宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

循环荷载下染色标定砂土内部侵蚀试验研究

内部侵蚀是造成堤防、大坝、路基等诸多结构失稳的主要原因之一。现有对土体内部侵蚀特性的研究大多基于静态加载,且无法定量描述细颗粒迁移的相关规律。为此,采用自主研发的土体渗透试验装置,对2组不同级配的染色标定砂土开展循环荷载作用下的内部侵蚀试验,探究循环荷载下砂土内部侵蚀过程中的水力响应机制,并定量描述流失颗粒的粒径组成及成分来源。试验结果表明:循环荷载–水头作用下,在现有土体稳定性判别方法中表现为稳定土体的试样A仍发生了一定质量的颗粒流失,之后又会达到新的平衡状态;而表现为不稳定土体的试样B则会发生持续且显著的颗粒流失,渗透系数显著增加。随着外部水头的提升,流失颗粒平均粒径逐渐增大、且流失颗粒所来源于土层逐渐加深。循环荷载–水头作用下,砂土试样间产生上下波动的孔隙水压力,在各层位间形成振荡的水力梯度,从而影响土体内部稳定性。研究结果加深了对内部侵蚀特性的认识,为完善相关病害的发展机制研究提供理论与试验支撑。     

渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用

管涌是涉及孔隙水渗流,可动细颗粒侵蚀、运移,多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相、多场耦合现象。为真实模拟管涌发展过程、探究管涌机制,研制渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置。该装置包括流失细颗粒收集系统、围压系统、轴向压力系统、渗透压力系统及数据采集系统。流失细颗粒收集系统可以实时收集管涌发展过程中流出土体的细颗粒及渗流量;围压及轴向压力系统模拟土体承受的三向应力状态,最高围压可达2.0 MPa,最大轴向压力可达30 kN(试样直径101 mm);渗透压力系统模拟土体承受的渗流作用,具有高水头(200 m)与低水头(低于2 m) 2种模式;数据采集系统能够实时监测土体沉降、体积及渗流进、出端水头的变化等。无围压、等向受压、三轴受压3组管涌试验表明：应力状态对管涌发展过程影响显著。等向受压状态下管涌临界坡降远高于无围压时的结果,略高于三轴受压状态下的临界坡降。新型管涌试验装置能够真实模拟土体管涌发展过程,实时监测管涌发展过程中土体细观结构、几何、水力、力学特性的演变,将成为深入研究管涌机制的可靠技术工具。     

基于透明土技术的多孔介质孔隙流动特性研究

土体作为一种特殊多孔介质,内部孔隙通道尺度与形态随机性强,导致土体渗流场中孔隙流速分布不均,即存在优势流现象。优势流是影响污染物运移、导致土体渗透变形的重要因素。基于透明土原理,利用聚丙烯酸钠交联聚合物颗粒和蒸馏水,配制成饱和透明多孔介质,并利用一种新的研究透明多孔介质内部流场的装置及方法,将绿色光源激光器、单反相机、十字滑台等组合成简易粒子图像测速(PIV)系统,采集不同水力梯度下透明多孔介质内部流场图像,结合粒子图像测速技术,将得到的流速数据进行统计分析,揭示孔隙液体的流动特性。研究表明,利用自制简易PIV系统进行流场测量,实测孔隙流动结果与宏观流速吻合程度高,能够实现对流场的多点、无扰、高精度测量。研究发现多孔介质内部纵断面上的孔隙面积与纵断面所在位置有关,而孔隙面积越大,断面上的孔隙流速也越大。多孔介质内部孔隙流速分布规律大致相同,优势流速随着断面流速的减小而减小,优势流速越小,其概率密度越高,优势流动现象越显著。     

渗透侵蚀下砂性土细颗粒流失率预测方法

渗流过程中内部不稳定砂性土细颗粒易于流失而形成渗透侵蚀,将对土工建筑物或地基造成不良影响。细颗粒流失率是土体力学性能劣化及稳定性分析的关键参数,为了对渗透侵蚀下砂性土细颗粒的流失率进行预测,笔者讨论了判断土体是否会发生渗透侵蚀的内部稳定性评价准则;介绍了细颗粒起动临界坡降,并对应力折减系数进行修正,以考虑土颗粒受力的差异性;提出了“细颗粒起动概率”,对细颗粒起动与否进行量化;分析细颗粒在土体孔隙网络中的迁移过程,给出了细颗粒通过收缩的概率和渗透迁移距离;根据细颗粒起动和迁移规律给出了细颗粒侵蚀和沉积定律,基于质量守恒定律形成细颗粒流失率预测方法。采用预测方法进行流失率计算,计算结果和试验结果吻合较好,误差基本在15%以内。     

