颗粒形状对粗粒土孔隙特征和渗透性的影响

粗粒土的颗粒级配、形状和密实度都是影响其孔隙结构、进而影响其渗透特性的重要因素。但长期以来,对颗粒形状影响的关注度较少,其主要原因在于不容易定量描述颗粒形状及其影响的孔隙结构特征。本文选取已获取长宽比和圆形度的不规则形状碎石、规则形状的球和八面体颗粒分别装填试样,针对颗粒级配和颗粒形状的差异,开展孔隙结构特征和渗透性的对比研究;通过CT扫描试样内部结构图像,重构试样的三维孔隙结构并计算孔隙比表面积。结果表明,试样孔隙比表面积是表达孔隙结构特征的有效参数,在相同级配和孔隙率的条件下,试样孔隙比表面积随颗粒圆形度和趋近球形程度的增加而减小;通过渗透试验测得试样的渗透系数,结果表明,相同级配和孔隙率的条件下,渗透系数随孔隙比表面积的减小而增大,随颗粒圆形度增大而增大,球形颗粒试样的渗透性最强,试样颗粒越偏离球形,孔隙系统中水流阻力越大,试样渗透性越弱。     

重塑马兰黄土渗透性试验研究

为了研究干密度和初始含水率对重塑黄土渗透性的影响,对延安新区I期工程所取的重塑马兰黄土进行了饱和渗透试验。结果表明:在非饱和状态,干密度对饱和时间的影响最为显著,饱和时间随干密度的增大而增大,而初始含水率对饱和时间的影响不明显。重塑马兰黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小,其关系可以拟合为幂函数关系。在一定干密度范围内,渗透系数随初始含水率的增大而减小,其关系可以用直线关系拟合。渗透系数与孔隙比之间可以用幂函数关系拟合,渗透系数随孔隙比的减小而减小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影响重塑黄土渗透性的重要因素,其主要是通过对试样微结构的影响而影响渗透系数。该研究对延安新区的工程建设具有一定的理论指导和实际应用价值。     

颗粒级配与孔隙比对粗粒土渗透系数的影响

颗粒级配、孔隙比是决定粗粒土渗透系数的关键因素。收集并整理得到93组粗粒土全级配（d10~d100）、孔隙比数据,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化的BP(back propagation)神经网络分析和预测粗粒土渗透系数,通过平均影响值法和试验验证,评价各级配粒径对渗透系数的影响大小,探讨孔隙比对粗粒土渗透系数的影响。结果表明:d50为界限粒径,在其他粒径不变,若增大d50及以下粒径,渗透系数就增大,而增大d50以上粒径,渗透系数减小;d50及以下粒径的“细颗粒”对渗透系数的影响大于d50以上粒径的“粗颗粒”;按相对权重,d20、d80、d40属于高敏感度粒径,d10、d50、d100、d70为中敏感度粒径,d30、d90、d60为低敏感度粒径。孔隙比对渗透系数的影响大于任一特征粒径,渗透系数与孔隙比呈正相关关系;相同颗粒级配的粗粒土,随孔隙比变化可使渗透系数产生数量级跨越。采用GA-BP神经网络方法,由全级配和孔隙比能较好地预测粗粒土渗透系数。     

南海岛礁吹填钙质砂渗透特性试验研究

南海吹填钙质砂的渗透性对于岛礁地下淡水的形成至关重要。通过室内常水头渗透试验研究了吹填钙质砂的级配、孔隙比和渗透性之间的相互关系,开展了相同级配钙质砂在不同孔隙比下的渗透性试验,研究了不均匀系数和曲率系数对钙质砂渗透系数的影响规律。试验结果表明,钙质砂的渗透系数和10~e(e为孔隙比)有很好的线性关系,并且与不均匀系数、曲率系数和颗粒粒径都有很好的相关性;通过对室内试验结果考虑多因素的分析,建立了钙质砂渗透系数计算模型,该模型公式可为岛礁吹填土层的渗透性评估和新填岛礁地下淡水的形成分析提供参考。     

