压缩过程中粗粒土渗透性变化的试验分析

为了研究影响粗粒土渗透系数大小的因素,采用实际工程用砂,通过不同条件下室内渗透试验,分别研究了粗粒土的粒径大小、干容重及相对密实度对渗透系数的影响。结果表明:对于同一粒度成分的粗粒土而言,其渗透系数随干容重的增加而减小,随相对密实度的增加而减小;在粗砂粒范围内,渗透系数随均值粒径的增大而快速增大;在细砾土粒径范围时,渗透系数随均值粒径增大的现象不显著。研究结果表明压缩作用使砂粒土渗透系数的减小较为显著,而对细砾土渗透系数的影响不明显。     

无粘性粗粒土的渗透试验研究

无粘性粗粒土颗粒组成具有较大分散性特点,其渗透系数受颗粒组成影响较大.为了探寻无粘性粗粒土级配对渗透系数的影响,通过室内试验方法进行不同级配的无粘性粗粒土渗透试验研究,试验结果表明,无粘性粗粒土渗透系数与其颗粒级配具有相关性.以太沙基公式为例,将原有公式修正为与级配参数相关的函数表达式,从而体现出无粘性粗粒土渗透系数与级配的关系,为无粘性粗粒土的工程特性进行了有益的探索.     

颗粒形状对粗粒土密实度的影响研究

密实度是衡量粗粒土力学性能的重要指标之一。大量实验表明,颗粒形状对颗粒材料的密实度有显著的影响,但针对特定形状指标对密实度影响的研究较少。选取大石峡堆石坝料场的卵石料颗粒和块石料颗粒作为试验材料,通过三维扫描获取颗粒的真实形状,计算了颗粒的形状指标。基于颗粒的真实形状,构建模拟真实粗粒土颗粒的离散元团簇体模型。采用压缩边界法对颗粒集合体进行制样,并对所有试样孔隙比进行测定。BP神经网络与Olden方法相结合的参数敏感性分析显示：对密实度敏感性较强的形状指标依次为三维球度、凸度、三维圆度和二维圆度,颗粒的三维球度指标能够较好地反映粗粒土密实度随颗粒形状的变化规律。考虑粗粒土颗粒三维球度的正态分布特性,针对三维球度呈不同正态分布的试样进行数值模拟,结果表明：试样的孔隙比随颗粒三维球度分布范围的增大基本保持不变,其分布范围的变化对孔隙比的影响较小。     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

基于孔隙尺寸的粗粒土渗透系数计算方法研究

基于颗粒极限堆积状态下的平面孔隙直径和土体粒径组成,采用颗粒随机抽样组合获得了土体各孔隙直径百分含量,并进一步得到了土体最密实和最疏松状态下孔隙直径累计分布曲线CSD-D、CSD-L。通过土体实际相对密度的线性内插方式获得了土中孔隙直径累计分布曲线CSD-R,并得到相应平均孔隙直径Dmc,根据粗粒土渗透试验结果建立了渗透系数K与Dmc关系的经验公式。研究表明:CSD-R曲线同时考虑了颗粒级配和密实度对土中孔隙尺寸分布的影响,所确定的经验公式近似满足多孔介质渗流理论中渗透系数与渗流孔隙呈二次正相关性的规律。对比相关试验结果认为,该方法具有较高准确性,适用于不均匀系数Cu7且有效粒径d109.6 mm的粗粒土渗透系数估算。     

粗粒土三轴制样过程中的颗粒破碎特性

粗粒土在制样和加载的过程中常常会发生破碎,目前大多数室内试验研究均集中在对粗粒土加载过程中破碎特性的描述,而忽视了其制样过程中颗粒破碎的影响。为此,采用2种不同级配的粗粒土分层击实制样,分析其在不同相对密度条件下的制样破碎特性。研究发现:粗粒土在制样过程中存在一定程度的颗粒破碎现象,较大颗粒破碎较为显著;但无论初始级配如何,粗粒土制样过程中的颗粒破碎率都随着制样相对密度的增大而增大。     

粗粒土的颗粒级配对渗透系数的影响规律研究

通过对不同级配粗粒土的渗透试验研究和相关性分析，指出粗粒士的渗透系数与反映其颗粒级配特征的不均匀系数和曲率系数存在较大的相关性，并以太沙基公式为例，将原有公式修正为与级配参数相关的函数表达式，从而体现出粗粒土渗透系数与级配特征的关系，为粗粒土的工程特性进行了有益的进一步探索性研究。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

