强电场作用下极细颗粒黏土渗流特性分析

采用常水头渗流法试验,利用数据直流电源提供强电场,研究极细颗粒黏土的渗流的电场效应,在相同试验条件下完成了人工高岭土与人工膨润土按一定比例混合的试样的渗流特性测试。测试结果表明,外加电场对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着电场强度的升高,试样的渗透系数呈先减小后增大的趋势;在相同的电场强度下,试样的渗透系数会随着时间逐步变化,最终趋于稳定。对有无电场作用下渗流后的试样分别进行压汞试验,测试结果表明,在强电场作用下黏土颗粒产生重新排列,从而改变了孔隙结构和尺度,使渗透系数有所增加。试验结果分析认为,电场作用下,黏土颗粒和孔隙水都会产生极化现象,土颗粒和水分子在这种静电力作用下作定向排列,从而改变了试样的孔隙分布情况和孔隙水的粘度,进而影响孔隙水渗流特性。     

含盐量对极细颗粒黏土强度影响的试验研究

 为深入研究滨海盐渍土等极细颗粒黏土的不良工程特性产生的物理化学机制,探讨在水的作用下由可溶盐离子引起土颗粒表面微电场的变化对极细颗粒黏土抗剪强度的影响,首先对一系列含盐量即不同孔隙液离子浓度下的人工土(膨润土、高岭土与膨润土的混合土、石英)进行常规直剪与液塑限试验,同时测试人工土的阳离子交换量与比表面积等微细观参数用于计算颗粒的表面电位,建立抗剪强度与表面电位之间的关系。测试结果表明,可溶盐离子通过扩散的双电层改变土颗粒表面电位,引起结合水膜厚度的变化致使土颗粒之间的变形阻力发生改变,在宏观上表现为土体强度的变化。结合科威特Bubiyan岛的海港盐渍土软基加固工程,研究可溶盐含量对当地滨海盐渍土的强度与液塑限的影响,证实孔隙液离子浓度对人工土的强度的影响机制与变化规律同样适用于天然极细颗粒黏土,为从微细观角度揭示盐渍土的不良工程特性提供理论解释与试验基础。     

细粒迁移及组构变化对黏土渗透性影响的试验研究

为进一步探究水化学环境下土体渗透性的变化规律及作用机理,对饱和重塑压实黏土样在不同水化学条件及渗流路径下进行了一系列变水头渗透试验,分析了不同浓度的NaCl溶液在不同渗流路径下对饱和黏土渗透性的影响。结果表明:不同干密度试样的渗透性随浓度增加展现出较大的差异,干密度为1.40 g/cm~3时,渗透系数呈先升后降,而干密度为1.50 g/cm~3时,渗透系数不断降低;逆转渗流方向,试样渗透系数发生突变;孔隙盐溶液浓度周期性变化,试样渗透性不可逆。基于核磁共振(NMR)分析技术,测试了土体内部孔隙结构分布随孔隙盐溶液浓度的变化。最后基于上述试验结果从细粒迁移产生的孔隙堵塞效应和组构改变引起的孔隙封闭效应两个方面,解释了孔隙盐溶液浓度变化对黏土渗透性的影响。     

细粒迁移及组构变化对黏土渗透性影响的试验研究

为进一步探究水化学环境下土体渗透性的变化规律及作用机理,对饱和重塑压实黏土样在不同水化学条件及渗流路径下进行了一系列变水头渗透试验,分析了不同浓度的NaCl溶液在不同渗流路径下对饱和黏土渗透性的影响。结果表明：不同干密度试样的渗透性随浓度增加展现出较大的差异,干密度为1.40 g/cm³时,渗透系数呈先升后降,而干密度为1.50 g/cm³时,渗透系数不断降低;逆转渗流方向,试样渗透系数发生突变;孔隙盐溶液浓度周期性变化,试样渗透性不可逆。基于核磁共振（NMR）分析技术,测试了土体内部孔隙结构分布随孔隙盐溶液浓度的变化。最后基于上述试验结果从细粒迁移产生的孔隙堵塞效应和组构改变引起的孔隙封闭效应两个方面,解释了孔隙盐溶液浓度变化对黏土渗透性的影响。     

