考虑随机裂隙网络动态发展时裂隙土饱和-非饱和渗流的连续介质理论和试验研究

本项目研究考虑随机裂隙网络动态发展时裂隙土饱和-非饱和渗流的连续介质理论和试验仪器与方法，为复杂结构性土体渗透性质的预估和测量，表征单元体积的建立，入渗机理的研究和裂隙土边坡稳定性的评价等提供系统方法。本项目将首先基于非饱和土力学理论研究随机裂隙网络的动态发展过程及裂隙土的土水特征曲线和渗透系数函数，然后研制一套适用于极低基质吸力下进行饱和-非饱和渗流试验的仪器，提出确定裂隙土水力特性的理论和试验方法。在已有的研究基础上，提出裂隙土表征单元体积的建立准则以及等效连续介质模型的应用条件，研究裂隙土边坡的入渗机理和稳定性。以上研究将提供一个间接考虑裂隙土变形与渗流耦合的新方法，避免通常的耦合分析中本构模型选择与大量的模型参数难题，改善目前试验中难于模拟极低基质吸力下非饱和渗流的问题，为进行非饱和裂隙土水力性质的精确描述提供有效方法，并为垃圾填埋场防渗垫层和封顶系统的渗漏分析打下坚实基础。

本项目进行了考虑随机裂隙网络动态发展时裂隙土的饱和-非饱和渗流研究，发展了预测裂隙土土水特征曲线和渗透系数函数的理论方法，研制了一套适用于极低基质吸力情况下进行饱和-非饱和渗流试验的仪器，提出了确定裂隙土水力特性的试验方法。同时建立了裂隙土表征单元体积的准则以及等效连续介质模型的应用条件。发展了新的数值方法，深入研究了裂隙土边坡的入渗机理和稳定性问题。本项目取得了以下研究成果：（1）综合考虑裂隙土的变形与基质吸力和渗透系数之间的关系，通过分析不同含水量状态下裂隙土的变形与基质吸力和渗透系数之间的关系来推导动态变化的裂隙土的水力特性。此部分研究成果已发表于Canadian Geotechnical Journal，并在岩石力学与工程学报上进行了实例分析.（2）试验仪器整可分为三大部分：压力控制系统、压力室系统和量测系统。该仪器能够容纳直径280mm，高度不大于200mm的大尺寸试样，克服了已有试验仪器所能容纳试样的尺寸（一般直径小于120mm）往往不能满足裂隙土裂隙发育要求的缺点，能够基本满足裂隙土表征单元体积（REV）的要求。该仪器能够精确控制10kPa以内的基质吸力，精度达到0.005kPa，能够满足在测量裂隙土的土水特征曲线时需要精确控制较低范围内基质吸力的要求。该仪器的压力室壁是由透明有机玻璃制作而成，在试验过程中能够方便的观测试样中裂隙的开展情况，可以更好地研究试验过程中裂隙的发展状况。利用自制的大尺寸渗透仪测得了考虑裂隙网络动态发展的裂隙土的土水特征曲线。 （3）提出了确定表征单元体积的梯度误差准则，裂隙土的梯度误差值随着切取框的增大呈下降趋势。如果10 %的梯度误差可以作为建立表征单元体积的标准，那么此裂隙土的表征单元体积约为200 mm, 大约是裂隙长度平均值的5倍。（4）考虑裂隙的非饱和渗流的特性以及其饱和非饱和的特性。研究了裂隙的位置、深度、降雨时长等对边坡稳定性的影响。本项目还研究了稀疏分布大裂隙与密集分布小裂隙共同存在情况下裂隙对边坡稳定性的影响。基于本项目共发表论文20篇，其中SCI收录8篇，EI收录4篇，ISTP收录2篇。参加国际国内学术会议并做学术报告7次，与国际国内的专家学者进行了充分的交流。直接培养硕士生6名，协助培养博士生2名。