基于四参数随机生长法重构土体的格子玻尔兹曼细观渗流研究

多孔介质模型的重构问题是土体细观渗流机理研究的基础和关键。由四参数随机生长法(QSGS)构建土体模型,采用格子玻尔兹曼方法(LBM),通过MATLAB自编程序研究重构土在不同条件下的细观渗流机理。结果表明:随模型尺寸增大,孔隙连通程度显著提高,300×300格点大小的模型连通孔隙率增长幅度(34.38%)最大,继续扩大模型尺寸发现增加不明显;流体粒子在孔隙连通性好、孔径大的区域,会形成主渗流通道,且存在指进效应,孔道中间流速最大,可达0.0324,越靠近孔壁流速越小;大孔隙率土的流速比小孔隙率土大,而低孔隙率土中的流速相比大孔隙土更稳定;LBM模拟渗透率与经典K-C公式计算结果对比发现,孔隙率越高计算渗透率越准确(n=0.78,误差为10.22%);土颗粒越小,渗流孔道越细窄、分布越密集,对应的速度场分布更为均匀,同时流速也更小。该研究成果能较好地揭示重构土的细观渗流机理,也可为现有细观土体孔隙流研究提供一定借鉴。     

基于CT扫描的草炭土孔隙结构分析及渗流模拟

草炭土是在地表积水环境下植物残体经氧化和部分分解作用而堆积形成的一种特殊的腐殖质土。含大量植物纤维的草炭土具有高渗透性、高孔隙比、高含水率等不良工程地质特性。为了探究草炭土的孔隙特征与其孔隙内部的渗流规律,本文以吉林省敦化地区草炭土为研究对象,通过CT扫描技术获取草炭土样的CT序列图像。采用试凑法,通过Mimics的mask体积计算功能并结合土体的真实孔隙率确定了图像二值化的最优阈值,并得到了更接近土体的细观结构的三维重构模型。同时基于Lattice Boltzmann Method原理,在PALABOS代码库的基础上改编程序进行草炭土样的单相渗流模拟,研究了恒定压差下的土体的模拟渗透率值与渗流场的性质,并结合Paraview可视化软件分析了流线与流速在孔隙内的分布情况。研究结果表明:草炭土内部孔隙孔径大小不一,大孔径孔隙与小孔径孔隙形态各异,而植物纤维的架空状分布以及根状孔隙是土体内部形成大孔径孔隙通道的主要原因;流体在其内部流动时,优先以大孔径通道渗流,流线也集中于大孔径渗流通道,流体在大孔径通道内部的流速也高于散布的细小孔径,草炭土的渗透率主要取决于其内部大孔径的数量,因此草炭土的渗透率受到土中植物纤维的含量以及分解度的影响,植物纤维的含量越多,分解度越低,草炭土的渗透率越高,反之则越低。     

基于土体细观结构重构技术的渗流场数值模拟

真实土体的细观结构由许多个大小不一的土颗粒团组成,传统四参数随机生长法（QSGS）构建的土体结构土颗粒团比较均匀,与实际情况存在较大的差异。为弥补这一缺陷,考虑土体孔隙率及自相关函数的影响,对传统的四参数随机生长法进行改进,实现了更接近于真实土体的细观结构重构。在此基础上基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9模型,通过设置模型入口、出口边界为非平衡态外推格式,左右边界及土颗粒边界为标准反弹格式的边界条件,建立了模拟重构土体细观渗流场的二维模型。同时,针对一算例编制了相应的计算程序,研究了恒定流速入渗情况下重构土体的细观渗流场。研究表明：土体的渗流方向优先选择连通性较好孔隙所形成的通道,流速受控于通道整体连通性的优劣。整体贯通型的通道流动速度较快,部分连通的孔隙中其流动速度相对较慢。即使局部孔隙空间较大,其渗流速度仍取决于是否位于贯通型通道上。     

黄土裂隙的漫灌效应对斜坡稳定性的影响分析

以甘肃省黑方台地区滑坡为研究对象,在非饱和土特性试验基础上,根据地下水位的监测资料建立典型斜坡饱和-非饱和渗流模型,模拟斜坡灌溉作用后裂隙对斜坡渗流场的影响,研究斜坡裂隙效应对斜坡稳定性的影响。结果表明:灌溉水迅速沿裂隙下渗,形成渗流优势通道;裂隙附近土体的孔隙水压力迅速升高,导致其局部形成饱和区域;随着裂隙数量的增加,饱和区域明显增大,且裂隙的位置越靠近台塬边缘,对斜坡边缘的孔隙水压力及基质吸力影响越显著。综合斜坡稳定性分析结果可知:裂隙发育位置越靠近台塬边缘,斜坡稳定性越差;而裂隙数量的增加对于斜坡的稳定性影响更大,且裂隙对于斜坡稳定性的影响是一个短时间过程。夯填裂缝是控制滑坡发生的有效途径。     

