细粒土粒径与物理特性关系的分形特征研究

以某矿区原状土为研究对象,针对细粒土颗粒结构的复杂性和不规则性,基于分形理论,通过颗粒分析、渗透试验和界限含水率试验,建立了细粒土粒度分形维数与不均匀系数、渗透系数及界限含水率的相关关系,从而揭示了这一类土粒度分维的物理意义。试验研究表明:土的颗粒级配越好,分维越大,不均匀系数就越大,水通过孔隙的能力变弱,渗透系数则越小。当土分维数小于某一数值时,土的界限含水率随分维值的增大而减小;分维大于这一数值时,各界限含水率指标又与分维值呈正相关关系。研究结果为该地区这一类细粒土的工程特性提供较好的研究思路和理论支持。     

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。     

颗粒级配对粗粒土强度与变形特性影响的研究

采用三维颗粒流软件PFC3D的内置FISH语言,进行二次开发,模拟粗粒土级配,建立一个研究高铁填方路基粗粒土变形特性的颗粒流模型。通过粗粒土三轴试验,标定了表征粗粒土细观力学性质的模型参数,并验证了模型的有效性。考虑粗粒土曲率系数和不均匀系数对颗粒级配的影响,模拟并研究了5种不同级配下粗粒土在3种不同围压下的变形特性。试验结果表明,曲率系数对粗颗粒土变形特性影响较大,当其有效粒径与中值粒径及限制粒径的差距过大时,粗粒土中颗粒填充及致密性将变差,变形增大,强度降低。以较大曲率系数与较大不均匀系数组合的粗粒土受力性能较好,但此种级配的粗粒土压缩性大。级配良好且不均匀系数较大,其应力链分布越均匀,颗粒的挤压效果越显著,力的传递和分配也越均匀。     

应用神经网络预估粗颗粒土的渗透系数

粗颗粒土的渗透规律十分复杂,由于现有的一些定量公式考虑的影响因素过于简单,因此,无法准确确定其渗透系数的大小。以三峡库区现场取得的粗颗粒土为原料,通过渗透试验得到不同级配下土体的渗透系数,并利用神经网络较强的非线性动态处理能力对渗透系数进行预估,从而考虑了不同的颗粒级配对粗颗粒土渗透系数的影响。通过神经网络得到的预估值和渗透试验得到的试验值的对比分析可以看出,利用神经网络进行粗颗粒土渗透系数的预估是可行的,该方法能充分反映不同的颗粒级配的影响。     

颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究

宽级配土作为堆积层滑坡的主要物源,其渗透性研究是开展降雨型堆积层滑坡机制研究的前提和基础。宽级配土的渗透是一个包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其渗透性时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移。为此,采用自制大型渗透仪对3组不同D15/d85值(D15为粗粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为15%的粒径;d85为细粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为85%的粒径)的土样进行了饱和渗流试验,研究了宽级配土的水分运移特征和细颗粒迁移规律。研究结果表明:D15/d85值对宽级配土的渗透系数和细颗粒迁移有重要影响,D15/d85值越小,则土体渗透系数越小,细颗粒不易发生迁移;D15/d85值越大,渗透系数越大,试验过程中渗透系数变化越剧烈,迁出细颗粒的量也更大。根据渗透系数的变化也可判定土体内部细颗粒的运动情况,据此提出了3种宽级配土颗粒迁移模式。该研究成果加深了对宽级配土渗透特性的认识,为完善降雨型堆积层滑坡机制研究提供了新思路。     

泥石流堆积物中细颗粒含量与渗透系数关系试验研究

泥石流拦砂坝通常建造在沟床堆积物上。泥石流堆积物的渗透性是影响坝底扬压力的关键因素。目前关于土体渗透性的研究主要集中于无黏性粗粒土,对泥石流堆积物这种宽级配土体渗透性的研究比较缺乏。选择北川县泥石流沟床堆积物作为试验材料,通过渗透试验,确定了影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径;在此基础上,通过试验研究了细颗粒含量与渗透系数的关系。结果表明,泥石流堆积物中粗颗粒仅起骨架作用,细颗粒才是决定其渗透性能的关键;显著影响宽级配土渗透性的细颗粒上限粒径为0.1 mm;细颗粒（<0.1 mm）含量与渗透系数呈负指数关系,并且当细颗粒含量超过20%以后,泥石流堆积土的渗透性趋于稳定。     