基于连续级配方程的粗粒料压实密度缩尺效应试验研究

根据双江口心墙堆石坝堆石料的原型平均设计级配曲线,采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法等4种不同缩尺方法得到室内最大干密度试验成果。结合土的连续级配方程,采用级配面积与小于5 mm的颗粒质量分数P₅构建的函数式作为级配量化指标,拟合出最大干密度与试验前级配曲线面积、P₅及最大粒径之间的关系,据此可推求出原型级配的最大干密度。通过分析得到试验前后级配量化指标之间的拟合公式,并利用试验前后级配量化指标的相对变化量B_w作为颗粒破碎的定量指标,探讨了缩尺方法对压实过程粗粒料颗粒破碎的影响。结果表明,采用等量替代法缩尺,B_w随粒径的增大呈减小趋势;而采用剔除法、相似级配法和混合法缩尺,B_w随粒径增大呈增大趋势。     

考虑饱和渗透系数的宽级配土渗流侵蚀过程室内试验研究

【目的】宽级配土是堤防的主要填料,其在水力梯度作用下会发生内部侵蚀直至管涌破坏。渗流侵蚀过程会改变土体性质,进而影响饱和渗透系数。依据饱和渗透系数演变规律,探究土体渗流侵蚀过程,有助于工程安全性评价与渗透破坏预测防治。【方法】采用自制渗流侵蚀试验仪,通过逐级升高渗透水压力,开展土体侵蚀过程试验,测量饱和渗透系数和细颗粒流失量,探究级配与干密度对渗流侵蚀过程的影响。【结果】结果显示：依据饱和渗透系数演变规律,渗流侵蚀过程可分为侵蚀前期阶段、侵蚀发展阶段和侵蚀破坏阶段,从而定义了渗蚀发展临界水力梯度和渗蚀破坏临界水力梯度;宽级配土的渗蚀发展临界水力梯度与渗蚀破坏临界水力梯度均随级配参数D₁₅/d₈₅增加而减小;当细颗粒含量处于欠填状态时,渗蚀发展临界水力梯度随细颗粒含量增加而减小,渗蚀破坏临界水力梯度随细颗粒含量增加近似线性增大;当细颗粒含量处于满填状态时,两种临界水力梯度与累积细颗粒流失率均随着干密度增加而增大。【结论】可见,由于渗透侵蚀造成的饱和渗透系数变化显著地受土体级配与密实状态的影响。     

碎石土渗透特性试验研究

碎石土渗透系数是渗流分析及边（滑）坡稳定性评价等问题的关键参数。由于碎石土具有非均质性、非连续性以及影响因素多等独特性质,研究碎石土渗透特性的困难较大。利用大型渗透仪,试验研究了碎石含量、孔隙比和颗粒级配对碎石土渗透系数的影响规律,分析了渗流前后颗粒级配变化及其对渗流特性的影响,以及碎石含量、孔隙比大小对渗流前后颗粒级配变化的影响。结果表明:碎石含量与渗透系数之间关系符合指数关系;孔隙比与渗透系数之间的关系符合多项式拟合关系;特征粒径、不均匀系数和曲率系数与渗透系数之间的关系符合线性拟合关系,颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径,曲率系数影响较小;渗流前后颗粒级配的变化与水力梯度有关。     

基于GA-BP神经网络的粗粒土渗透系数预测

针对粗粒土渗透性能受颗粒级配、密实程度等因素影响而呈现明显差异,提出一种粗粒土渗透系数预测方法。收集并整理得到93组粗粒土数据,以全级配(d₁₀~d₁₀₀)和孔隙比作为BP神经网络的输入变量,利用遗传算法优化BP神经网络的初始权值与阀值,构建基于BP神经网络和遗传算法的粗粒土渗透系数预测模型。结果表明:该GA-BP神经网络经过55次迭代之后精度满足要求;87组训练样本预测结果的平均相对误差为5.10%,其中有75%的样本相对误差小于平均相对误差;6组检测样本预测结果的平均相对误差为6.39%,该网络模型泛化性能良好。采用GA-BP神经网络,由全级配和孔隙比能较好地预测粗粒土的渗透系数,且收敛速度、预测精度及泛化性能均优于标准的BP神经网络模型。     

颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验,研究颗粒对细菌的吸附性、固化体无侧限抗压强度与渗透系数、干密度增量的关系及内部碳酸钙的微观分布,分析颗粒级配及初始孔隙比对固化效果的影响。试验结果表明:低孔隙比试样对细菌的吸附性更好,适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡;固化体无侧限抗压强度在1 MPa^3 MPa范围内,应力-应变曲线均为软化型,颗粒错动与薄弱结构面导致阶段性应力峰值的出现;抗压强度随干密度增量的增加而增大,随渗透性增大而减小,孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好;固化后孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少,孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙包裹覆盖更好,颗粒间碳酸钙分布更连续均匀。     

钢珠和玻璃珠模拟粗粒土的三轴试验研究

采用钢珠和玻璃珠等颗粒材料模拟研究粗粒土力学性质具有较强可行性。对颗粒材料开展了常规三轴试验,探讨了围压、粒径、孔隙比等因素对粗粒土强度和变形特性的影响。研究表明:通过橡皮膜校正,颗粒材料的莫尔-库仑强度包线为过原点的直线;颗粒材料峰值强度随围压增大线性增加,轴向应变与围压存在二次函数关系;随颗粒粒径增加,峰值强度和内摩擦角均表现出增加趋势;分析稳态下的孔隙比与稳态强度的关系可得出相应的稳态内摩擦角。相关研究结论为进一步运用不同形状颗粒材料研究粗粒土奠定了基础。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

孔隙液体对透明土渗透特性影响对比试验

针对熔融石英砂与混合油、溴化钙及蔗糖等孔隙液体制配成的3种透明土试样,开展渗流液体与孔隙液体一致或者不一致两种情况下的常水头渗透试验,测得透明土材料在不同孔隙液体、粒径及相对密实度等情况下的渗透率,以及水在3种透明土试样中的渗透过程;并与福建标准砂相关试验结果进行了对比分析。进而开展透明土试样电渗可视化模型试验,初步探讨孔隙液体、渗透率等因素对电渗过程与机理的影响规律。试验结果表明,透明土试样渗透特性不仅与粒径分布、相对密实度等因素相关,而且与孔隙液体种类相关;混合油、溴化钙溶液制配成的透明土渗透率与天然砂土渗透率最为相近。     

砾石土粗粒含量对高土石坝稳定渗流的影响

高心墙堆石坝心墙防渗料多采用砾石土,当砾石土的粗粒含量（指质量分数,下同）超过50%时,渗透系数很可能超过规范要求,不利于坝体渗透稳定。通过对粗粒含量超标单元赋予不同的渗透系数,采用三维有限元法分析了心墙局部砾石土粗粒含量超标时对坝体渗流的影响。结果表明:心墙局部砾石土粗粒含量超标对坝体的渗流场分布和单宽渗流量影响都较小,对心墙内渗透坡降影响较大,最大渗透坡降都出现在未超标单元处。对于超标区域在中下部的情况,当超标单元粗粒含量小于55%时,渗透坡降最大增幅为36.4%;超标单元粗粒含量大于55%时,最大渗透坡降显著增大,且会超过允许坡降,不利于坝体渗透稳定。因此,在实际工程中应结合砾石土料的级配和细粒含量情况,做好下游反滤层的设计,并严格控制砾石土的施工压实度,以保证坝体安全。     

粗粒土颗粒破碎多重分形特性研究

粗粒土的颗粒破碎影响其强度、刚度和变形,故引入分形理论量化破碎程度。依据粒度分形曲线存在折线性,阐释界限粒组含义,提出以界限粒径为限,分段概化土体多重分形特征,计算其多重分形维数D(r),总结D(r)增量变化规律,建立增量计算模型,量化颗粒破碎程度。理论及试验分析表明:等效替代缩尺方法减小D(r),对界限粒径影响不显著,缩尺前后颗粒分形特性保持一致;不同尺寸颗粒破碎概率不同,粗粒段破碎概率高于细粒段破碎概率。细粒段D(r)增量随干密度的增加先缓慢增大后急剧增大,随围压增大而减小,其增量与干密度及围压为指数函数关系;粗粒段D(r)增量随干密度增加先增大后减小,其增量与干密度及围压呈高次非线性规律。据此建立考虑干密度及围压影响的D(r)增量模型,用MatLab作多元非线性回归分析求解系数,对比模型值与试验值分布规律,分析其残差置信度。研究结果表明模型结构合理,可为评价粗粒土多重分形特性及量化颗粒破碎效应提供一种简便有效的方法,可提高粗粒土工程应用科学性及可靠程度。