粗粒土渗透变形特性的细观数值试验研究

为深入探究渗透变形对粗粒土渗透特性的影响,基于室内粗粒土渗透变形物理试验成果分析,利用颗粒流软件PFC3D对粗粒土的渗透性演化全过程进行细观数值仿真试验。数值试验研究成果表明:随着试验水头升高,试件中的细小颗粒从渗流"上游区"向"下游区"逐渐迁移、汇聚,形成渗透挤密区;渗透挤密现象的产生导致试件整体渗透系数减小;随着试验水头持续升高,渗透挤密区中的细颗粒在不断增加的渗透力作用下随水流被陆续带出,渗透系数逐渐增大。颗粒迁移导致原有孔隙增大,土骨架结构发生变化,进而导致粗粒土渗透性越来越大,最终形成渗透变形现象。细观数值试验方法可以较好地再现粗粒土的渗透变形过程。     

有纺土工织物覆土条件下的渗透特性试验研究

分别配制不同孔隙比的粉砂、标准砂和黏土试样,采用自主研制的一套多功能渗透试验装置,开展了一系列纯土和有纺土工织物覆土条件下的渗透试验,对比分析了这两种条件下渗透系数的差异,并探讨了有纺土工织物与土共同作用下的渗透机理。结果表明,有纺土工织物对于土体渗流略有一定的抑制作用,表现为覆土条件下的渗透系数略小于纯土的渗透系数,但是对于粉砂,当其孔隙比比较大、细砂颗粒的含量相对较多时,细砂颗粒则有可能在渗流作用下通过有纺土工织物孔隙而产生流失,使得覆粉砂条件下的渗透系数略大于纯粉砂的渗透系数。     

滨海相软土固结—渗透联合测定试验研究

将K0固结仪改装成高压固结—渗透联合测定试验仪,对上海地区滨海相原状软粘土试样、重塑软粘土试样和粉土试样进行了固结—渗透联合测定。对比分析了不同荷载和水头耦合作用下上海软土的变形及渗透特性,并对上海软土试样垂直向和水平向的e-k关系曲线进行了拟合,得到了孔隙比和渗透系数的关系表达式。试验结果表明：结构性对上海软土的固结...     

软土渗流的平行平板微观模型分析

由于软土颗粒微小,能包裹较厚的结合水膜,结合水的黏滞性和抗剪性能对孔隙水渗流起着阻碍作用。根据离子效应渗流模型,把软土的孔隙水渗流简化成等效平行平板渗流,平行平板渗流模型综合考虑了结合水的黏滞性、抗剪性能、土颗粒表面电势、导电率、离子浓度及其电价、孔隙直径等参数的影响,其计算结果与试验数据吻合度较高。     

降压回灌作用下黏土的渗透特性试验研究

为控制深基坑降水和承压水降压引起的土体沉降问题,通常采用坑外回灌措施,而软黏土渗透特性在抽水回灌过程中出现的变化会影响回灌效果和土体变形特性。采用GDS三轴试验仪对上海黏土土样进行室内降压回灌模拟试验,研究降压回灌的渗流作用对黏土渗透特性的影响规律。试验通过设置围压和初始孔压来控制土样应力水平,利用反压变化模拟孔隙水的降压和回灌过程,测试土样的渗流变化与变形,从而分析土样孔隙比、渗透系数等参数的变化规律。研究发现,渗透系数在降压阶段因孔隙比减小而降低,并存在非线性关系;土体孔隙比在回灌阶段逐渐增大,但渗透系数因堵塞效应而呈现进一步降低趋势;可用e–lgk拟合曲线建立孔隙比与渗透系数之间的非线性关系。     

重金属Cu~(2+)污染土渗透特性试验及微观结构分析

研究重金属Cu2+离子的侵入对土体渗透特性的影响。以人工配置的CuCl2溶液作为渗透液,采用三联式柔性壁渗透仪在室内开展两种工况下污染土渗透试验,分别考虑围压和渗透污染液浓度对土体渗透性的影响。试验结果表明,配制的CuCl2溶液浓度保持恒定时,渗透液无论采用纯净水还是CuCl2溶液,土体渗透系数均随着施加围压的增大而减小,但是相同围压作用下CuCl2溶液作为渗透液,测得土体的渗透系数小于纯净水作用的渗透系数,并且随着围压的增大,渗透系数的减小量呈现出逐渐缩小的趋势,直至围压超过500kPa后流体特性对土体渗透性的影响不大。施加围压相同而渗透液浓度不同的情况下,土体渗透系数随着CuCl2溶液浓度的增加先急剧减小随后则逐渐增大。微观结构分析结果表明,CuCl2溶液作为渗透液时土体渗透系数与纯净水渗透存在差异的主要原因是缘于重金属Cu2+改变了黏土的内部结构,影响了黏土的孔隙大小,从而造成了宏观渗透性的差异。     

