基于渗透破坏试验的粘土临界坡降影响因素分析

为分析粘土临界坡降的影响因素,以合肥某基坑土样为例,首先开展单一粒径级土体的渗透破坏试验,分析临界坡降随干密度和均值粒径的变化规律;其次,开展多粒径混合粘性土的渗透破坏试验,讨论在干密度一定时,不均匀系数、曲率系数对临界坡降的影响。结果表明,干密度对土体临界坡降影响最为显著,均值粒径次之,临界坡降随干密度三次方的增加而线性增加,随均值粒径的增加而线性减小,随孔隙率的增大而减小;不均匀系数对土体临界坡降影响较为显著,曲率系数次之,临界坡降随不均匀系数、曲率系数的增加而线性减小。     

上覆压力对深厚覆盖层地基渗透及渗透稳定性的影响

为了研究不同上覆压力对深厚覆盖层中管涌型土层的渗透及渗透稳定性影响,利用土体渗流—应力耦合装置,在施加不同上覆压力(0、0.3、0.5、0.7 MPa)的条件下,对缺级配砂砾石进行渗透破坏试验。结果表明,随着上覆压力的增大,土体在渗透破坏过程中,局部的渗透特性变化和渗流场分布均存在差异性,反映了细土颗粒被运移和填充孔隙的情况不同,从而影响了水力坡降在局部的分配情况;上覆压力的增大使得土体稳定渗流阶段和渗透破坏阶段的渗透性出现不同程度的减小,临界坡降和破坏坡降的变化与上覆压力之间存在相同形式的非均匀变化关系。     

华中粉砂岩粗粒土粒径级配分形特性研究

研究不同应力状态下颗粒粒径级配演化规律是分析土体应力状态、评价其工后变形的关键。基于质量-粒径分形模型从分形角度阐述了粗粒土粒径级配曲线探究依据,设计了5种不同分形维数的粒径级配,分析了土体颗粒空间分布特性;通过三轴剪切试验及颗粒筛分试验,探究了不同分形维数粗粒土偏应力峰值前后应力应变曲线性态分布及剪应力峰值、内摩擦角、分形维数因子等参数变化规律。结果表明,土体粒径范围随分形维数越大而更宽泛;应力应变曲线随分形维数及围压增大而存在应变软化向应变硬化过渡的趋势,偏应力峰值随分形维数增加而增大,内摩擦角呈先减小后增大的变化规律。粗粒土分形维数变化因子与相对围压呈线性函数关系,方程斜率及截距仍与相对围压呈线性函数关系,据此建立了考虑围压及初始分形维数的经验方程,为从分形角度来设计与优化粗粒土粒径级配而达到提高其力学强度等提供了参考依据。     

某多层结构堤基土体渗透变形机理模拟研究

针对某多层结构堤基渗透稳定性问题,采用基于离散元理论的颗粒流方法,建立堤基概化颗粒模型并进行渗流模拟,研究多层结构堤基渗透变形发展过程及颗粒流失量、孔隙率等参数的变化规律。结果表明,对于上覆粘土,下部为级配不良中砂和级配不良细砾的土层结构,发生渗透破坏时土体颗粒流失主要发生在中砂层,渗漏通道表现为由渗流出口逐渐向上游发展,由于流失量持续增大,造成该土层逐渐被掏空并导致上覆粘土层塌陷破坏;细砾石层颗粒流失量较小且趋于稳定,不会演变为管涌破坏。     

无粘性土及粘性土渗透破坏试验与渗透变形分析

针对堤坝土体渗透变形出现后内在隐患会加速渗透破坏发展问题,根据土的渗透稳定理论,对砂砾石、砂性土和粘性土等堤坝填筑材料的渗透破坏发展过程做了物理模型试验,并论证了不同性质土体在各个阶段的稳定性。结果表明,渗透破坏是逐步发展的过程,先出现局部变形,随着水头增加,局部变形区域逐渐扩大,引起了整体变形,接着变形区连通上下游,当水头继续增大时土体破坏失稳;渗透破坏锋面附近往往出现坡降集中现象,为渗透破坏的继续发展提供动力。     

含密实填充物的平行双裂隙岩体模型渗透特性试验研究

针对含填充物的双裂隙岩体,利用惰性气体渗透测试系统,在一次围压加卸载下对试样进行渗透率和孔隙度的精确测量,研究了裂隙中填充物及交界面渗透特性随裂隙间距变化的规律。结果表明,单裂隙与双裂隙试样渗透率随围压变化规律大致相同;在加载阶段,随着裂隙间距的减小,裂隙之间的相互作用增大,孔隙度随围压减小的更为显著,而单裂隙孔隙度随围压变化最不明显;随着裂隙间距的增大,各试样渗透率相应减小,而由于单裂隙试样比双裂隙试样缺少两个渗透交界面,因此其渗透率在低围压下远小于双裂隙试样。     