不同粒径级砂土渗透特性试验研究

渗透性是砂土的重要工程性质之一,影响砂土渗透性的因素有很多,比如土体密实程度、土颗粒自身特性、流体性质等,其中孔隙率与颗粒粒径是两个重要影响因素。而以往基于混合粒径的天然砂土的研究很难分别对这两个因素进行独立的研究。基于此,首先开展了单一粒径级砂土的常水头渗透试验,分别研究了同一粒径级砂土渗透系数随孔隙率的变化和同一孔隙率下不同粒径级砂土渗透系数随均值粒径的变化规律。试验结果显示,渗透系数随着孔隙率的增加而线性增加、随均值粒径二次方的增加而线性增加,其中均值粒径的影响较大,其变化能导致渗透系数量级上的差异。在此基础上,开展了多粒径混合砂土的渗透试验,讨论了曲率系数、不均匀系数等级配参数对渗透性的影响,从而将单一粒径级的研究成果推广到天然砂土,最终拟合出渗透系数与相关影响因素的经验公式,以便工程实践参考使用。     

粗粒土渗透损伤特性试验研究

为深入认识渗透变形对粗粒土渗透性及压缩性的影响,利用自主研发的加载式大型渗透变形仪对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验,获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。研究成果表明：渗透变形过程中渗流路径中下游部位产生了渗透挤密效应,引起局部渗透性降低;在后期增加的水头作用下,先前产生渗透挤密部位的渗透性逐渐增大。试样产生渗透变形后,压缩模量减小;颗粒级配不同,渗透破坏引起的压缩损伤程度亦不相同。试件产生渗透变形后,在重力和渗透力作用下,试件结构将产生重构现象。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

线性加载条件下考虑应力历史的饱和黏土一维非线性固结渗透试验研究

为研究线性加载条件下不同应力历史的饱和黏土的渗透性,利用改装后的GDS三轴仪进行了一维固结渗透联合试验,对陕西洛川粉质黏土重塑样的渗透系数变化规律进行了研究。研究结果表明,正常固结与超固结饱和黏土的渗透系数均随固结应力的增大而呈非线性减小,且两者的孔隙比与渗透系数随固结应力的变化趋势一致。处于超固结状态土体的压缩性和渗透性要比处于正常固结状态小得多。在同一固结应力下,渗透系数和孔隙比均随渗透压差的增大而减小。最后,将实测值与文献[12]中修正后的达西渗透系数公式、修正后的柯森-卡门公式、斯托克斯孔隙流渗透系数公式以及固结度渗透公式计算得到的渗透系数进行了比较。结果表明,用修正后的柯森–卡门渗透系数公式计算得到的渗透系数与实测值吻合较好,因此,推荐使用修正后的柯森–卡门渗透系数公式来预测洛川饱和黏土渗透系数。     

磷酸镁水泥固化铅污染土的力学特性试验研究及微观机制

采用磷酸镁水泥（MPC）对铅污染土进行固化/稳定化处理。基于无侧限抗压强度试验和渗透试验,研究了MPC添加量、水土比对固化污染土强度及渗透特性的影响规律。结果表明,固化土的强度随MPC添加量增加而增大,渗透系数减小;水土比对固化土的强度及渗透特性的影响均存在临界值,为0.45。低于临界值时,固化土的强度随着水土比的增加而增加,渗透系数随着水土比的增加而减小。压汞试验（MTP）结果表明,随MPC添加量的增大,固化土孔隙体积减小,水土比不超过临界值时,固化土孔隙体积随着水土比的增大而减小。扫描电镜试验结果表明,随着MPC添加量的增加,土颗粒团聚化越明显,胶结程度加强;水土比不超过临界值时,土颗粒团聚体增多。镁钾磷酸盐晶体（MKP）主要通过减少孔径大于1 ?m的孔隙体积来影响固化土的强度和渗透特性。     

盐分影响重塑黄土渗透性的微观机制试验研究

“治沟造地”修建水库,导致土地盐渍化,而盐渍土的渗透性是影响工程设计、施工安全的重要因素,因此阐明不同盐分含量及类型条件下的重塑黄土渗透性至关重要。通过制备不同盐分含量的钠、钙盐重塑黄土试样,开展一系列室内变水头饱和渗透试验,探析重塑黄土渗透系数随盐分含量的变化规律。结果表明：随盐分含量增加,重塑黄土饱和渗透系数逐渐减小,两者呈负指数相关,含盐重塑黄土渗透系数与不含盐重塑黄土相比均有不同程度减小;同一盐分含量条件下,钙盐黄土的渗透系数小于钠盐黄土的渗透系数。采用核磁共振（nuclear magnetic resonance,NMR）技术,测取重塑黄土的孔隙水赋存状态与孔隙结构随盐分含量与类型的变化;当盐分含量小于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态与孔隙结构的变化使重塑黄土渗透系数迅速减小;当盐分含量大于2%时,随盐分含量增加,孔隙水赋存状态变化使重塑黄土渗透性增加,而孔隙结构变化使重塑黄土渗透性减小且对渗透性的影响占主导,因此重塑黄土的渗透系数缓慢减小;同一盐分含量条件下,钙盐重塑黄土的孔隙水赋存状态和孔隙结构的变化比钠盐重塑黄土更显著。     

