膨脹土裂隙演化三維分布特征及微觀結構分形規(guī)律研究作者簡介

汪為巍，1981年11月生，安徽人，博士。2014年7月畢業(yè)于中國科學院武漢巖土力學研究所巖土工程專業(yè)，獲博士學位；2014年至今任武漢輕工大學土木工程與建筑學院專業(yè)教師。主要從事特殊土力學性質與工程災害防治相關領域的教學和科研工作，主持及參與各類基金項目十余項（其中國家自然科學基金一項），先后發(fā)表論文30余篇。

《膨脹土裂隙演化三維分布特征及微觀結構分形規(guī)律研究》以膨脹土邊坡開裂變形和失穩(wěn)為背景，以南陽膨脹土為研究對象，通過數(shù)碼攝影結合數(shù)字圖像處理方法研究膨脹土平面裂隙擴展的規(guī)律，同時通過CT掃描試驗研究膨脹土裂隙的三維擴展規(guī)律，采用油滲的方法間接定量分析膨脹土內部裂隙的擴展規(guī)律，并采用壓汞法（MIP）和掃描電子顯微鏡分析法（SEM）相結合的方法研究南陽膨脹土脫濕干燥后微結構變化，分析其微觀機理，利用分形理論和分形模型對壓汞試驗數(shù)據(jù)進行分形維數(shù)計算，利用分形維數(shù)對微觀結構的演變規(guī)律進行研究和分析，進行膨脹土裂隙發(fā)育、滲流的綜合性室內試驗，深入研究裂隙膨脹土的滲透特性，揭示膨脹土裂隙性的作用機制及工程效應，以期為膨脹土邊坡災害評估及坡面防護理論與設計提供依據(jù)或參考，借鑒多孔介質滲流的雙重孔隙模型建立考慮裂隙作用的膨脹土滲流模型及其參數(shù)確定方法，深入認識裂隙對膨脹土滲流特性的影響，為膨脹土邊坡變形、穩(wěn)定性評價、災害預測提供理論依據(jù)和技術支持。