无粘性土中管涌的毛管模型及其应用

通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析。建立了描述无粘性土中管涌发生、发展的毛管模型。利用该模型。将细颗粒的流失量、土体渗透性和颗粒起动的水力条件三者联系起来。得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式。通过管涌试验校验证实了有关公式的有效性。计算结果表明，管涌过程中的渗透性显著地受细颗粒流失的影响。而且当有细颗粒流失后。级配不连续的管涌型土比级配连续的管涌型土更易发展成管涌破坏。     

极细颗粒黏土渗流特性试验研究

 为深入研究极细颗粒黏土的渗流特性,采用可调节水头高度的常水头渗透试验装置,利用不同离子浓度的孔隙液和蒸馏水,分别对极细颗粒人工土和广州南沙天然软土进行渗透试验。试验结果显现土体渗流的2个重要的特性,一是随着孔隙液离子浓度的增大,试样的渗透系数随之增加;二是随着水力梯度的降低,对于不同离子浓度的孔隙液情况,试样的渗透系数出现增大或者减小的“异常”现象。试验结果和机制分析认为,土颗粒表面电荷的微电场作用和渗流孔隙的微尺度效应是影响极细颗粒黏土的渗流特性的重要原因,而颗粒比表面积、表面电位、孔隙液离子浓度和孔隙尺度则是改变渗流特性的重要影响参数。对上述2个渗流特性分别采用“微电场效应”和“微尺度效应”作出解释,其中对软土渗流“异常”现象的真实原因仍需要更多的试验和进一步的研究探讨。     

土/滤料界面上不同入渗角的接触侵蚀试验研究

堤坝非均质各向异性渗流场及其水位的动态变化导致土/滤料界面上入渗角随之发生偏转,当入渗角与界面非正交时,渗流折射现象引起局部水力要素发生突变。采用自主研制的大容量多功能渗透管涌测试仪,将取自土坝施工现场的填土和依据现行规范设计的反滤料按渗透水流与界面呈30°,45°,60°和90°夹角制样,在不同水力梯度下进行接触侵蚀试验,探究土/滤料界面接触侵蚀规律。同时,建立基于流–固耦合的PFC^3D数值模型,按室内试验工况模拟计算不同入渗角时防渗体与反滤层接触界面上的内部侵蚀细观特征值,并与试验结果进行对比分析。结果表明,试验工况下土/滤料界面上渗流入渗角对反滤效果有一定影响,当渗透水流与界面正交时,反滤层各项指标较好,而随界面入渗角减小,受渗流折射影响,渗透流速、局部水力梯度、孔隙压力和土压力都有明显变化。渗透流速增大,内部侵蚀加剧,引起界面被保护土细颗粒流动数量增加,弱化了滤料的反滤效果。必须指出的是,试验和数值模拟中入渗角的变化并未导致土/滤料界面发生侵蚀破坏,说明现行规范的反滤准则具有一定的安全储备。     

均质无黏性土发生流土破坏的试验研究

为了探究粒径大小对无黏性土发生流土破坏的影响,开展了3种级配土的一维土柱流土破坏试验。结果表明无黏性土的流土破坏过程可划分为2个阶段,第一阶段土体未发生侵蚀,第二阶段土体经历了“发生→发展→破坏”的破坏过程。土体发生流土破坏的难易程度、破坏的临界流速会随着颗粒粒径增大而增大,而改变颗粒粒径对流土破坏的临界水力梯度几乎无影响。     

