基于有效孔隙比的黏性土渗透系数经验公式研究

 粗粒土的渗透系数可由与渗透性能相关且较易量测的常规参数估算,研究黏性土的类似经验公式具有重要的理论意义。首先考虑结合水膜对黏性土渗透特性的影响,定义了黏性土的无效孔隙比和有效孔隙比的概念,利用黏性土的稠度界限指标液限、渗流的起始水力坡降和双电层参数3种方法,推导了无效孔隙比和有效孔隙比的计算公式,然后对常用的粗粒土渗透系数经验公式进行修正,得出了适用于黏性土的渗透系数经验公式。最后选取泾阳黄土、南海软黏土和科威特盐渍土的相关物理参数,分别代入粗粒土和黏性土的渗透系数经验公式中,得到渗透系数的计算值,将其与室内试验的实测值进行对比,验证了黏性土渗透系数经验公式的合理性。在比较分析了渗透系数经验公式及3种有效孔隙比计算方法的优缺点后,推荐采用稠度指标法修正的柯森–卡门和斯托克斯经验公式作为黏性土渗透系数的计算公式。     

基于双分形级配模型参数的粗粒土渗透系数计算公式

粗粒土在自然界中分布广泛且在工程中应用普遍。渗透性是粗粒土的重要性质，对于同种粗粒土，因颗粒级配与孔隙特征几乎决定其渗透性，原则上其渗透系数应该可基于颗粒级配和孔隙特征参量计算得到。采用基于分形理论建立的双分形级配模型对粗粒土的连续级配、间断级配进行定量描述，以确定该级配模型的适用性并获得级配模型参数。在此基础上，基于双分形级配模型参数和Kozeny-Carman公式构造出包含级配参量及孔隙率的渗透系数计算公式。在论述了计算公式中各项物理意义后，基于现有文献的实测数据验证该计算公式的有效性。结果表明，双分形级配模型能准确唯一地定量描述粗粒土的颗粒级配；建立的含颗粒级配参量和孔隙率的粗粒土渗透系数计算公式是合理的，该公式适用于计算连续和间断级配粗粒土的渗透系数。     

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。     

基于级配方程的粗粒土渗透系数经验公式及其验证

粗粒土广泛应用于土石坝工程和道路工程,其渗流特性关系到工程的稳定性和安全性,渗透系数是衡量其渗流特性的基本参数,其中级配是影响渗流的关键影响因素。为研究级配对粗粒土渗透系数的影响,基于已有研究的渗透试验成果,采用连续级配方程对级配连粗粒土试验级配进行定量描述,研究级配与渗透系数的关系,建立了考虑级配曲线面积的渗透系数经验公式,并用现有其它文献的渗透试验成果验证所建立公式的适用性。结果表明,采用连续级配方程可以较好地定量描述级配连续粗粒土的级配曲线;基于级配面积建立的渗透系数经验公式适用于不同最大粒径及不同级配的粗粒土。     

不同粒度粗粒的极限孔隙比和破碎特征

为了研究以石英砂为主要成分的粗粒土压实过程,分别利用量筒倒转法和振动击实试验,测定了不同粒度粗粒的极限孔隙比,分析了极限孔隙比随粒径变化的规律;采用压实容量表征粗粒孔隙比变化范围,探究了压实容量与粒径的关系;开展了不同粒度粗粒和原料土的颗粒破碎特征试验,分析了击实过程中的颗粒破碎特征和演变过程.结果表明:粗粒最大孔隙比随着粒径的增大先快速减小后缓慢增大,最小孔隙比随着粒径的增大线性减小;粗粒土压实容量随着粒径的增大先减小后增大;粗粒土在击实过程中的颗粒破碎量随着粒径的增大线性增大;颗粒破碎使粗粒土向着级配连续的方向发展,粗粒土逐渐趋于均匀化.     

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。     

考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态研究

粗粒土的临界状态是构建本构模型的重要工具,目前考虑颗粒破碎影响的粗粒土临界状态并不明确。通过大型三轴CD试验,研究了粗粒土在临界状态时的颗粒破碎规律和应力变形特性,探讨了颗粒破碎对粗粒土临界状态应力比和临界状态方程参数的影响。主要结论如下:①粗粒土的临界状态应力比M_c并不是定值,而是与围压之间呈现出非线性的关系;②初始孔隙比对于临界状态应力比M_c的影响则可以忽略;③初始级配相同,围压和初始孔隙比不同的粗粒土,其临界状态在e–(p/p_a)~ξ平面可以用同一条直线来描述,且直线的参数是与初始孔隙比和围压无关的常数。     

考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数方程

基于饱和度随孔隙比变化的增量关系以及利用非饱和土土水特征曲线（SWCC）预测渗透系数的方法,建立了一种考虑初始孔隙比影响的非饱和土相对渗透系数间接预测方法。在非饱和土SWCC方程基础上,该方法只需增加一个参数,即可对某一种土在不同初始孔隙比条件下的相对渗透系数进行预测,通过与试验结果的对比,证实了所建立的预测模型的正确性。     