基于3个不等粒径颗粒接触模型的土-水特征曲线

基于热力学原理及二维液桥计算模型,以3个不等径土颗粒为研究对象,推导出基质吸力与体积含水率之间的关系,得到微观模型下的土-水特征曲线。将3个不等粒径颗粒概化为限制粒径、中值粒径和有效粒径,研究了粒径大小、颗粒级配和土颗粒接触角的大小等因素对土-水特征曲线影响的规律。计算结果表明：体积含水率相同,颗粒粒径越大,相应的基质吸力越小;在同一基质吸力下,不均匀系数 越大即土颗粒越不均匀,其体积含水率就越低;接触角对土-水特征曲线的影响是明显的,即接触角越小土颗粒亲水性越好,同一基质吸力下的体积含水率也就越大,且曲线的进气值会随着接触角的减小而减小。     

颗粒级配与形状对钙质砂渗透性的影响

钙质砂是富存于热带海洋环境（包括中国南海海域）中的一种特殊岩土介质,具有不同于陆源砂的水理性质。采用传统常水头渗流试验,首先探究了不同不均匀系数和曲率系数条件下级配对钙质砂渗透性的影响。针对钙质砂的颗粒形状特性,采用扫描电镜（SEM）与图像处理技术,引入球度 和圆度X的比值 从三维空间角度上对颗粒形状进行了定量描述。并在粒径区间、相对密实度相同的条件下,通过与福建标准砂、玻璃珠进行对比试验来考察钙质砂渗透特性,从而进一步探究颗粒形状对钙质砂渗透性的影响。试验结果表明,钙质砂渗透性随着颗粒粒径不均匀系数和曲率系数的增大而增大,符合级配对一般砂土渗透性的影响规律;钙质砂颗粒形状具有较强的结构性和不均匀性,同等密实度下钙质砂的渗透性小于陆源的石英砂。本研究获得的钙质砂渗透规律对今后南海岛礁填筑和海上平台基础工程设计具有一定的指导意义。     

堰塞坝体材料渗透特性及其稳定性研究

堰塞坝是由于崩塌、滑坡、泥石流等形成的天然坝体,不同于人工土石坝,堰塞坝坝体结构松散,颗粒级配不均匀,在较高水头作用下坝体可能发生渗透破坏而导致溃坝,严重威胁下游人民群众的生命及财产安全。由于堰塞坝存在较大粒径颗粒,常规的渗透试验装置难以满足要求,本文研制了直径为60cm的大直径渗透试验仪,进行了不同堰塞坝级配材料的渗透破坏试验,并探讨了堰塞坝体材料渗透特性的主要影响因素。研究发现:（1）堰塞坝材料的渗透破坏形式取决于材料级配,粗颗粒含量较多时为管涌破坏,细颗粒含量较多或粒径缺失时为流土破坏;（2）堰塞坝渗透系数随干密度的增大而减小,主要取决于细料填充粗料孔隙的程度,单独使用不均匀系数或曲率系数不适用于评价渗透系数的变化;（3）基于试验数据提出了用于堰塞坝渗流破坏形式的判别公式,并推导出堰塞坝管涌破坏的临界水力坡降计算公式。     

粒径及级配特性对土体渗透系数影响的细观模拟研究

渗透系数是体现土体渗透特性的主要参数。已有关于粒径及级配特性对土体渗透系数影响的研究主要采用试验研究方法,在试验研究中各个变量相互影响,很难完全独立改变某一参数进行研究,从而造成已有研究结论差异较大。在其它参数不变条件下数值模拟基本可以独立改变某一参量,弥补试验研究方法的不足。本文采用离散元数值模拟方法,通过调节控制粒径的方式,随机生成不同粒径、不同孔隙率、不同级配的土体多孔介质。利用格子Boltzmann方法从细观孔隙流体尺度模拟了土中的渗流。研究结果表明,格子Boltzmann方法可以准确有效的模拟土中的渗流;在渗流过程中存在主通道现象和大粒径效应;本文计算结果与Kozeny-Carman(KC)公式完全一致,且证明KC公式适用于不同级配的土体;渗透系数随不均匀系数和曲率系数的增大而增大;给出了一个包含级配参数的渗透系数计算公式,该公式与KC公式基本等价,但所含参数是工程中较易测量的,对实际工程有一定的参考意义。     