基于格子Boltzmann方法土体CT扫描切片细观渗流场的数值模拟

基于格子Boltzmann方法,采用D2Q9基本模型,上、下边界采用非平衡外推格式,左、右不透水边界及土颗粒采用反弹格式设置边界条件,对土体细观渗流场进行数值模拟。首先将试验测得物理单位的数据转化为格子单位,然后用Matlab编制程序,对CT扫描切片进行处理,生成土体细观的数据结构,最后把格子单位表示的结果再转为物理单位,分析了渗流流速的变化规律,得到了整体和局部渗流场的分布情况。分析结果表明：（1）孔道处的流速U随着入渗时间的延长而逐渐达到一个相对稳定值,进而得到流体从开始入渗至稳定状态经历的准确时间T;（2）平均渗流速度由入口处沿y轴负方向逐渐递减,且小于入口处的平均渗流流速;（3）渗流量主要受控于通道的连通性、孔隙大小,最大渗流速度集中在通道的窄孔道处,封闭的孔道和孔隙渗流速度为0。格子Boltzmann方法能有效地对CT扫描得到的2D切片进行数值模拟,可以定量、准确地研究真实土体渗流场的变化机制。     

二维饱和土体动态孔隙率及相关动力响应特性研究

饱和多孔介质的动力响应研究在众多工程领域具有重要意义。充分考虑孔隙率的变化规律与影响因素,有利于合理揭示饱和多孔介质的相关力学行为。为此,将动态孔隙率模型与用于表征饱和多孔介质动力特性的u-U-p型方程结合,构建相应的非线性力学模型,利用Comsol Multiphysis PDE求取相应的数值解,以此研究不同透水条件下,受谐波载荷激励的二维饱和土体的孔隙率、变形量及孔隙水压力的变化规律。结果表明：孔隙率的变化与土骨架的体应变及孔隙水压力直接相关,土体压缩过程中,孔隙率相应减小,土骨架与孔隙流体的相互作用增强,土体运动时所受阻力增大,其无量纲竖向位移小于孔隙率被视为常数时的情况,在此条件下,由于土体的变形量减小,其孔隙水压力也相对减小。故充分考虑动态孔隙率,有利于更加精确地研究等饱土体和多孔介质的相关力学行为。此外,土体上表面透水条件下,孔隙流体可以从土体表面自由排出,土骨架承受的载荷更大,与不透水条件相比,土体孔隙率、竖向位移、孔隙水压力等变化更为显著。     

三相耦合渗流侵蚀管涌机制研究及有限元模拟

管涌的发生、发展过程是土骨架相在渗流作用下侵蚀为可动细颗粒相,并随水相在孔隙通道中运移流失的过程。在该过程中,渗流与侵蚀相互耦合,相互促进,水相、土相、可动细颗粒相互作用,因此,管涌过程是一个多场、多相耦合的高度非线性的动态过程。现有的管涌试验结果表明,只有当水力梯度大于起始水力梯度时,细颗粒相才会随水相从土体中运移流失,土体才会发生管涌侵蚀,且管涌稳定后土体的孔隙率（稳定孔隙率）和水力梯度之间存在对应关系,根据该结果,提出管涌稳定孔隙率的概念,修正传统的渗流侵蚀本构方程,建立多孔介质中三相耦合的修正的渗流侵蚀管涌控制方程。最后,针对特定应力状态下的土体建立稳定孔隙率和水力梯度之间的对应关系。基于Galerkin有限元法编制有限元程序,在轴对称情况下对该土体的管涌过程进行数值模拟。结果表明,修正后的管涌控制方程能更全面地描述管涌发生、发展直至稳定状态的特性。     

原状扬州黏性土压缩特性与孔径分布

研究土体压缩特性与孔径分布的关联性是探索土体宏观微观关系的途径之一。文章以扬州黏性土为研究对象,对不同深度的原状样同时进行压缩试验和压汞试验,重点研究了初始孔隙比相近而压缩特性不同的土层的孔隙结构以及各深度土层经历加卸载后的孔隙结构变化。试验结果表明:不同深度原状扬州黏性土的孔径分布均为单峰结构,孔径大小主要分布在0. 2～5μm,其压缩特性与孔径分布密切相关,孔径分布越集中,土的压缩性越小。12,15,18 m深度土样的孔径分布范围相对其他深度的更大,小孔隙占比更高,具有更大的压缩性和更强的结构性。初始孔隙比相近的不同深度的土样因孔径分布不同其压缩性也不同。在经历一个加卸载后,各深度土样的中孔隙占比均减小,孔径分布都向小孔径孔隙方向移动,且大孔隙占比变化都不大,而12,15,18 m累计孔隙体积减小量更多,使得这三层土样的中孔隙占比减小更明显。本文为黏性土的工程特性和微观结构的关联性探究提供了参考数据。     

