基于土-水-电解质耦合作用的分散性土防渗体裂缝演变规律研究

Dispersive soil is one of the problematic soils which have been concered by the geotechnical engineers. Because this kind of soil is very easy to be eroded by water, it has caused piping even failures of impervious body in water conservancy projects. Since the dispersive soil was discovered, the scientists have researched of the dispersive mechanism, the identification tests, the improvement methods and application about the dispersive soil, but few pepole have studied on the state of stress and the behaviors changes of dispersive soil in the actual conditions, specially on the evolution law and influencing factors of crack in dispersive soil. Based on the theories of the soil physics, soil chemistry, soil mechanics, and hydraulics, this study will take the earth-water -electrolyte coupling action mechanism as a breakthrough point, utilize the methods of uniaxial tensile strength test, crack wash test, pin-hole test and disintegration test, combine with the technology of numerical model of particle follow code (PFC) of distinct element method and the hydraulic physical modeling test . Then this project will analyze the relationship among the tensile strength and the physical and chemical and mineral characters and dispersive behaviors, discuss the influencing of the chemical composition and concentration in water and other factors on seepage failure and crack change, clarify the enlargement and self-healing of crack and its mechanism, illustrate the evolution law of crack in dispersive soil, and establish the numerical model of the evolution law of crack. It is very significant to do this study for the scientific and safe application of dispersive soil.

分散性土是岩土工程界关注的特殊土类之一，因其抗冲蚀能力低而容易引起水利工程防渗体的管涌甚至破坏。科研工作者虽在分散性土的分散机理、判别方法、改性应用等方面做了诸多研究，但迄今为止对分散性土在实际工况下的应力状态及工程性状的变化，特别是对防渗体裂缝的演变过程及其影响因素研究甚少。本项目以土－水－电解质耦合作用机理为切入点，基于土壤物理学、土壤化学、土力学和水力学等学科的基础理论，采用单轴抗拉、裂缝冲刷、针孔试验和崩解试验等方法，结合离散单元的颗粒流（PFC）程序数值模拟技术和水工物理模型试验，分析分散性土的抗拉强度与土的物理化学性质、分散性能之间的关系，探究水的化学组分与浓度及其他因素对分散性土的渗透破坏和裂缝变化的影响，明晰裂缝的扩展与自愈过程及其作用机理，阐明分散性土防渗体裂缝的演变规律，建立反映其演变规律的数学模型，为科学指导分散性土的安全应用提供重要的理论依据。

分散性土抗冲蚀能力低，容易造成管涌。目前，对分散性土防渗体中裂缝的演变过程及其影响因素研究甚少。本项目以土－水－电解质耦合作用机理为切入点，分析了分散性土及其采用MDC改性土体的抗拉强度与土的物理化学性质、分散性能之间的关系，探究了水的化学组分与浓度及其他因素对分散性土的渗透破坏和裂缝变化的影响，研究了分散性土在不同初始条件下的变形特性，明晰了裂缝的扩展与自愈过程及其作用机理，阐明了分散性土防渗体裂缝的演变规律，为科学指导分散性土的安全应用提供重要的理论依据。重要研究结果如下：.（1）采用自行研制并获得国家发明专利的电动式单轴拉伸仪，研究了分散性土单轴抗拉强度。研究发现，分散性土的单轴抗拉强度随含水率的增大而减小，随压实度和黏粒含量的增大而增大。在其他各种因素相同条件下，非分散性土的单轴抗拉强度>过渡性土>分散性土。其原因在于分散性土颗粒间的斥力大于引力，宏观表现为土体单轴抗拉强度的降低。.（2）分散性土具有明显的非线性蠕变特征，蠕变过程可以分为瞬时弹塑性变形、衰减蠕变变形和稳定蠕变变形3个阶段；含水率、围压和偏应力水平对分散性土蠕变速率和蠕变量有显著的影响；应力-应变等时曲线具有明显的非线性特征。采用Mesri蠕变模型能够比较准确而方便地描述分散性土的蠕变特性，且模型具有参数少、适用性较强的特点。.（3）黏性土的分散特性随着外界介质环境的改变而改变。在实际工程中可以通过局部改变渗流水的溶液浓度改变黏性土的分散性；此外，崩解试验说明分散性土的崩解流失过程具有突变性，突变点位于崩解量的20%～40%之间，超过突变点则分散性土在极短的时间就会崩解完全。在突变点以后崩解流失加快，很容易造成水利工程的快速破坏。.（4）MDC土壤改性剂通过与土体发生一系列物理化学反应降低土体的分散性，其中氯化铝可降低土体的碱性和增加土体中高价阳离子的含量，三氯乙酸降低土体的碱性，丙烯酰胺可促进团粒结构的形成。MDC土壤改性剂不仅可有效改善土的分散性，而且土的抗拉强度可提高30%～70%。