分散性粘土判别试验研究

应用碎块、针孔、双比重计、孔隙水可溶盐和交换性钠百分比等五种试验方法,结合物理化学性质和矿物成分分析,对西郊、三坪两水库大坝心墙土样进行了多种方案的分散性试验及长期渗流条件下的渗透变形试验和盐分运移试验。认为三坪土样中钠离子的分散作用小于西郊土样,钙镁离子的抑制分散作用大于西郊土样,并且三坪土样中的蒙脱石含量低于西郊土样,因此三坪土样属于非分散性土,西郊土样属于过渡型土。土样施工用水对土样的分散性鉴定结果影响较小,而冲蚀用水对土样的分散性鉴定结果产生大的影响。在长期的渗流条件下土样中钠离子随水流易迁移,河水中的钙离子含量大,进入土体后能抑制土样的分散性,促使土体向非散性的方向发展。结果表明土样中钠离子和钙镁离子含量多寡和相对含量对粘土分散性具有重要的作用,蒙脱石的存在是粘土分散性的重要因素,河水对粘土分散性能将产生显著影响。     

基于连续介质模型的海底隧道渗流问题分析

 与普通山岭隧道不同,海底隧道的一个显著的特点就是有着无限的水源对海底隧道进行补给。海底隧道开挖引起的地下水渗流带来两方面的问题：一是结构水荷载的确定问题,二是涌水量的预测问题。将围岩看作各向同性连续介质,针对这两方面的问题进行研究。明确孔隙介质中水压力的实质;根据国内外最新研究成果,针对山岭隧道和海底隧道不同的边界条件,对各向同性渗透系数下平面半无限含水空间圆形隧道稳定渗流的涌水量和水压力分布的解析解进行分析;以青岛胶州湾海底隧道为工程背景,采用数值方法比较应力场对渗流场的影响,以及围岩渗透系数、水深、注浆圈渗透系数和注浆圈厚度的改变对围岩孔隙水压力和洞内涌水量的影响。分析结果表明：隧道开挖的成拱效应对围岩孔隙水压力的分布和洞内涌水量的大小影响不大;在不考虑渗流场和应力场耦合作用、水深一定条件下,渗透系数的改变不会影响毛洞孔隙水压力的分布;隧道洞内涌水量随着围岩渗透系数或围岩上覆海水深度的增大呈线性增大;注浆圈渗透系数的减小和注浆圈厚度的增大都可以达到减小隧道洞内涌水量的目的,在实际施工中应该在注浆的经济性和其堵水效果两方面进行综合分析,确定最优化的注浆参数。     

Quantitative two/three-dimensional spatial characterization and fluid transport prediction of macro/micropores in Gaomiaozi bentonite

The sealing performance of a bentonite barrier is highly dependent on its seepage characteristics, which are directly related to the characteristics of its pore structure. Based on scanning electron microscopy (SEM) and focused ion beam-SEM (FIB-SEM), the pore structure of bentonite was characterized at different scales. First, a reasonable gray threshold was determined through back analysis, and the image was binarized based on the threshold. In addition, binary images were used to analyze bentonite's pore structure (porosity and pore size distribution). Furthermore, the effects of different algorithms on the pore structure characterization were evaluated. Then, permeability calculations were performed based on the previous pore structure characteristics and a modified permeability prediction model. For permeability prediction based on the three-dimensional model, the effect of pore tortuosity was also considered. Finally, the accuracy of numerical calculations was verified by conducting macroscopic gas and alcohol permeability experiments. This approach provides a better understanding of the microscale mechanism of gas transport in bentonite and the importance of pore structures at different scales in determining its seepage characteristics.     