渗流作用下颗粒土起动临界坡降研究

地下水渗流过程中内部不稳定的颗粒土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体细颗粒迁移流失将对土工建筑物或地基造成不良影响。为了得到渗流作用下颗粒土细颗粒的起动临界坡降,从细观角度出发,分析细颗粒的受力情况,建立渗流作用下的土颗粒受力模型,根据力矩平衡得到细颗粒起动对应的临界坡降,分析埋深、粒径、暴露角等参数对起动临界坡降的影响规律。得到以下结论:(1)埋深较小时起动临界坡降受粒径影响较大,粒径0.1 mm和0.4mm的细颗粒,埋深1 cm时起动临界坡降相差19.4%,埋深5 cm时相差1.3%;(2)起动临界坡降受暴露角影响,暴露角对起动临界坡降的影响随埋深增加而减小,粒径0.1 mm的细颗粒,埋深1 cm时最大和最小起动临界坡降相差5.3%,埋深2 m时相差0.03%。     

粒子图像测速技术测量土体变形精度试验研究

对砂土变形测量的工况进行了试验,采用不同计算方法对试验精度进行了对比研究。试验结果表明:粒子图像测速技术对砂土具有较高的测量精度,但计算算法对测量精度的影响较大,其中网格细化法测量精度最高,其精度可达0.01 mm,可满足土体试验高精度变形测量要求。     

基于粒子图像测速的锚板抗拔破坏机理试验研究

锚板拉拔过程是板与周围土体相互作用的过程,研究锚板周围土体的变形破坏机制对锚板抗拔力的预测具有重要意义。基于粒子图像测速(PIV)技术开展了一系列锚板拉拔试验,试验结果表明:PIV技术可以有效地捕捉到不同砂土地基密实度和锚板埋深条件下锚板拉拔过程中周围土体的变形破坏模式。PIV位移场分析结果显示:锚板埋深较浅时,松砂地基中破坏模式呈现直面破坏,密砂地基中呈现斜面破坏;锚板埋深较大时,松砂地基中土体内部锚板上方形成灯泡形影响区,密砂地基中呈现曲面破坏。PIV应变场分析结果表明:无论砂土地基埋深如何,松砂地基中形成的剪切应变带与水平面夹角为45°+φ/2,密砂地基中形成的剪切应变带与垂直面夹角约为φ/4。     

降雨条件下折线型滑面的大型滑坡稳定性离心模型试验

以大型土工离心机为技术依托,采用离心模型试验,研究开挖和降雨对滑面为折线型的大型滑坡变形破坏和稳定性的影响。试验中采用变形标志点、颗粒图像测速技术(PIV)和可承受高离心力的传感器,在获取坡体土压力、孔隙水压力和位移矢量场的基础上,综合分析开挖和降雨诱发大型滑坡变形破坏的特征及失稳模式。试验结果表明,在滑面形态变化大的部位开挖卸荷容易引起折线型滑面大型滑坡的局部复活;受开挖卸荷和降雨影响,滑坡后缘的开挖斜坡位移最大且最先失稳;受降雨的影响,滑坡前部位移较大,坡体表面变形破坏严重,开挖斜坡下部发育一条次级滑裂面,滑坡后缘和开挖平台前沿滑面坡度突变处各形成一条潜在主滑裂面。离心模型试验显示折线型滑面的滑坡受开挖和降雨的影响可表现出分级分块滑动的变形破坏特征。稳定性分析表明,降雨使折线型滑面的大型滑坡不同滑段稳定性系数不同程度降低,滑坡后缘、开挖斜坡和滑坡前缘处于不稳定状态。     

Investigation of large-scale circulations in room air flows using three-dimensional particle tracking velocimetry

Large-scale circulations in room air flows have been investigated with three-dimensional particle tracking velocimetry (3D PTV). This technique has been refined for large scales, enabling us to determine flow patterns, trajectories, and velocity vectors within a large cylindrical enclosure used as a model room for thermal convection. This test enclosure is called Rayleigh-Bénard (RB) cell and addresses the limiting case of room air with very high internal loads. The flow patterns are only created by buoyancy forces. The 3D PTV system consists of four CMOS cameras, two flash lamps, and an image recording and data processing system. Helium-filled latex balloons were used as tracer particles. The spatial resolution and accuracy were investigated in a test cell with the dimensions of 4 × 3 × 4 m³ by means of a given trajectory of a small glass sphere. First applications of the developed 3D PTV system in the large RB cell with a diameter of 7.15 m and a height of 3.58 m showed different characteristic flow patterns of large-scale circulation outside the boundary layers. From the recorded and analyzed long-term particle trajectories further important data of room air flows like velocity time series, probability density functions (PDF) of the velocity, and acceleration fluctuations were calculated. The proposed technique has a wide range of potential applications for the three-dimensional and time-dependent analysis of indoor air flows.     