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

多孔介质渗透率的分形描述

针对土壤、岩石等多孔介质结构的复杂性,从其结构形成的物理机制和达西定律出发,利用分形几何理论,将土壤等作为在统计意义上具有分形特征的多孔介质来研究其水力参数与结构之间的关系,建立了饱和多孔介质渗透率与其分维数之间的定量化的函数式。试验应用扫描电镜法研究了多孔介质断面微结构并算出分维数。试验结果表明:利用该模型预测的多孔介质渗透率与实测值基本吻合,能够比较精确地预测多孔介质水力参数。     

基于连续分形理论的土壤非饱和水力传导度的研究

土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。     

上新世红土微观结构参数与渗透系数的变化关系研究

新近系上新世（N₂）红土是实现我国西北地区保水采煤和生态环境保护的关键隔水层,研究红土的微观结构有利于分析其渗透性变化的内在机理。文章利用Matlab对不同渗透系数的N2红土的SEM图像进行了预处理和二值化分割,提取孔隙轮廓,得到其孔隙大小、排列、形态和类型等微观特征,并分析了红土的灰度熵、平均孔径、扁圆度、分布分维和概率熵等孔隙微观结构参数与渗透系数之间的关系。结果表明:图像灰度熵与渗透系数之间无明显变化规律,灰度熵在0.88~0.92之间;平均孔径在2.7~3.7μm之间,渗透系数随平均孔径的增加呈指数型增加;对孔隙大小按照微孔隙（<1μm）、小孔隙（1~4μm）、中孔隙（4~16μm）、大孔隙（> 16μm） 4组进行分类,发现小孔隙的数量最多,约占总孔隙数的50%以上,中孔隙和大孔隙的面积约占总孔隙面积的80%以上,渗透系数的增大主要与中孔隙和大孔隙有关;孔隙扁圆度在0.54~0.57之间,形状系数在0.63~0.75之间,孔隙主要呈扁椭圆状,渗透系数随扁圆度的增加呈指数型缓慢减小,随形状系数的增加呈线性减小;孔隙的分布分维数在1.00~1.40之间,随着分布分维的增加,孔隙由大变小,渗透系数随之呈指数型减小;不同土样的概率熵在0.97~0.99之间,孔隙缺乏明显定向性。     

Fractal characteristics of sand grain group changes under freeze-thaw cycles and its correlation with long-term strength北大核心CSCD

Seasonally frozen soils are widely distributed in China in terms of area,and the freeze-thaw cycle effect generated by the alternation of cold and warmth is one of the causes of engineering damage in cold areas during construction,and it is particularly important to restore the nature and state of the soil when it is subjected to freeze-thaw action. Therefore,sandy soil specimens with different numbers of freeze-thaw cycles were prepared,and the long-term strength of frozen sandy soil was tested using a spherical template indenter. Using fractal theory and the microstructure image processing software ImageJ,the change law of grain group and long-term strength of two frozen sandy soils under different numbers of freeze-thaw cycles were studied. The results show that：for fine sand（FS）,the fractal dimension DB has a highly significant positive correlation with the long-term strength variation,among which ≥0. 15~0. 20 mm and ≥0. 25~0. 40 mm have the best fit with the long-term strength,and are the dominant grain classes of FS. For medium sand（MS）,the fractal dimension DB is slightly positively correlated with the long-term strength,and the variation shows a“vertical N”trend,in which the grain size content of ≥0. 30~0. 40 mm and ≥0. 40 mm fits better with the long-term strength,and is the dominant grain class for MS. The content of other grain groups did not correlate significantly with the long-term strength change. The freeze-thaw action changed the content ratios of coarse and fine grain agglomerates in the soil. With the increase of the overall particle size interval,the dominant particle size also increases,which shows that the long-term strength of frozen sandy soil tends to decrease and then increase with the increase of the content of some particle sizes. The results of the study can provide theoretical reference for the determination of long-term strength in areas subject to freeze-thaw action. © 2022 Science Press (China).     