1 緒論

1．1 研究的背景與意義

1．2 膨脹土的裂隙性與結構特征研究

1．3 分形幾何在土體微結構研究中的應用

1．4 裂隙膨脹土滲流特性研究

1．5 主要研究內容

2 南陽膨脹土平面裂隙發(fā)育規(guī)律

2．1 引言

2．2 試驗土樣與研究方法

2．3 膨脹土平面裂隙圖像處理

2．4 試樣均勻性對裂隙發(fā)育的影響

2．5 裂隙發(fā)育的溫度敏感性

2．6 裂隙發(fā)育的尺寸效應

2．7 原狀土樣試件表面裂隙發(fā)育形態(tài)研究

2．8 重塑土樣試件與原狀土樣試件表面裂隙比較

2．9 本章小結

3 南陽膨脹土裂隙三維空間分布特征

3．1 引言

3．2 裂隙膨脹土工業(yè)三維CT掃描試驗

3．3 重塑膨脹土裂隙發(fā)育過程CT掃描與空間分布特征分析

3．4 本章小結

4 膨脹土干縮開裂微觀結構變化特性

4．1 引言

4．2 原狀土樣微觀試驗

4．3 不同初始含水率相同壓實度重塑膨脹土樣微觀試驗

4．4 不同壓實度相同初始含水率重塑膨脹土樣微觀試驗

4．5 不同脫濕環(huán)境下重塑膨脹土樣微觀試驗

4．6 壓汞試驗模型分析

4．6 本章小結

5 微觀試驗數(shù)據(jù)分形研究

5．1 壓汞試驗結果分形模型與計算方法

5．2 壓汞試驗分形維數(shù)計算

5．3 掃描電鏡試驗結果分形研究

5．4 本章小結

6 膨脹土裂隙擴展規(guī)律定量試驗研究

6．1 引言

6．2 相同初始狀態(tài)重塑膨脹土裂隙擴展及油滲試驗

6．3 不同壓實度膨脹土裂隙擴展及油滲試驗

6．4 不同初始含水率膨脹土裂隙擴展及油滲試驗

6．5 本章小結

7 南陽裂隙膨脹土室內降雨入滲試驗研究

7．1 引言

7．2 土水特征曲線的測定

7．3 相同初始狀態(tài)膨脹土不同裂隙發(fā)育程度室內降雨入滲試驗研究

7．4 不同壓實度裂隙膨脹土室內降雨入滲試驗

7．5 不同初始含水率裂隙膨脹土室內降雨入滲試驗

7．6 本章小結

8 裂隙膨脹土雙重孔隙介質滲流模型

8．1 引言

8．2 不考慮裂隙的飽和-非飽和滲流

8．3 裂隙膨脹土雙重孔隙介質滲流模型概述

8．4 裂隙膨脹土降雨入滲

8．5 本章小結

9 結論與展望

9．1 結論

9．2 應用前景和展望2100433B

裂隙間距的現(xiàn)場測量，就是記錄掃描線上長度≥0.5cm的間距值。為了在同等條件下進行D與RQD相關分析，則以等長度2m為準計算RQD。

通過掃描線測量間距值的相對累積頻率可以看出，在較小值處保持較好的線性度，因此，如此測定的分形維數(shù)是針對一定范圍而言的。分形維數(shù)分析表明，裂隙間距的空間分布顯示出多重尺度的分形結構，為不均勻分形系統(tǒng)。換言之，在裂隙群集內有群集。分形譜表明裂隙組間的裂隙作用。

確定裂隙狀巖體內裂隙密度的橫向變化的目的，是為疏干裂隙水而設計高效水平疏干孔。 當巖體經(jīng)受多重裂隙作用時，由于先前裂隙的存在，局部構造應力場的復雜變化可能引起裂隙作用的不均勻性。巖石力學性質變化在很大程度上決定于巖體內不均勻且局限的節(jié)理 。

青年基金項目對裂隙發(fā)展及其對土體強度影響規(guī)律進行了定量化研究，結果顯示，膨脹土中裂隙分布具有明顯的方向性，土體工程力學性質也因此呈現(xiàn)出各向異性特征。初步滲氣試驗結果表明，滲透性不僅能反映裂隙發(fā)育程度，也可表征裂隙的各向異性特征。要真正搞清裂隙對膨脹土性質的影響規(guī)律，深入研究裂隙分布的各向異性是前提和基礎。本項目擬改進和完善現(xiàn)有測試手段和方法，采用CT法和電（導）法，在現(xiàn)場和室內進行膨脹土裂隙觀測試驗，研究裂隙的空間分布各向異性特征及演化規(guī)律；進行滲氣和滲水試驗，建立反映膨脹土裂隙各向異性的孔隙分布模型，結合數(shù)值模擬手段，分析裂隙形態(tài)及分布對土體滲透性各向異性特征的影響機理和規(guī)律。試驗結合理論研究，定量地揭示膨脹土裂隙各向異性特征及其影響的相關規(guī)律，是本項目的特色和創(chuàng)新之處。本項目的研究將有助于加深對膨脹土特性的認識，進一步豐富特殊土研究理論和方法，也有助于膨脹土工程合理處置措施的選擇。

研究含二維和三維單體或多條裂隙巖樣在無水和有壓水時三軸應力條件下巖橋破裂貫通機制、研究不同參數(shù)錨固對上述試件裂隙擴展的抑制效應。用流形元等方法模擬裂隙擴展。建立反應裂隙巖體破裂效應的固流耦合斷裂損傷分析模型，應用理論研究成果分析實際工程的穩(wěn)定性和滲流場變化。這對水利、礦山等工程穩(wěn)定性及滲流效應有重要理論及實際意義。 2100433B