旱涝急转下斜墙坝渗流特性试验研究

对斜墙坝渗流安全,关注点多在于是否形成稳定渗流场,浸润线高低以及渗流量多少等,渗流分析基本为饱和渗流,而在旱涝急转情况下,受旱土体处于非饱和状态,土体表面分布着裂缝,渗流情况复杂,常规渗流分析难以进行。基于室内坝坡模型,模拟旱涝急转工况,研究斜墙坝渗流特性。研究结果表明:对于受旱后裂缝发育程度低的黏土防渗体防渗性能良好,其渗透系数要小于饱和渗透系数,而对于裂缝较发育区域,由于其良好的透水性,渗透性远大于土体饱和时的渗透性;降雨及水位上涨时,裂缝会自行愈合,但愈合仅限于表面,土体完整性无法再回到产生裂缝前的状态,此时坝坡土压力值相对试验初期要小许多,裂缝的产生增大了土体的孔隙率,改变了土体渗透性,永久削弱了黏土防渗体防渗性能。试验得出了旱涝急转下斜墙坝渗流演变规律,可据此对实际工程中的渗流薄弱部位进行重点监测与保护。     

唐家山堰塞体渗流稳定及溃决模式分析

 在准确获取唐家山堰塞体地质结构(从上到下依次为①层碎石土、②层块碎石和③层似层状碎裂岩3层结构)及相关渗透参数基础上,采用Visual Modflow可视化三维软件,模拟4种堰塞湖水位(710,720,730和740 m)条件下不同土层的渗流速度和渗透坡降,表明由于②,③两层颗粒粗大、渗透性好,总体表现出稳定流的渗水特点,整体坡降变化稳定,中间不会出现如低渗透黏性土的紊流状态、渗透坡降出现拐点以及管涌渗透特点。而下游侧①层碎石土由于沿第③层形成的贯通性渗流在下游侧穿越该层渗出形成的最大坡降会大于允许坡降,将导致堰塞体下游发生零散或局部渗流破坏,且临界堰塞湖水位为726 m。随堰塞湖水位抬升,整个堰塞坝体出现的溃决模式为：下游侧表层碎石土层因渗透破坏和溯源侵蚀,同时因进口段地表水流漫顶淘刷,最终导致上部第①层碎石土被侵蚀、淘刷带走。随着第①层被淘刷、水流速度加大又进而会带动第②层块碎石被逐渐冲刷下切,但不会发生整体溃决,而第③层似层状碎裂岩将保持稳定,侵蚀和淘刷的下限深度就是第③层似层状碎裂岩顶部。     

降雨入渗对非饱和膨胀土边坡稳定性影响的参数研究

对非饱和膨胀边坡在考虑暂态饱和－非饱和渗流的情况下进行了参数研究。研究的结果表明：裂隙的存在边坡中孔隙水压力和体积含水量分布有较大影响。膨胀土渗透性越低越应注意裂隙的作用。     

高压引水隧洞陡倾角断层岩体高压压水试验研究

结合一抽水蓄能电站高压岔管区高压压水试验,详细介绍了具有陡倾角断层岩体的高压压水试验方法及试验成果。探讨了岩体高压下水力劈裂区扩展的波动理论和渗透破坏特性,明确了岩体与土体渗透破坏形式差异。试验首次对岩体内的渗透压力和变形进行了同步测量,以了解高压条件下岩体的渗透变形特性。在高孔隙压力作用下,岩体的变形发展试验成果表明,岩体应力和稳定性分析过程中孔隙压力的作用不可忽视,因此采用耦合理论对高孔隙压力环境下的工程岩体进行分析有助于降低围岩失效风险。     

大直径越江盾构隧道各向异性渗流应力耦合分析

 上海长江隧道的直径和一次连续掘进距离迄今均为世界之最。隧道平均覆土9.0 m,最浅覆土仅6.8 m。为控制高水头下浅覆土中特大径盾构推进时管片的上浮,采用单液同步注浆工艺。用能够考虑土体渗透系数随应力状态变化的弹塑性各向异性渗流应力耦合模型,对上海越江隧道东线江中段的施工过程进行数值分析。结合实测数据,揭示盾构推进时管片上浮量和管片外侧孔隙水压力的变化规律,研究变形稳定后管片外侧及拱顶正上方各点孔隙水压力的分布状况,分析不同水深时地下水渗流对地表沉降和管片受力的影响。研究结果表明,目前采用的单液同步注浆材料及工艺能很好控制管片的上浮,管片变形稳定时壁后各点孔隙水压力与静水压力比值随深度增加而增大,水的作用使管片受力趋于均匀,但应注意高水位引起的高孔隙水压力对管片受力带来的消极影响。