基于状态参数的筑坝粗粒土本构模型

粗粒土的应力应变关系与其密实度有着密切的关系。当前常用的粗粒土本构模型无法考虑密实度对其力学行为的影响,在粗粒土三轴试验基础上建议了一个基于状态参数的粗粒土双屈服面模型,推导了其应力应变表达式。该模型能够反映不同初始孔隙比条件下粗粒土的峰值强度、剪胀性、应变硬化或软化规律。通过与多组粗粒土三轴试验结果比较,验证了模型的适应性。     

粗粒土渗透系数计算模型及试验研究

渗透系数是表征土体渗透能力的关键参数,较准确的渗透系数计算模型是研究难点。基于泊肃叶定律,把层流渗流土体等效为细管簇,建立渗透物理模型。根据水头损失细观机制,引入叠合系数,结合Darcy定律推导以孔隙率和等效粒径为基本参数的渗透系数理论计算公式,公式具有严谨的物理意义。对6种单一粒径组粗粒土进行渗透试验,利用试验数据对叠合系数进行拟合分析,得出可用于计算的叠合系数公式。通过渗透系数公式进行计算的结果与试验结果较为一致。为验证本文渗透系数公式的适用性,采用公式对相关文献中的砂性土、混合粗粒土试验数据作计算对比,计算结果与试验实测值接近。本文计算公式在较大粒径范围内比相关文献的渗透系数计算公式准确度有大幅度提高(验证范围为颗粒粒径≤20 mm的混合粗粒土和粒径范围在0.1～5 mm的砂性土),具有较高的准确性和合理性,最后对公式的适用性进行了分析和总结。     

应力状态下含黏粗粒土渗透变形特性试验研究

含黏粗粒土的渗透变形问题是水电工程中常见的渗透稳定性问题之一。对于含黏粗粒土来说,黏粒含量、颗粒级配及应力状态是影响渗透变形最重要的3个因素。为研究应力状态大小对含黏粗粒土渗透变形特性及临界水力梯度的影响,利用大直径渗透变形仪加载系统,完成了侧限条件下某含黏粗粒土在0.1,0.3,0.6,0.9 MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。试验结果表明：不同应力状态下黏粒含量值的大小直接影响到含黏粗粒土的渗透变形破坏类型;试件中附加应力值越大,产生渗透变形时的临界水力梯度也越大。通过对渗透变形试验过程中渗透系数的演化过程研究,提出了利用渗透系数与水力梯度关系曲线的突变关系来判断临界水力梯度的新方法。     

干湿/冻融循环作用下改良隔离墙的渗透性及孔隙结构

以凹凸棒土为改良隔离墙材料,通过渗透试验分析凹凸棒土掺量、苯酚质量浓度和干湿/冻融循环作用对隔离墙渗透系数的影响,结合核磁共振试验研究隔离墙孔隙结构,讨论凹凸棒土的掺入对干湿/冻融循环作用下隔离墙防渗效果的影响.结果表明：隔离墙渗透系数随凹凸棒土掺量增大而减小,随干湿/冻融循环次数增加而增大,不随苯酚质量浓度变化而变化;凹凸棒土可使干湿/冻融循环作用下隔离墙的渗透系数降低,且随着干湿/冻融循环次数的增加,隔离墙中小孔隙分布减少,中孔隙增多;凹凸棒土可增强隔离墙的防渗效果,亦可抑制干湿/冻融循环作用对其产生的破坏;冻融循环作用对隔离墙渗透系数及孔隙结构的影响大于干湿循环作用.     

微观结合水“固化”黏性土渗流系数等效计算方法研究

针对黏性土渗流系数较难准确测定和既有经验计算方法参数获取困难、误差较大等问题,基于较为成熟的粗粒土渗流系数经验计算方法,进一步寻求较为简单准确的途径。首先总结黏性土和粗粒土渗流系数经验计算方法;然后针对黏性土,定义无效孔隙和有效孔隙,按照微观结合水"固化"的等效原则将黏性土等效成粗粒土,并引入参数"等效孔隙比",得出黏性土渗流系数等效计算方法;最后,阐释液塑限综合法测定无效孔隙体积的原理,并通过三组算例评价黏性土渗流系数等效计算方法的准确性。结果表明:(1)计算方法中引入"等效孔隙比"实现了黏性土和粗粒土渗流系数计算的统一;(2)土体微观结合水含量的最大值约为液限的0.9倍;(3)黏性土Mesri方程,以及粗粒土太沙基、柯森–卡门渗流系数等效的计算方法所得结果和实测值最为接近,适用于黏性土渗流系数的计算。     

基于颗粒接触状态理论的粗细粒混合料液化强度试验研究

为探讨粗细粒混合料的液化强度CRR,对具有不同细粒含量FC和相对密度Dr的粗细粒混合料开展了一系列不排水循环三轴试验。基于颗粒接触状态理论,将粗细粒混合料分为类粗粒土、中间性态土和类细粒土;用骨架孔隙比esk表征混合料骨架颗粒的接触状态,引入参数b与m描述粗细粒混合料从类细粒土到类粗粒土过度中粗粒与细粒对颗粒接触状态的影响。试验结果表明:随着FC的增加,具有相同Dr粗细粒混合料的CRR先降低后基本保持不变。此外,具有不同FC和Dr的粗细粒混合料CRR都随esk的增大而降低。分析表明:基于颗粒接触状态理论的esk是合理地表征粗细粒混合料CRR的一个物理状态指标,且两者呈现较好的负幂函数关系。     

