裂隙膨胀土渗流模型研究

作者简介

汪为巍，博士，副教授；长期从事特殊土力学性质与工程灾害防治领域研究工作。2014年毕业于中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程专业，获工学博士学位；2014年至今任武汉轻工大学土建学院专业教师。任职以来主持（参与）国家自然科学基金项目等各类项目11项。科研工作期间在国内外刊物上发表学术论文30余篇，获批专利2项，撰写专著1本。

内容简介

1绪论1.1导言 膨胀土及其工程问题一直是岩土工程和工程地质研究领域中的重大课题之一。膨胀土是一种具有显著胀缩性的土体，其矿物成分以蒙脱石为主。膨胀土对外界环境特别是水的变化非常敏感。膨胀土在遇水或者湿化的情况下体积发生膨胀，在干燥失水情况下体积发生收缩，并且容易发育裂隙。膨胀土的这种性质对工程结构的安全性有重要影响，容易导致各种工程地质问题和灾害发生，比如地面开裂、滑坡、地面沉降和地基失稳等。 通常从以下三个方面来描述膨胀土的特性。①膨胀土的胀缩性。膨胀土的胀缩性主要指“吸水膨胀，失水收缩”的性质。其中，土体内部蒙脱石的含量决定了膨胀土膨胀量的大小，是膨胀土特殊性质的主要物质基础。膨胀量是用来衡量膨胀土的膨胀性的指标。膨胀土在受到一定外部荷载作用时，会产生膨胀力。膨胀量和膨胀力都可能导致相邻建筑物发生安全事故。此外，膨胀土的性质还受到微结构的影响。②膨胀土的裂隙性。膨胀土的土体膨胀产生裂隙，因此膨胀土的裂隙性和其膨胀性之间的关系十分密切。膨胀土的裂隙主要可以分成原生裂隙和次生裂隙。原生裂隙是膨胀土在失水收缩过程中产生的裂隙。次生裂隙是由于膨胀土的内部不稳定性产生的，这种内部不稳定性包括土体内部不均匀移动或者在边坡开挖时引起的土体内部应力的释放。③膨胀土的超固结性。超固结性通常是由于山地土壤的侵蚀以及次生固结作用和胶结物质的陈化导致的超压密作用形成的，也可能是由于土体长期受到水的饱和与浸润作用而产生的。它导致土体产生较大的水平位移或强度的减弱，不利于土体的稳定。 膨胀土在天然状态下常处于较坚硬状态，对气候和水文因素有较强的敏感性，这种敏感性对工程建筑物可能造成严重的危害。膨胀土给工程建筑物带来的危害既表现在地表建筑物上，也反映在地下工程中，成为浅表层轻型工程建设的全球性技术难题，引起了各国学术界和工程界的高度重视。首届国际膨胀土会议于1965年在美国召开，每四年一届；国际工程地质大会、国际土力学及基础工程大会等都将膨胀土工程问题列为重要的议题；英国、美国、中国、日本和罗马尼亚等国都先后组织力量专门研究膨胀土的工程性质，制定有关的规范；这些举措充分反映了各国对膨胀土工程问题的高度重视。 目前学术界对于膨胀土遇水情况下的膨胀变形问题的研究相对较多，但是关于膨胀土收缩特性的影响研究较少。膨胀土的干燥失水收缩和开裂同样会引起工程的安全问题。当膨胀土收缩到一定程度时，收缩产生的裂隙会在很大程度上削弱土体的强度。近些年来，由于全球干旱与极端干旱气候的频繁发生，在膨胀土分布较多的地区，因地基土收缩沉降导致房屋、桥梁、道路、水库大坝等基础设施破坏受损的报道层出不穷，膨胀土导致的工程问题造成了巨大的经济损失［1］。冯研等［2］研究膨胀土地区路基下地基的物理力学特性与沉降变形，得出了可采用超固结法沉降计算方法进行沉降分析的结论。杨小明等［3］研究发现，裂隙面的存在会显著降低膨胀土边坡的稳定性，因为裂隙的存在会加速雨水入渗，导致滑坡等危害的发生。在膨胀土地基的隔离系统中也存在干缩开裂问题，如垃圾卫生填埋场中膨胀土衬垫层和覆盖层会因水分蒸发出现开裂而失效［4］；核废料地质处置库中核废料的衰变发热会使膨胀土缓冲回填材料发生干缩变形甚至开裂，进而危害核废料储库的安全运营［5］。由此可见，膨胀土干缩开裂诱发的工程地质问题十分严重，危害巨大。 需要指出的是，受到工程地质和水文地质条件的影响，自然界中膨胀土的分布范围及厚度存在明显的差异性，这种尺寸效应在一定程度上会影响膨胀土的工程性质（尤其是干缩开裂特性），然而这方面的问题常被人们忽视。因此，加强关于尺寸效应对膨胀土干缩开裂特性影响的研究，系统地分析膨胀土在不同尺寸下的裂隙发育规律，对指导膨胀土地区的工程防灾减灾具有重要的理论意义和社会意义。分析膨胀土体积干缩过程与裂隙发育过程的内在联系，有助于我们更好地掌握膨胀土裂隙的形成机制，为防治膨胀土可能造成的工程地质问题提供参考。 本书学术性较强，体现了该领域*新的研究成果。