膨胀土裂隙演化三维分布特征及微观结构分形规律研究

汪为巍，1981年11月生，安徽人，博士。2014年7月毕业于中国科学院武汉岩土力学研究所岩土工程专业，获博士学位；2014年至今任武汉轻工大学土木工程与建筑学院专业教师。主要从事特殊土力学性质与工程灾害防治相关领域的教学和科研工作，主持及参与各类基金项目十余项（其中国家自然科学基金一项），先后发表论文30余篇。

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 膨胀土的裂隙性与结构特征研究

1．3 分形几何在土体微结构研究中的应用

1．4 裂隙膨胀土渗流特性研究

1．5 主要研究内容

2 南阳膨胀土平面裂隙发育规律

2．1 引言

2．2 试验土样与研究方法

2．3 膨胀土平面裂隙图像处理

2．4 试样均匀性对裂隙发育的影响

2．5 裂隙发育的温度敏感性

2．6 裂隙发育的尺寸效应

2．7 原状土样试件表面裂隙发育形态研究

2．8 重塑土样试件与原状土样试件表面裂隙比较

2．9 本章小结

3 南阳膨胀土裂隙三维空间分布特征

3．1 引言

3．2 裂隙膨胀土工业三维CT扫描试验

3．3 重塑膨胀土裂隙发育过程CT扫描与空间分布特征分析

3．4 本章小结

4 膨胀土干缩开裂微观结构变化特性

4．1 引言

4．2 原状土样微观试验

4．3 不同初始含水率相同压实度重塑膨胀土样微观试验

4．4 不同压实度相同初始含水率重塑膨胀土样微观试验

4．5 不同脱湿环境下重塑膨胀土样微观试验

4．6 压汞试验模型分析

4．6 本章小结

5 微观试验数据分形研究

5．1 压汞试验结果分形模型与计算方法

5．2 压汞试验分形维数计算

5．3 扫描电镜试验结果分形研究

5．4 本章小结

6 膨胀土裂隙扩展规律定量试验研究

6．1 引言

6．2 相同初始状态重塑膨胀土裂隙扩展及油渗试验

6．3 不同压实度膨胀土裂隙扩展及油渗试验

6．4 不同初始含水率膨胀土裂隙扩展及油渗试验

6．5 本章小结

7 南阳裂隙膨胀土室内降雨入渗试验研究

7．1 引言

7．2 土水特征曲线的测定

7．3 相同初始状态膨胀土不同裂隙发育程度室内降雨入渗试验研究

7．4 不同压实度裂隙膨胀土室内降雨入渗试验

7．5 不同初始含水率裂隙膨胀土室内降雨入渗试验

7．6 本章小结

8 裂隙膨胀土双重孔隙介质渗流模型

8．1 引言

8．2 不考虑裂隙的饱和-非饱和渗流

8．3 裂隙膨胀土双重孔隙介质渗流模型概述

8．4 裂隙膨胀土降雨入渗

8．5 本章小结

9 结论与展望

9．1 结论

9．2 应用前景和展望2100433B

《膨胀土裂隙演化三维分布特征及微观结构分形规律研究》以膨胀土边坡开裂变形和失稳为背景，以南阳膨胀土为研究对象，通过数码摄影结合数字图像处理方法研究膨胀土平面裂隙扩展的规律，同时通过CT扫描试验研究膨胀土裂隙的三维扩展规律，采用油渗的方法间接定量分析膨胀土内部裂隙的扩展规律，并采用压汞法（MIP）和扫描电子显微镜分析法（SEM）相结合的方法研究南阳膨胀土脱湿干燥后微结构变化，分析其微观机理，利用分形理论和分形模型对压汞试验数据进行分形维数计算，利用分形维数对微观结构的演变规律进行研究和分析，进行膨胀土裂隙发育、渗流的综合性室内试验，深入研究裂隙膨胀土的渗透特性，揭示膨胀土裂隙性的作用机制及工程效应，以期为膨胀土边坡灾害评估及坡面防护理论与设计提供依据或参考，借鉴多孔介质渗流的双重孔隙模型建立考虑裂隙作用的膨胀土渗流模型及其参数确定方法，深入认识裂隙对膨胀土渗流特性的影响，为膨胀土边坡变形、稳定性评价、灾害预测提供理论依据和技术支持。

裂隙间距的现场测量，就是记录扫描线上长度≥0.5cm的间距值。为了在同等条件下进行D与RQD相关分析，则以等长度2m为准计算RQD。

通过扫描线测量间距值的相对累积频率可以看出，在较小值处保持较好的线性度，因此，如此测定的分形维数是针对一定范围而言的。分形维数分析表明，裂隙间距的空间分布显示出多重尺度的分形结构，为不均匀分形系统。换言之，在裂隙群集内有群集。分形谱表明裂隙组间的裂隙作用。

确定裂隙状岩体内裂隙密度的横向变化的目的，是为疏干裂隙水而设计高效水平疏干孔。 当岩体经受多重裂隙作用时，由于先前裂隙的存在，局部构造应力场的复杂变化可能引起裂隙作用的不均匀性。岩石力学性质变化在很大程度上决定于岩体内不均匀且局限的节理 。

青年基金项目对裂隙发展及其对土体强度影响规律进行了定量化研究，结果显示，膨胀土中裂隙分布具有明显的方向性，土体工程力学性质也因此呈现出各向异性特征。初步渗气试验结果表明，渗透性不仅能反映裂隙发育程度，也可表征裂隙的各向异性特征。要真正搞清裂隙对膨胀土性质的影响规律，深入研究裂隙分布的各向异性是前提和基础。本项目拟改进和完善现有测试手段和方法，采用CT法和电（导）法，在现场和室内进行膨胀土裂隙观测试验，研究裂隙的空间分布各向异性特征及演化规律；进行渗气和渗水试验，建立反映膨胀土裂隙各向异性的孔隙分布模型，结合数值模拟手段，分析裂隙形态及分布对土体渗透性各向异性特征的影响机理和规律。试验结合理论研究，定量地揭示膨胀土裂隙各向异性特征及其影响的相关规律，是本项目的特色和创新之处。本项目的研究将有助于加深对膨胀土特性的认识，进一步丰富特殊土研究理论和方法，也有助于膨胀土工程合理处置措施的选择。

研究含二维和三维单体或多条裂隙岩样在无水和有压水时三轴应力条件下岩桥破裂贯通机制、研究不同参数锚固对上述试件裂隙扩展的抑制效应。用流形元等方法模拟裂隙扩展。建立反应裂隙岩体破裂效应的固流耦合断裂损伤分析模型，应用理论研究成果分析实际工程的稳定性和渗流场变化。这对水利、矿山等工程稳定性及渗流效应有重要理论及实际意义。 2100433B