基于分形理论的泥岩填料渗透特性研究

泥岩作为一种水敏性较强的填料,其渗透特性变化严重制约着工程结构的安全。采用对照试验方式,设计5个级配梯度,通过自主设计渗透试验仪对泥岩填料进行渗透变形破坏试验,对比泥岩填料击实破碎分形变化特征,分析填料渗透性与级配结构的相关性。结果表明,击实前后填料级配由不良变为良好,分形维数由2.23～2.51增至2.44～2.57,分形曲线分布特征与粒径累计曲线变化特征一致,分形维数可作为评价级配特征的量化指标;不同试样的渗透系数具有相同数量级(10^-6cm/s),仅数值有所差异,部分试样发生渗流破坏;分形维数与渗透系数具有二次项函数关系,渗透系数峰值点及其相近邻域对应维数(维度2.525)的试样易发生渗流破坏。     

柴油机缸内团聚态颗粒氧化过程中的破碎

基于全气缸取样系统采集不同燃烧时刻的柴油机碳烟,使用粒数粒径测试分析仪和透射电子显微镜测量了碳烟的粒径分布、数密度、分形维数和团聚度,进而获得团聚态颗粒的破碎速率,在上述工作的基础上,分析了柴油机缸内碳烟氧化主导阶段团聚态颗粒物的破碎现象.结果表明:碳烟氧化主导阶段初期,团聚态颗粒破碎速率高,碳烟颗粒总粒数密度和核态颗粒数密度增加,同时分形维数和团聚度明显减小.随氧化主导阶段燃烧反应的进行,破碎速率逐渐降低,总颗粒数密度逐渐减小,核态颗粒数密度先增加后减小,而分形维数和团聚度呈现上升的趋势.     

粗粒料干密度缩尺效应规律及影响因素分析

为研究堆石坝粗粒料干密度缩尺效应规律及影响因素,总结了相似级配法、剔除法、等量替代法、混合法4种缩尺方法下的最大干密度随颗粒最大粒径的变化规律,并分析了缩尺方法(颗粒级配)、颗粒形状、压实方法、细观尺度4个因素对缩尺效应的影响。结果表明,4种缩尺方法下最大干密度均随最大粒径的增大而增大;从统计角度看,颗粒形状随着粒径增加,颗粒不规则性减小,表面光滑度增加,有利于达到密实状态;压实方法对最大干密度的影响不容忽略。     

基于格子Boltzmann方法的非饱和土体导热系数研究

以非饱和土体为研究对象,通过四参数随机生长法(QSGS)对土体的微观结构重构。根据土体各相及相间的热传导方程,建立求解非饱和土体有效导热系数的数学模型。基于格子Boltzmann方法的D2Q4模型对该模型进行求解。研究结果表明:土体的有效导热系数随饱和度的增加而增大,且冻土的变化幅度远大于未冻土。土体的有效导热系数随孔隙率的增加而减小,孔隙率较小时其下降速率较快。在土颗粒分布均匀、各向同性且孔隙率相等的情况下,土颗粒大小对土体有效导热系数的影响不显著。当片状土颗粒排列平行于传热方向时,其有效导热系数要大于排列垂直于传热方向的土体。     

分形理论在水闸闸基渗流分析中的应用

针对水闸监测数据信息量大、错综复杂、彼此存在相关性的特点,将分形理论应用于水闸安全监测数据分析研究中,对闸室底板渗压时间曲线的盒维数进行分析。结果表明,测点的分形盒维数可反映与渗流相关的地基均匀程度、复杂程度、相邻测点的自相似性,且测点的渗压值曲线变化复杂程度与该点的盒维数大小成正比。采用分型理论对水闸监测数据分析可获得整个闸室底板渗压值全场变化规律,为水闸安全提供保证。     

赣江河漫滩沉积物的粒度分形特征及其对洪水的指示

基于赣江河漫滩相沉积序列的415个样品,利用分形理论分析了沉积物的粒度分形特征,并对比了平均粒径等传统粒度指标重建的洪水事件序列。研究结果表明,无标度区范围相关系数R2的平均值由0.75提升至0.82,沉积物分维值D的平均值为2.34,说明沉积物粒度分布的分形特征较好。分维值D与传统粒度指标中的平均粒径、偏态、粘土含量存在显著正相关关系,与砂和粗粉砂含量存在显著负相关。在洪水期,沉积物的粒度偏大,砂的含量较多,分维值D偏小,非洪水期正好相反。在辨识出的18个洪水年份中,分维值D可辨识出15个洪水年份,达到了83.3%,这表明了粒度的分维值D在基于河漫滩沉积序列的古洪水重建中有一定的应用潜力。     