基于微观结构的青藏高原风积沙导热系数变化机理研究

风积沙作为青藏高原一种重要的局地因素, 改变了多年冻土的赋存条件. 风积沙的导热系数特征对预报分析其对冻土赋存有利或者不利具有重要作用. 采用非稳态法对青藏高原红梁河风积沙进行了导热系数测试, 并结合电镜扫描/能谱分析, 从微观结构的角度探讨了风积沙的导热系数变化机理. 结果表明: 研究区风积沙平均粒度为242.427 μm; 标准偏差值为0.125, 分选极好; 偏度为0.359, 接近对称; 峰度值为1.086, 峰态中等; 颗粒粒径主要分布在75～500 μm之间, 沙粒均匀, 不含黏土及砾石成分, 自然堆积状态下其孔隙率为0.391. 天然状态下的风积沙颗粒呈类球形, 颗粒磨圆度高, 点与点接触, 颗粒间孔隙较大; 表面有明显撞击坑和擦痕, 这导致颗粒的比表面积增大, 连通性增强, 孔隙率增加. 干燥状态下风积沙颗粒的相互接触面积较小, 孔隙由空气填充, 导热系数较低; 而在湿润状态下, 正温时孔隙中的水间接增大了风积沙的接触面积, 导致其导热系数增大; 负温时, 孔隙内的水变成冰, 从而导致导热系数进一步增大. 天然状态下, 暖季地表风积沙含水量较低, 导热系数较低, 而冷季地表风积沙含水量较大, 导热系数较大. 此外, 风积沙为颗粒物质, 表面光滑, 颗粒之间粘性小, 孔隙未被填堵, 结构松散, 这些因素导致自然堆积状态下其渗透系数较一般细砂大, 透水性良好, 保水性差, 是防冻胀较好的换填材料.     

真空预压处理吹填土的微结构特征试验

首先进行了吹填泥浆沉降柱试验,取得了未经真空预压处理的吹填土土样,并在天津滨海新区临港工业区真空预压处理后吹填场地上获取原状土样。其次,对所取土样进行了微观试验土样制作和电镜扫描,获取了未处理和经过真空预压处理土样的SEM照片,最后运用微结构处理软件,对其微结构进行定量化分析,研究了真空预压过程中吹填土的微结构变化规律。结果显示,经过真空预压作用,颗粒和孔隙等效直径、面积、周长、形态比和圆度明显减小,颗粒和孔隙数量明显增大,其原因是在真空预压处理过程中,吹填土的原始结构被破坏,进而形成了新的结构。      

Measurements of spectral induced polarization for environmental purposes

Hydraulic permeability is one of the most important parameters for the evaluation of sediments relevant to environmental and hydrogeological problems. Up to now, permeability could be determined only by time-consuming and expensive methods like pumping tests or sampling and laboratory investigations. The results are confined to few locations, and they depend on the scale of the investigation method. Measurements on rock samples in a laboratory can differ significantly from well test results. Geophysical measurements are performed on different scales from high resolution measurements in boreholes up to large-scale soundings. Variations in permeability are mainly caused by varying grain size and by changes in porosity. A decrease of average grain diameter results in an increasing internal surface area. Petrophysical investigations have shown a reliable correlation between the imaginary part of electrical conductivity and the porespace-related internal surface. The formation resistivity factor, which is related to porosity, can be determined by geoelectrical measurements if the electrical conductivity of the pore fluid is known. The internal surface area and the formation factor are the only two parameters used by a Kozeny-Carman-like equation to evaluate the permeability or hydraulic conductivity for the investigated representative volume. Complex electrical conductivity is determined by measurements of induced polarization in the frequency domain. Frequencies below 10 Hz are used to avoid electromagnetic coupling. The permeability values determined by electrical measurements in boreholes can well be compared with those derived from the grain size distribution of samples. The same algorithm can be applied to evaluate the hydraulic conductivity of subsurface layers by complex resistivity soundings. The high sensitivity of the imaginary conductivity component to changes at the internal surface may be used as an indicator for contaminations.     