气体压力和孔隙对垃圾土体气体渗透系数影响的研究

垃圾土的非饱和气体渗透系数是填埋场气体运移分析和抽气井设计的重要参数,孔隙比、有机物含量、饱和度等是影响垃圾土渗透特性的主要因素。通过研制的垃圾土非饱和渗透试验仪,进行了不同影响因素下的非饱和垃圾土气体渗透试验,发现渗透系数随渗透压力呈现非线性特性,可以用Forchheimer非达西渗流方程较好地拟合。孔隙比增加,渗透系数增大,非达西系数Ba逐渐减小,分界点的气体压力减小;有机物含量越高,渗透系数越小,分界点气体压力越大;片状分布有机物使有效连通的渗透路径减少是垃圾体气体渗透特性降低的原因;饱和度越高,垃圾土的渗透系数越小,分界点气体压力越大;在试验的有效孔隙范围内,渗透系数、分界点气体压力与有效孔隙呈现较好的相关关系、非达西系数变化不大。     

非饱和土力学的分形理论

室内试验确定非饱和土的力学性质有许多困难,特别是非饱和土的渗透系数,非饱和土渗透系数量级小,随吸力变化幅度大。非饱和土的孔隙结构与非饱和土的力学特性有关,非饱和土的孔隙结构用分形模型表示,分形理论可以用于研究非饱和土的力学特性。本文采用分形理论描述土体孔隙特性,导出非饱和土的水份特征曲线、渗透系数、剪切强度、膨胀变形和压缩变形的表达式。非饱和土的吸力与孔隙的关系由Young-Lapalace方程表示,将孔隙与非饱和土力学性质联系起来。文中非饱和土的理论公式与试验结果符合得很好。     

粗粒土孔隙特征及其对泥浆渗透性的影响

土的渗透性与其骨架构成的孔隙通道有本质联系。在假定粗粒土颗粒呈球形且粒径分布均匀变化的条件下,首先给出了同一粒组最密实状态的土粒体积和孔隙体积的确定方法;进而,依据最密实状态条件下各粒组土粒体积和骨架孔隙体积,从最小粒组到最大粒组,依次比较小于或等于某粒组土粒体积、骨架孔隙体积之和与大一级粒组的骨架孔隙体积,后者大于前者即出现架空空隙,提出了最大渗流单粒孔隙的确定方法。通过不同级配试样的泥浆渗透试验表明,随着最大渗流单粒孔隙的增大,依次出现入渗面形成泥皮和未形成泥皮两类孔隙特征粗粒土的泥浆渗透。在入渗面未形成泥皮条件下,随着最大渗流单粒孔隙的增大,泥浆渗流量逐渐增大;在形成泥皮的条件下,随着最大渗流单粒孔隙的增大,形成时间逐渐增长,泥浆穿透土样的渗径逐渐增大。验证了最大渗流单粒孔隙反映粗粒土渗透性的合理性。     

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。     

饱和块状混合回填土地基的一维固结分析

用块状渣土置换软弱地基和回填低洼谷地等是处置工程渣土的有效途径。为了分析饱和块状混合回填土地基的固结性状,运用混合物理论建立了其一维固结模型。首先,假定块状土固相和充填土固相之间满足等应变条件,获得了饱和块状混合回填土中各相应变与块状土孔隙变形和充填土孔隙变形的关系式。其次,在小应变条件下,根据自由能势函数方程建立了饱和块状混合回填土的一维线弹性本构方程,再结合达西定律和应力平衡方程获得了一维固结控制方程。再次,利用分离变量法得到一维固结解析解,通过退化本文模型与已有模型进行对比,验证了本文模型的正确性。最后,基于所得解析解,分析了充填土孔隙渗透系数、块状土孔隙渗透系数以及流体交换参数等因素对饱和块状混合回填土地基固结性状的影响。分析结果表明：充填土孔隙渗透系数对饱和块状混合回填土地基整体固结性状起主导作用;在固结初期,块状土超孔压会有一定程度的上升,且3个参数具有相似的作用机理。     

水泥土渗透系数影响因素的试验研究

为探究水泥土渗透系数的影响因素,将不同含量的水泥掺入到土中进行试验,测试了水泥土的渗透系数。详细分析研究了渗透压强、酸碱环境、孔隙比、水泥含量和龄期对水泥土渗透系数的影响,探讨了多种因素下水泥土抗渗性能的变化情况。试验结果表明:当渗透压强大于150 kPa时其对渗透系数的影响较小,渗透系数随渗透压强的变化量基本保持不变;而pH和孔隙比对渗透系数的影响较大,渗透系数随pH的增大而减小,随孔隙比的增大而增大;渗透系数随水泥含量的增大而减小,二者呈较好的指数关系;此外,渗透系数随龄期的增大而呈下降趋势。