暖通流场测试技术的发展与展望

与传统接触式流量测试方法相比较,介绍了非接触式流量测试方法,重点介绍了激光多普勒技术(LDA)和粒子图像测试技术(PIV)在流场测试中运用的原理。     

Experimental investigation of far-field human cough airflows from healthy and influenza-infected subjects

Seasonal influenza epidemics have been responsible for causing increased economic expenditures and many deaths worldwide. Evidence exists to support the claim that the virus can be spread through the air, but the relative significance of airborne transmission has not been well defined. Particle image velocimetry (PIV) and hot-wire anemometry (HWA) measurements were conducted at 1 m away from the mouth of human subjects to develop a model for cough flow behavior at greater distances from the mouth than were studied previously. Biological aerosol sampling was conducted to assess the risk of exposure to airborne viruses. Throughout the investigation, 77 experiments were conducted from 58 different subjects. From these subjects, 21 presented with influenza-like illness. Of these, 12 subjects had laboratory-confirmed respiratory infections. A model was developed for the cough centerline velocity magnitude time history. The experimental results were also used to validate computational fluid dynamics (CFD) models. The peak velocity observed at the cough jet center, averaged across all trials, was 1.2 m/s, and an average jet spread angle of θ = 24° was measured, similar to that of a steady free jet. No differences were observed in the velocity or turbulence characteristics between coughs from sick, convalescent, or healthy participants.     

抗拔锚板群锚基础模型试验研究

抗拔锚板上拔过程是一个复杂的锚土相互作用过程,锚板周围土体在上拔过程中的变形破坏机制对于抗拔锚板基础的极限承载力研究具有重要意义。基于PIV(particle image velocimetry)无干扰测量技术对砂土中方形锚板上拔过程中变形场进行了测量分析,研究了抗拔锚板群锚基础的破坏机制。试验结果表明:锚板间距对群锚破坏面的形状有着重要影响;在临界间距内,以锚板上部1倍边长为拐点,剪切带先内倾然后外倾向上贯通到土体表面,群锚效应系数与S/B为线性关系,由此预测出群锚效应达到100%时的锚板间距;达到临界间距后,每个锚板的剪切场和单个锚板剪切场一致,试验结果可为群锚基础极限抗拔力的预测提供参考。     

细长桩屈曲的透明土物理模型试验研究

 采用一种在无围压条件下的1-g小规模透明土物理模拟试验,观测了不同约束形式下完全嵌入模型细长桩的完整屈曲曲线。同时,结合粒子图像测速(PIV)和近景摄影测量技术,非介入地测量了细长桩屈曲引起的土体变形。透明土由熔融石英及折射率相匹配的孔隙溶液组成。采用激光面照射透明土模型并拍摄下细长桩屈曲引起变形的数字图像,利用PIV获得所产生的位移场。试验结果分析表明：相对屈曲长度随着桩体强度增加及细长比减小而增加;桩端约束形式对屈曲曲线的影响取决于桩身强度和细长比的变化;土体单元的运动规律与经典朗肯土压力理论相一致。     

塑料套管混凝土桩挤土效应的非侵入可视化研究

 结合透明土、粒子图像测速(PIV)和近景摄影测量3种技术,研究塑料套管混凝土桩(TC桩)的挤土效应,并对周围土体的变形规律进行探讨,且与传统静压桩打设引起的土体变形进行对比。试验结果表明：圆锥桩尖引起的最大变形量相比平底桩尖的降低了40%;而在平底桩尖TC桩的成桩过程中,影响区域扩展到了远离桩体中心线11倍桩径处,而对于圆锥桩尖,则为6倍桩径;沉管上拔引起的土体移动主要发生在上拔前期,对于圆锥桩尖TC桩,其沉管上拔过程引起的最大位移量和影响区域分别约为平底桩尖的57%和33%,然而,在TC桩成桩过程中,沉管打设是引起土体变形的主导因素,沉管上拔引起的土体恢复变形较小;在与TC桩沉管直径相同条件下,传统静压桩打设引起的土体变形量与TC桩的相一致,然而其影响区域略小。