干湿循环对土体级配分形特性影响分析

为分析粗粒土受水体干湿循环作用时颗粒级配演化规律,采用颗粒筛分试验统计干湿循环作用后土体颗粒粒径分布,引入颗粒质量-粒径分形模型计算粒径分形曲线(GFC)及分形维数(D),揭示了D随围压及干湿循环次数变化的规律,量化了干湿循环作用对粗粒土D的影响,并建立了计算方程。结果表明,等效替代缩尺法对GFC及D影响较小;制样及筛分过程导致D增大0.63%,室内试验方法引起粗粒土颗粒破碎效应不可忽略。低围压条件下(围压小于0.60MPa),D随围压增大及干湿循环次数增多而增大,剪切作用及水体干湿循环作用加剧了粗粒土颗粒破碎效应。所建粗粒土D计算模型为评价干湿循环对涉水工程填筑土体级配劣化效应提供了依据。     

松花江流域泥沙颗粒分形性研究

研究流域泥沙有利于分析泥沙来源、泥沙运动及河床演变等,采取有针对性的治理措施对控制泥沙非常有利。为此,根据分形理论,通过MS2000激光粒度分析仪分析了松花江流域晨明、古城子、哈尔滨、佳木斯、南岔、铁力、延寿七个水文站泥沙粒度分布的分形性。结果表明,松花江流域7个测站泥沙粒度的分维值在2.201~2.391之间,所对应的相关系数均在0.858以上,基本保持了良好的统计自相似性,分维值与泥沙颗粒组成、传统粒度参数的相关关系基本符合经验数据。     

不透水地基均质土堤防渗墙渗透系数五段算法

针对堤坝工程施工中防渗墙渗透性检验方法的不足,基于不透水地基均质土堤渗流计算三段法,提出了防渗墙渗透系数计算五段法,并通过注水试验数值模拟验证该算法。结果表明,当土体和防渗墙渗透性相差200~1 000倍时该方法检验结果较准确;当土体和防渗墙渗透性相差小于200倍时,可增加下游观测孔数量,消除误差;当土体和防渗墙渗透性相差大于1 000倍时,计算误差无法消除,但计算结果可在定性分析时使用。因此,通过设定一定条件,该方法可应用于实际工程。     

基于差商分析的土裂隙分形无标度区确定方法

为了定量确定土裂隙的分形无标度区、提高分形维数计算结果的可靠性,基于数字图像处理技术提取土干缩裂隙图像,分析了在盒维数计算中拟合区间对土裂隙图像分形特征和分形维数计算结果的影响,并提出了采用差商分析的方法确定分形无标度区。结果表明,就同一张土裂隙图像而言,不同拟合区间的选取会导致分形维数值出现较大差异性,即计算存在不确定性;网格尺寸较小时,土裂隙分形特征较为明显,当网格尺寸增大到一定程度后,分形特征减弱甚至消失;采用一、二阶差商分析的方法可确定裂隙图像的分形无标度区,从而提升分形维数计算的可靠性。     

Study on effective thermal conductivity for porous media using fractal techniques

In this paper, the geometric structure of porous media is described using fractal techniques, and a section particle area fractal dimension d of a porous medium with various porosities is considered with a simplified model. Also an expression of the effective thermal conductivity for soil is presented via a fractal dimension and a model of heat transfer in soil. The results obtained in this paper indicate the effectiveness of the method for determining the effective thermal conductivity by using the section area dimension. © 2000 Scripta Technica, Heat Trans Asian Res, 29(6): 491–497, 2000     

Determination of Effective Thermal Conductivity ForReal Porous Media Using Fractal Theory

INTRODUCTIONPorousmediaisacompositemediathatincludessolidframeandfluidandexistedwidelyintheeajrthbiosphere.Heatandmasstransferinporousmediaisbothanaturalphenomenoninearthbiosphereandaphysicalchemistryprocessinindustries,agricultureandhumanlife.Thusthestudyonheatandmasstransferinporousmediahasbecomeanimportanttasktoscielltistsandengineers.Heatandmasstransferinporousmediaisaverycomplexobject.Therearestillmanydifficultiestodescribethecoupledheatandmasstransferphenomena.Amongthesedifficultie…     

基于格子Boltzmann方法的饱和土壤渗流与传热数值模拟

本文利用随机多孔介质生成算法重构了与真实土壤外貌相近的多孔介质几何结构。通过引入不可压耦合双分布格子Boltzmann模型（lattice Boltzmann model ,LBM）对孔隙尺度下单相饱和土壤渗流和传热进行了模拟。着重讨论了不同渗流压差、孔隙率、土壤固体颗粒尺寸分布对流动与传热的影响。结果表明：土壤渗流速度与渗流压差呈线性单调递增关系,平均温度随渗流压差增加而增大,但温升速率逐渐减缓;当孔隙率增大时,渗流速度增加,且当孔隙率大于0.58时,对流换热作用迅速增强,土壤温升速率显著加快;对于相同孔隙率,当土壤固相颗粒尺寸较大时,流动出现典型优先流效应;随着土壤固相颗粒尺寸减小,土壤温度变化逐渐趋于平缓,平均温度降低。