Modeling of subsidence and stress-dependent hydraulic conductivity for intact and fractured porous media

Summary This study investigates the changes in deformation and stress dependent hydraulic conductivities that occur as a result of underground mining in intact and fractured porous media. The intact porous medium is assumed to be comprised of regularly packed spherical grains of uniform size. The variation in grain size or pore space due to the effect of changing intergranular stresses results in a change in rock hydraulic conductivity. A model is developed to describe the sensitivity of hydraulic conductivity to effective stresses through Hertzian contact of spherical grains. The fractured porous medium is approximated as an equivalent fracture network in which a single fracture is idealized as a planar opening having a constant equivalent thickness or aperture. Changes in fracture aperture as a result of changes in elastic deformation control the variation of hydraulic conductivity. A model is presented to illustrate the coupling between strain and hydraulic conductivity. Subsidence induced deformations that result from mining induced changes in hydraulic conductivity in both intact and fractured media. These changes are examined and compared with results from a mining case study.     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

颗粒形状对碎石料孔隙特性影响研究

颗粒形状是影响碎石料孔隙特性的主要因素之一,进而影响碎石料的渗透特性和力学行为。选取粒径为2~5 mm和5~10 mm的灰岩碎石颗粒填筑试样,同时与相同级配和孔隙率的玻璃球试样进行对比研究,采用CT扫描技术和图形处理软件获取多孔介质孔隙边界轮廓,选取0.5 mm开度阈值分割孔隙;每组试样选取3张扫描断面图像,取定量参数的平均值为研究对象,对孔隙特性进行定量分析。结果表明：玻璃球多孔介质孔隙形状的复杂性甚于碎石料;玻璃球多孔介质孔隙系统的连通度大于同粒组碎石料。     

确定田间土壤水力传导率的分形方法

采用了一种简便易行的分形方法来间接估计水力传导率函数,即根据土壤粒径分布曲线确定孔隙表面分形维数,将其作为分形水力传导率模型的参数来预测整个压力水头范围内的水力传导率.利用UNSODA数据库中217个样本的实测资料对模型进行检验,结果表明分形方法预测的水力传导率其精度明显高于根据水分特征曲线利用统计孔径分布模型的估计结果.     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

碎石颗粒形状测量与评定的初步研究

颗粒形状是影响碎石料密实特性及力学、渗流特性的因素之一。选取粒径为2～5 mm和5～10 mm的两组灰岩碎石颗粒样本作为研究对象,采用影像测量仪和特制夹具,获取不同旋转角度下的颗粒轮廓影像;使用图形处理软件获得颗粒几何尺寸测值;计算获得各旋转角度下常用颗粒形状评定参数值,运用其平均值进行统计分析,避免了依据单一角度测值评定伴随的人为因素影响。结果表明,灰岩碎石颗粒与标准圆有较大差异, 且粒径大者差异性更明显;两组样本颗粒形状参数均服从偏态分布;长宽比、扁平度和球形度能够更敏感地反映颗粒偏离球形颗粒的程度,而长宽比和球形度便于获取,因而更具优势。     

加气硅化黄土的微结构研究

采用扫描电镜、数字图像方法和表面积孔隙分析仪研究了天然黄土和固化龄期13,19,24 a加气硅化黄土的微结构和孔隙特征。结果表明：天然黄土和加气硅化黄土的微结构均以粒状架空结构为主;加气硅化黄土架空孔隙内充填有少量凝胶;这些凝胶附着在骨架颗粒表面,增大了颗粒间的接触面积。与天然黄土相比,硅化黄土孔径分布基本无变化,平均孔径、面积比和孔隙体积没有降低,但孔隙表面积从17.810 4 m2/g 增加到27.473 5 m2/g。加气硅化黄土的机制是保持黄土架空孔隙基本不变,通过凝胶薄膜强化了黄土微结构中胶结物的强度,将骨架颗粒黏结成为一个空间网状整体,消除了黄土的湿陷性,并提高了其工程力学性能。