渗流条件下重塑饱和黄土的渗透性劣化试验研究

论文摘要

本文结合国家自然科学基金项目“黄土工程性质劣化机理与构筑物寿命预测研究”,以杨凌Q3黄土为研究对象,在总结和吸收前人成果的基础上,通过室内试验模拟自然状态下土坝等黄土构筑物所经历的长期渗流作用。对重塑饱和黄土样以乙酸溶液作为渗透液加速渗流劣化过程,测量其渗透系数随时间的变化过程,测定渗透期间的钙离子的淋失量和淋失率,探讨重塑饱和黄土样在长期渗流条件下损伤劣化的实质。主要结论如下:(1)在重塑饱和黄土渗流过程中,渗透系数k均随着渗透时间而持续减小;前期小颗粒运移频率大,k减小幅度较大;后期小颗粒运移频率降低,k减小幅度较小。(2)渗透液中的氢离子和乙酸根离子与黄土中的盐分会发生复杂的化学反应,但主要以氢离子与碳酸盐的反应为主。常规渗透试验中,有一部分气体滞留在孔隙中使得渗透水流的有效通道降低。而在三轴渗透试验中,由于围压和反压的存在,渗透液中的氢离子与黄土中的碳酸盐反应也生成了碳酸,碳酸溶液很难分解成二氧化碳,因此,可以忽略气体对其渗透系数的影响。(3)对于任一干密度的渗透试样,在小围压下,渗透系数随着渗透液PH值的增大而减小;不同PH值对应的渗透系数的方差也随着围压的增大而减小;当围压增值300kPa时,渗透系数不再遵循上述规律,围压对渗透系数的影响已经大于PH值对渗透性的影响。不同的初始干密度不同的固结渗透围压和不同PH值渗透液共同耦合决定着渗透系数的大小。(4)长期渗流条件下黄土劣化的机理是渗透液体与黄土土粒的相互作用造成了孔隙比的不可逆的改变。主要体现在:渗透力引起的颗粒运移、渗透液带入的气体、颗粒间胶结物(主要是碳酸钙)的淋失使得颗粒黏聚力的不断丧失进一步引起颗粒运移。三者最终表现在引起了孔隙比沿渗流方向的不均匀分布,出现了最小孔隙比面,该面最终决定渗透系数的大小。对于三轴渗透试验,由于围压的存在,气体的影响可以忽略,对于常规渗透试验气体影响不能忽略。(5)对于三轴渗透试验,孔隙比沿黄土渗流方向的分布或最小孔隙比面的孔隙比可作为黄土渗透劣化的损伤指标。笔者定义了最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值κ作为黄土渗流条件下的损伤率,以用来描述黄土在长期渗流条件下渗透性的劣化程度,并利用已有数据结合黏性土非线性渗透模型得出了重塑饱和黄土渗透性劣化公式。对于常规渗透试验渗透性劣化损伤率的定义,由于存在气体对渗透性的影响,除了考虑最小孔隙比还应考虑气体对渗流通道的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 黄土
• 1.2 重塑黄土渗透性研究现状
• 1.3 黄土化学分析方面的研究现状
• 1.3.1 易溶盐分析结果
• 1.3.2 中溶盐分析结果
• 1.3.3 难溶盐分析结果
• 1.3.4 碳酸钙溶解研究现状
• 1.4 黄土中盐分与结构性方面的研究现状
• 1.5 黄土在淋溶渗流作用下黄土化学及其结构的研究现状
• 1.6 损伤理论在黄土渗透性方面的研究现状
• 1.7 本文研究的意义、目标、方法
• 1.7.1 研究意义
• 1.7.2 研究目标
• 1.7.3 研究内容
• 第二章 试验原理与方法
• 2.1 试验原理
• 2.2 试验步骤与仪器
• 2.2.1 试验步骤
• 2.2.2 试验仪器设备
• 2.3 黄土物理性质试验及试验结果分析
• 2.3.1 击实试验
• 2.3.2 界限含水率试验
• 2.3.3 比重试验
• 2.3.4 颗粒分析试验
• 2.4 试样及酸溶液的制备
• 2.4.1 三轴渗透试验的重塑土样的制备
• 2.4.2 常规渗透试验的渗透样制备
• 2.4.3 酸溶液的配置
• 2.5 黄土的化学分析试验
• 2.5.1 黄土中易溶盐的测定
• 2.5.2 黄土中中溶盐的测定
• 2.5.3 黄土中难溶盐碳酸钙的测定
• 第三章 不同酸度下黄土的渗透性研究
• 3.1 试验方法
• 3.2 乙酸与黄土作用机理
• 3.3 常规渗透试验结果
• 3.3.1 渗透系数随时间的关系
• 3.3.2 渗透系数与干密度的关系
• 3.3.3 渗透系数与PH 值的关系
• 3.4 三轴渗透试验
• 3.4.1 围压对渗透性的影响
• 3.4.2 干密度对渗透性的影响
• 3.4.3 渗透液的PH 值对渗透性的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 长期渗流条件下黄土劣化的实质与模型的建立
• 4.1 三轴渗透试验
• 4.1.1 渗透系数随时间的变化关系
• 4.1.2 钙离子淋失量与时间的关系
• 4.1.3 钙离子淋失量与渗透系数之间的关系
• 4.1.4 围压与渗透系数之间的关系
• 4.2 常规渗透试验
• 4.2.1 渗透系数随时间的变化关系
• 4.2.2 钙离子淋失量与时间的关系
• 4.3 渗透劣化的实质与渗透劣化模型的建立
• 4.3.1 黄土非线性渗透性模型
• 4.3.2 黄土渗透劣化的实质
• 4.3.3 黄土渗流劣化模型
• 4.3.4 渗透系数随时间的劣化模型
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录：作者简介及发表论文情况