性，建立考虑孔隙比影响的土水特征曲线方程；在此基础上，利用统计模型的思想推导给出非饱和土相对渗透系数随孔隙比的变化关系，建立描述水-力耦合作用下可变形非饱和土渗透函数预测模型；最后，编制出相应的计算程序，实现上述所建立理论模型的预测功能，并植入有限元分析平台COMSOL，以垃圾填埋场为例，通过建模分析提出垃圾填满场防渗衬垫层的优化设计方法。

在土质堤坝防渗、垃圾填埋场以及核废料处置库周边地下水污染等岩土工程问题中，其所涉及的共性关键科学问题之一，都可归结为水-力耦合作用下非饱和土体内孔隙流体的流动特性。然而，现有的渗流理论主要针对饱和土建立，难以描述工程中的可变形非饱和土。本项目通过装置研发、试验分析和理论推导，系统开展了考虑水-力耦合效应的非饱和土渗流特性及其应用研究，主要研究内容与成果包括：(1)水-力耦合作用下非饱和土持水特性及液相流动规律研究：基于典型土-水特征曲线（SWCC）模型，提出了一种考虑初始干密度影响的SWCC预测方法，并证明了其适用性及合理性；基于压力板法、饱和盐溶液蒸汽平衡法以及轴平移法等吸力控制技术，通过试验获取了全吸力范围内不同孔隙结构土体的持水特性，揭示了初始干密度（孔隙比）和微观孔隙结构对土-水特征曲线的影响规律。(2)水-力耦合作用下非饱和土微观结构演化规律研究：结合压汞法(MIP)和扫描电镜法(SEM)，获取了不同水-力加载路径下土体内部孔隙特征及分布演化，建立了一个能模拟干化路径下孔隙分布曲线演化的理论模型；结合试验及理论成果，进一步获取了干化-湿化路径下土体微观结构演化规律。(3)水-力耦合作用下非饱和渗流特性土柱试验研究：研制了一套水-力耦合土柱装置，开展了一系列非饱和土渗透系数测量的室内模型试验，重点研究了水-力耦合作用下不同干密度强风化砂岩和砂质黄土渗透及变形特性，揭示了水-力耦合作用下非饱和土渗透特性演化规律及微观机理。(4)垃圾填埋场防渗衬垫层渗透特性及防渗性能优化研究：以垃圾填埋场防渗垫层主要材料钠基膨润土（Na-B）和改性膨润土（PMB）为研究对象，开展了在不同类型和不同浓度渗透溶液下Na-B和PMB渗透性能试验研究，提出了可快速反映Na-B和PMB渗透性能的指标，研究成果可为垃圾填埋场防渗衬垫层优化设计提供理论和技术支撑。基于上述研究，共发表论文26篇（其中SCI论文7篇，EI论文16篇），授权专利6件，培养研究生6名，项目完成效果良好。