季降雨环境压实粘土的孔隙-裂隙演化规律及其逾渗效应研究

防渗工程中常用一定厚度的压实黏土作为防渗层，但季节性降雨产生的干湿交替环境，往往诱发其成为具有孔隙和裂隙特征的双重孔隙介质渗透体，从而造成黏土防渗层失效。项目以季节性降雨区填埋场覆盖层压实黏土为研究对象，在探明黏土矿物成分和基本工程性质的基础上，对自然和室内模拟干湿交替的压实黏土，研究其物理力学特性的变化规律。制备土样连续切片的序列数字图像，采用数字图像定量分析技术，研究干湿交替过程压实黏土孔隙裂隙的几何形态、空间分布、连通性及演化规律，探索干湿交替诱发孔隙裂隙双重介质的成因和逾渗形成机制；同时基于切片序列数字图像，构建土体逾渗网络模型，采用计算机数值试验，研究压实黏土的逾渗规律、逾渗相变条件及影响因素，研究土体发生逾渗相变时的临界渗透特性。项目成果将有助于加深对干湿交替环境下压实黏土逾渗效应的认识，从而促进黏土防渗失效机理和控制方法的研究与发展。

防渗工程中常用一定厚度的非饱和土状态的压实黏土作为防渗层，但季节性降雨产生的干湿交替环境，往往诱发其成为具有孔隙和裂隙特征的双重孔隙介质渗透体，从而造成黏土层防渗失效。项目以季节性降雨区填埋场覆盖层压实黏土为研究对象，研究自然和室内模拟干湿交替过程压实黏土的物理力学性质及其变化规律、孔隙裂隙的空间分布及其演化规律、逾渗规律及其影响因素，以及土体发生逾渗相变时的临界渗透特性等。为了制备干湿循环条件下的试样，项目根据天然降雨特征，设计制作了一套针管式室内模拟降雨装置，对该装置的各项降雨指标进行标定，并用于降雨作用下压实黏土的溅蚀试验。项目针对各类土样开展击实、固结、渗透等土工试验，并利用SEM、压汞、核磁共振等试验手段和IPP图像技术，研究干湿交替环境压实黏土的孔隙裂隙特性及其空间分布状况，研究孔隙裂隙特性对土体变形和渗透性质的影响。项目针对压实黏土的非饱和土特征，开展了与非饱和土渗透性质密切相关的土水特征曲线研究。基于分形理论并结合SEM、压汞试验成果，提出了变形条件下土水特征曲线变化机理及简化表征方法，建立了描述黏粒含量对土水特征曲线影响规律的理论模型，阐明了黏粒含量对土水特征曲线的影响机制。项目测定了不同压实度试样的土水特征曲线，采用BCM、VGM模型预测压实黏土的非饱和渗透系数。在此基础上，分析了干湿循环阶段压实度对土水特征曲线和渗透函数曲线的影响。针对岩土多孔介质的逾渗特性，项目构建了二维随机逾渗网格模型，基于HK算法和MATLAB语言编程，对逾渗网格模型进行数值计算，搜寻模型中空格连通的渗流团，确定组成渗流团的格子数量和分布，获得最大渗流团的逾渗概率。该程序用于土壤孔隙裂隙二维图像的数值试验，获得其逾渗概率和渗流路径。应指出的是，项目在制备连续切片数字图像这一关键问题上遇到技术瓶颈，原因在于压实黏土渗透性非常小，浸渍剂不能完全渗入土体内，土样局部不能固化，致使土样制备过程易破坏原有结构，因而无法取得有研究价值的连续切片数字图像。因此，项目组建议采用CT技术获得干湿循环条件下压实黏土的孔隙裂隙图像。在今后的工作中，拟通过CT图像的三维重构和改进的图像分析方法和计算程序，研究压实黏土孔隙裂隙的三维空间形态和逾渗规律。