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不均匀沉降引起压实粘土屏障开裂及优势渗流分析

不均匀沉降引起压实粘土屏障开裂及优势渗流分析

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作者：蔡武军浙江大学

学位级别：硕士

垃圾填埋体的不均匀沉降等因素容易引起压实粘土屏障张拉开裂,裂隙的出现为外部水分进入填埋场内提供优先路径,显著降低压实粘土屏障的防渗性能,从而使得渗滤液的产量增大,引起垃圾填埋场失稳或渗沥液渗漏等重大工程事故。为了揭示压实... 详细信息

垃圾填埋体的不均匀沉降等因素容易引起压实粘土屏障张拉开裂,裂隙的出现为外部水分进入填埋场内提供优先路径,显著降低压实粘土屏障的防渗性能,从而使得渗滤液的产量增大,引起垃圾填埋场失稳或渗沥液渗漏等重大工程事故。为了揭示压实粘土屏障在不均匀沉降下的张拉开裂性状,本文采用PIV (Particle Image Velocimetry)技术测量裂纹扩展过程中的应变变化,开展了压实粘土梁的三点弯曲试验,详细研究了粘土的张拉开裂过程,以及含水量对粘土开裂性状的影响。另一方面,为研究裂隙对粘土屏障防渗性能的影响,本文将其作为高渗透性的多孔介质材料,建立了含单一裂隙压实粘土层的饱和／非饱和渗流模型,数值研究了含裂隙粘土层中的水分运移过程,对比分析了裂隙发育位置、深度、宽度和渗透系数对压实粘土屏障水分击穿时间和稳定渗漏量的影响。试验和数值分析的结果表明：(1)裂隙的发育位置对压实粘土层防渗性能有重要影响。底部裂隙对其防渗性能影响极小;顶部裂隙对稳定渗漏量影响很小,但会显著缩短水分击穿时间;贯通裂隙则会显著缩短水分击穿时间和增大稳定渗漏量。因此,压实粘土屏障服役期间应重点控制顶部裂隙的发育,并且严禁出现贯通裂隙。(2)对于顶部裂隙,随裂隙深度、宽度和饱和渗透系数增大,水分击穿时间大大缩短,稳定渗漏量不断增加;当裂隙渗透性足够大时,击穿时间主要受裂隙下部有效土层厚度控制,可将顶部裂隙近似作为入渗边界。因此,当粘土层顶部发育裂隙时,需要对裂隙的宽度和深度进行有效控制,并应重点控制裂隙的发育深度。(3)粘土的抗裂性能随含水量增大而显著提高,当含水量从32.6%增至37.0%时,临界开裂应变从2.4%增大至4.1%,但粘土的抗拉强度和弹性模量均显著降低。因此,在压实粘土层施工和服役过程中,应对压实粘土采取保湿措施,以提高其抗变形能力。(4)压实粘土层底部的拉伸应变与差异沉降的大小密切相关,可以根据差异沉降近似计算粘土层底部拉伸应变的大小。另外,裂纹出现后,随中点位移增加,粘土梁中的裂纹宽度呈近似线性地增长,而裂纹深度呈阶梯式快速增长,且裂纹前期扩展迅速,后期扩展较为缓慢。因此,填埋场设计中应有效地控制或减小场后差异沉降的大小。(5)含水量对压实粘土梁的弯曲开裂性状有显著影响。随含水量的增加,粘土梁中的裂纹扩展速度放缓,压实粘土梁由脆性断裂逐渐转变为延性破坏,并且裂纹尖端的塑性区域随含水量增加而不断扩大。(6)PIV测试技术能有效地揭示粘土梁弯曲开裂过程中的应变局部化现象,以及起裂位置的应变发展过程,具有传统测试方法不可替代的优越性。

关键词：覆盖系统粘土屏障不均匀沉降裂纹开裂过程临界开裂应变 PIV技术优势渗流水分击穿时间稳定渗漏量

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