马卡山不同植被群落下非饱和带大孔隙流路径示踪试验

为辨识在天然降雨条件下,植被发育斜坡非饱和带中具有优先流效应的大孔隙流路径,不包括死端大孔隙,分析两种植被群落下非饱和带大孔隙流路径分布模式差异及植被根系、有机质含量、土壤颗粒尺寸分布对大孔隙流路径分布模式的影响;选择亚甲基蓝作为染色示踪剂,结合降雨入渗模拟试验,在马卡山草本植被群落斜坡和木本植被群落斜坡开展染色示踪渗透试验。基于垂直开挖剖面采用图像处理技术获得大孔隙流路径分布模式图像。采用非参数检验分析大孔隙流路径差异。采用差方分析、回归分析法分析根系质量分数、有机质含量和颗粒尺寸分布对大孔隙流路径分布模式的影响。结果显示：木本植被群落斜坡大孔隙流路径分布模式更复杂,尺度更大;根系显著影响大孔隙流路径数量、尺度和分布特征,尤其是垂直向下和顺坡向下的根系,当根系尺寸增大时,其对大孔隙流路径影响更显著;有机质有利于团聚体间大孔隙的形成;黏粒、粉粒和砂粒对大孔隙流路径形成没有积极功效,但砾粒有利于大孔隙路径形成,尤其是在表土层;根-土界面和砾-土界面也是重要的大孔隙流路径。研究表明,可以通过根系分布形态、规模,有机质含量和砾粒含量综合评价植被发育斜坡大孔隙流路径分布模式。     

填土斜坡的排水条件对斜坡稳定性的影响

降雨是导致斜坡破坏的主要原因。地下水位上升和在土中渗流引起土体应力状态的变化是导致斜坡在降雨过程中或降雨后变形与破坏的关键因素。填土斜坡的稳定性不仅取决于填土的强度,还与填土斜坡的排水条件密切相关。适当的排水条件不仅可以限制斜坡中地下水位上升的高度,而且可以及时消散因材料剪切收缩而生成的超孔隙水压力,防止土体液化,避免斜坡整体流动破坏。本文采用完全耦合有效应力分析程序和与状态相关的剪胀性砂土模型模拟地下水位上升过程中填土排水条件对压实填土斜坡稳定性的影响。完全耦合有效应力分析方法可以模拟孔隙水和土骨架间包括浮力和渗流在内的相互作用。分析结果表明斜坡排水条件是影响斜坡因地下水位上升而变形和破坏的重要因素,加固松散填土斜坡时必须设置适当的排水与泄水装置。     

基于CT扫描试验的珊瑚骨架灰岩孔隙结构特征研究

为了探究分布于某岛礁珊瑚骨架灰岩的微观孔隙结构特征及其定性定量分析,选取6块有代表性的珊瑚骨架灰岩岩样,开展CT扫描试验,建立珊瑚骨架灰岩三维立体数字模型,获得三维数据体并开展孔隙结构特征的研究。结果表明:6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%,孔隙发育程度较小;岩样逐层面孔隙率有较大程度波动,面孔隙率较小,但其标准差却较大,体现了岩样较强的非均质性;对岩样三维模型中所提取的孔隙进行标记筛分,同时对孔隙体积与数量进行概率统计,结果表明珊瑚骨架灰岩中大孔隙数量虽少,但体积占比很大,存在极个别超大孔隙;通过球棒模型分析可知,配位数主要分布区间为0~2,说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差,主要以独立孔隙和单连通孔隙为主,孔隙在x/y/z方向均无连通性,不存在潜在的流体运移通道。     

满流条件下管道破损诱发渗流侵蚀的试验研究

针对富水砂层中地下管道破损诱发地面沉降的问题,设计了一套可视化试验装置,对骨架粒径d90 =1.45～8.45 mm的11种砂土样、5种满流流速下土体渗流侵蚀诱发地表沉降的规律进行了研究。研究表明：（1）管道破损诱发的土体渗流侵蚀有3种模式,分别为：只突水无沉降、形成土拱并发生沉降和溃砂沉降;（2）土体骨架粒径、破损口尺寸、厚跨比是决定土体产生何种渗流侵蚀模式的主要因素,满流流速主要影响土体沉降范围;（3）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,土体骨架粒径d90与厚跨比r的关系为：当8.0≥r≥4.2时,d90随r的增大呈抛物线下降;当12.5≥r≥8.0时,d90保持不变;（4）管道破损口上方土体形成土拱或溃砂时,流速为0的初始沉降半径、沉降深度由破损口直径D与土体平均粒径d50的比值（D/d50）决定;沉降半径、沉降深度均随满流流速的增大而线性增大;形成土拱时,沉降半径、沉降深度随流速增大的扩展速度（VL、VH）与D/d50呈对数关系;溃砂时,沉降半径随流速增大的扩展速度VL规律如下：当23.0≥D/d50≥6.0时,VL随D/d50的增加而线性增大,当42.0≥D/d50≥23.0时,VL随D/d50的增大呈对数减小。     

