干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化破坏机制研究

Aims at the serious problems for expansive soil channels in cold regions, from the view of water supply beginning time and stopping time, freezing beginning time and belting beginning time, put forward the long-term dry-wet- freeze-thaw coupling action is the dominant factor. Study on the crack formation and evolution law and quantitative evaluation method through CT scanning. Through flexible wall seepage tests, swelling tests, and triaxial shear tests, analyze the dry-wet- freeze-thaw coupling effects on the permeability coefficient and swelling deformation and strength characteristics, reveal the internal mechanism from the crack evolution vies. Based on the developed freeze-thaw equipment for centrifuge test, carry out the dry-wet- freeze-thaw coupling effect centrifuge tests for expansive channels , monitoring the deformation, water content, pore water pressure and temperature, assisted by PIV and image processing technology, reveal the deterioration process and failure mechanism of expansive soil channels under dry-wet- freeze-thaw coupling effect. Based on the above unit and centrifuge model tests, put forward a governing equation, develop the finite element calculation program, establish the numerical calculation method of the slope stability for expansive soil channel under the action of dry-wet- freeze-thaw coupling effect. The research results support the construction and safe operation of the expansion soil channel project in the cold regions.

针对寒区膨胀土渠道工程破坏异常严重的问题，从渠道每年经受通、停水及冻结、融化的角度出发，提出长期的干湿冻融作用是渠道破坏的主导因素。开展干湿冻融耦合作用下膨胀土的CT扫描等试验，建立裂隙定量化评价方法，揭示膨胀土三维裂隙的生成、演化规律。通过柔性壁渗透、膨胀变形和三轴剪切试验，研究提出干湿冻融耦合作用对膨胀土渗透性、胀缩变形和强度特性的影响规律，从裂隙演化角度揭示影响的内在机理；基于研制的渠道冻融离心模型试验系统，开展不同干湿冻融耦合循环次数下膨胀土渠道的离心模型试验，通过对渠道变形、含水率、孔压、基土温度等指标的监测，辅以粒子图像测速(PIV)和图像处理技术，研究揭示干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化过程和破坏机制；基于上述单元和模型试验，解析耦合方程，编制有限元计算程序，建立干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道边坡稳定的数值计算方法。研究成果支撑我国寒区膨胀土渠道工程的建设和安全运行。

针对寒区膨胀土渠道工程破坏异常严重的问题，从渠道每年经受通、停水及冻结、融化的角度出发，提出长期的湿干冻融作用是渠道破坏的主导因素。（1）开展湿干冻融耦合作用下膨胀土的CT扫描等试验，揭示了冻融过程加剧了浅层裂隙向深部的拓展，造成了土体内部裂隙破碎断裂的规律；提出了裂隙体积分数和三维分形维数的方法对裂隙的三维网络结构进行定量描述及评价裂隙的空间发育特征的评价指标。（2）通过三轴剪切试验，研究提出干湿冻融耦合作用对膨胀土强度特性的影响规律，试验结果表明，湿干冻融循环过程会造成渠基膨胀土力学性能的衰减，尤其是第1次循环过程，反复的湿干冻融循环过程造成不同干燥幅度试样的黏聚力衰减约28%~45%。（3）研制了超重力场渠道湿干冻融模拟设备，实现了超重力场下渠道经历湿干冻融循环过程的模拟。基于研制的渠道冻融离心模型试验系统，开展不同湿干冻融耦合循环次数下膨胀土渠道的离心模型试验，试验结果表明湿干冻融循环中的冻融过程使得模型渠道顶部土体的干湿循环幅度增大，诱使模型渠道边坡的劣化由浅层土体往深层土体发展，在宏观上表现为模型渠道顶部及边坡水位线以上区域内裂隙的连通程度增高、拓展宽度及深度增大，并最终使得渠道有着自顶部贯穿渠顶的横向张拉裂隙发生失稳的趋势。（4）基于北疆典型渠道运行背景，建立了考虑水-热耦合作用以及渠基膨胀土强度衰减特性的北疆渠道计算模型，模拟了湿干冻融循环下渠道边坡的灾变演化过程。计算结果表明，水分场和温度场在模型渠道运行三年后已趋于稳定，而水平位移和塑性应变在模型渠道运行三年后仍缓慢增长；同时，浅层基土饱和度的增长是模型渠道发生变形的重要因素，建议重点解决现场渠道运行过程中的防渗排水问题，尤其是渠道底部和渠坡水位线以下区域。研究成果可支撑我国寒区膨胀土渠道工程的建设和安全运行。