Using pore-solid fractal dimension to estimate residual LNAPLs saturation in sandy aquifers: A column experiment

The“tailing”effect caused by residual non-aqueous phase liquids(NAPLs)in porous aquifers is one of the frontiers in pollution hydrogeology research.Based on the current knowledge that the residual NAPLs is mainly controlled by the pore structure of soil,this study established a method for evaluating the residual saturation of NAPLs by investigating the fractal dimension of porous media.In this study,the soil column experiments of residual light NAPLs(LNAPLs)in sandy aquifer with different ratios of sands and soil were carried out,and the correlation between the fractal dimension of the medium,the residual of LNAPLs and the soil structure parameters are statistically analyzed,and its formation mechanism and main control factors are discussed.The results show that:Under our experimental condition:(1)the fractal dimension of the medium has a positive correlation with the residual saturation of NAPLs generally,and the optimal fitting function can be described by a quadratic model:S_R=192.02 D2-890.73 D+1040.8;(2)the dominant formation mechanism is:Smaller pores in the medium is related to larger fractal dimension,which leads to higher residual saturation of NAPLs;stronger heterogeneity of the medium is related to larger fractal dimension,which also leads to higher residual saturation of NAPLs;(3)the micro capillary pores characterized by fine sand are the main controlling factors of the formation mechanism.It is concluded that both the theory and the method of using fractal dimension of the medium to evaluate the residual saturation of NAPLs are feasible.This study provides a new perspective for the research of“tailing”effect of NAPLs in porous media aquifer.     

西藏樟木滑坡群的分形特征及其意义

根据分形理论，以西藏樟木滑坡群为例，详细分析了滑坡活动时空结构的信息维特征和滑动带土粒度分布的分形结构特征。结果表明，滑坡活动具有很好的分形现象；滑动带土的粒度分维值一般在２～３之间，其平均值约为２．８，分维可作为描述滑动带土粒度成分的参数。在此基础上，探讨了分维的研究意义     

pH值对红土粒度成分影响的分形几何研究

红土是一种特殊土,其成分和结构决定了红土本身具有不同于一般粘性土的工程地质性质。红土中游离氧化铁的存在使土颗粒之间产生胶结,是土具有“假粉性”和“假砂性”特征的主要原因。研究发现,游离氧化铁含量和形态的改变,将直接影响红土颗粒的粒度分布。通过对不同pH值红土试样的颗粒成分进行测试,借助分形理论得到不同pH值红土粒度成分分维值。计算发现,不管是否在测试过程中采用分散剂,土粒度分维曲线上都存在两个无标度区。pH值的改变引起了土粒度分维的变化,随pH值的增大,土粒度分维值也变大,反应出土的细颗粒含量增加,土颗粒所形成的集合体越分散。土pH值的大小与粒度成分分维、游离氧化铁含量之间的内在联系,揭示出了红土中游离氧化铁对土颗粒胶结的本质。     

泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构

泥石流堆积物主要由砾石、砂砾、粉粒和粘粒组成,组成泥石流堆积物的颗粒级配变幅很大,从直径大于数十米的巨砾到肉眼难以看见的几微米的胶体微粒均有分布,大小颗粒粒径之比可达106—107。泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间。本文以小江流域多处泥石流堆积物为研究对象,采用图解法全面分析了泥石流堆积物的粒度组成特征,根据分形理论计算了泥石流堆积物颗粒的分维值,对泥石流堆积物的分形特征进行探讨,并与泥石流堆积物粒度特征相联系,发现分维很好的反映了泥石流堆积物颗粒组成及其粒度分布特征。将泥石流堆积物颗粒分维与泥石流的粘性、形成年代等性质相联系,以找出它们彼此之间的关系。     

粗粒土渗透性能的试验研究

粗粒土作为土和块石的介质耦合体,具有非均质性、非连续性及试样的难以采集性等内在的独特性质,从而给研究带来极大的困难。粗粒土属于典型的多孔介质,其渗透特性与砾石的百分含量关系密切。利用自制的常水头渗透仪,测定了不同含砾量时粗粒土渗透系数值,研究发现含砾量与粗粒土渗透系数之间存在指数关系。在工程设计中可以通过合理调整粗粒土砾石的含量,达到控制其渗透性能的目的。基于幂平均法,提出了粗粒土复合渗透系数的计算公式,并通过试验结果验证了该式的正确性,为粗粒土渗透系数的理论计算提供了一个简明实用的计算工具。