基于格子博尔兹曼方法表征体元尺度土体细观渗流场的数值模拟

为了研究土体的细观渗流特性,假设土体是完全饱和且在渗流过程中水分的流动始终处于层流状态。考虑宏观统计参数（孔隙率、渗透率及有效黏滞系数等）的影响,基于表征体元（REV）尺度的格子博尔兹曼（Boltzmann）方法,建立了压力作用下土体细观渗流的数值模型。采用D2Q9模型考虑水分流动的离散速度分布,宏观边界条件为左右侧面为不透水边界 ,上下边界设置不同的密度来控制压力边界,在微观边界条件上采用非平衡态外推格式。编制相应的计算程序,将计算区域内的多孔介质材料设置成流体（孔隙率 1.0,渗透率 ）,验证了经典的Poiseuille流。此外,结合算例分别讨论了土体在压力作用下孔隙率、渗透率及渗透压力等影响因素与渗流速度的相互关系,研究表明该数值方法与Darcy定律得到的计算结果较为吻合。因此,基于REV尺度的格子Boltzmann方法可以有效地模拟土体的渗流机制,为进一步研究土体渗流特性提供了一种新的研究手段。     

Experimental studies of groundwater pipe flow network characteristics in gravelly soil slopes

Piping flow networks have often been identified in hydrogeological field studies of gravelly soil slopes in the southern part of China. The present experimental studies have shown that under long-term groundwater seepage, piping flow networks gradually develop in the slope. Factors affecting the development of flow pipe seepage network included the grain size distribution, the degree of soil compaction, and soil depth. Piping seepage networks favorably form if the content of the gravel was high, the soil cohesion was low, the degree of the soil compaction was low, or the soil depth was shallow. Due to the enhanced permeability associated with the presence of flow pipe seepage network in gravelly soil slopes, groundwater can be effectively drained away. This can beneficially prevent the rise of groundwater level in the slope during raining seasons, hence reducing pore water pressure along the potential failure surface and increasing slope stability. Once the flow pipe seepage network was disturbed or damaged, the water level in the upper portion of the slope experienced a great rise, hence reducing the slope stability. Therefore, slope toe excavation and excessive loading at the slope crest should be avoided for slopes with well-developed flow pipe seepage network in order to preserve it.     

基于透明土孔隙介质双渗流模型试验研究

对土体内部渗流可视化研究,透明土材料可以作为的重要研究手段之一,能实现的岩土体内部渗流直接观测研究。利用透明土技术,建立双重孔隙型介质渗流物理模型,利用有限差分软件FLAC3D建立双重孔隙型介质结构三维数值分析模型,进行测量数据和数值模拟计算对比分析。模型试验结果和模拟结果表明,基于透明体的双渗透实验能实现渗流的可视化,以及FLAC3D数值模拟结果与实验所测的流速曲线拟合良好。     

水流拖曳力对斜坡浅层土稳定性的影响分析

为研究强降雨条件下地表径流和裂隙水流的拖曳力作用对斜坡稳定性的影响,建立斜坡地表径流和地下水渗流耦合分析模型。采用Navier-Stokes方程描述地表径流和裂隙水流,Brinkman-extended Darcy方程描述土体和岩石中的渗流,并根据不同介质交界面处流速相等及剪应力连续的边界条件,推求各介质中的流速分布。应用Newton内摩擦定律求得水流对斜坡产生的拖曳力,进而将拖曳力嵌入刚体极限平衡理论对斜坡稳定性进行分析。典型斜坡实例计算结果表明,当未考虑拖曳力效应时,斜坡的安全系数为1.164,考虑水流对斜坡土体产生拖曳力效应时,斜坡的安全系数为1.089,斜坡安全系数降低了6.44%。这表明拖曳力作用对斜坡的稳定性存在不利影响,斜坡土体在近乎临界稳定状态下拖曳力将对斜坡失稳起到决定性作用。最后分别讨论了考虑拖曳力和不考虑拖曳力情况下斜坡的安全系数与径流水深、斜坡倾角、土层厚度之间的关系。分析表明,在其他条件相似的条件下,斜坡越陡,斜坡土体的安全系数下降越明显;斜坡安全系数随着斜坡倾角增加而不断降低,随着土层厚度的增加而不断降低。