间断级配砂砾石土的渗透变形试验研究

渗透变形是颗粒材料中细颗粒在渗流作用下发生重分布且导致土体的内部结构、水力及力学特性发生变化的现象,是导致砂砾石土地基及堤防结构破坏的主要原因之一。利用自主研发的刚性壁渗透仪对不同级配及细颗粒含量的间断级配砂砾石土在恒定水头渗流作用下进行渗透变形全过程试验,监测了渗流过程中的局部水力梯度空间分布以及竖向位移变化,分析了渗透试验结束后土体的颗粒级配空间分布变化。研究结果表明:土粒中细颗粒所处的欠填、满填及过填3种堆积状态决定了粗、细颗粒间不同的接触方式,影响其渗透性。渗透试验结束后细颗粒流失量沿试样高度的空间分布可以划分为3个区域,即顶部流失区、中部均匀区及底部流失区。局部水力梯度的快速下降伴随着竖向位移的突变,意味着渗透变形的开始;渗透变形启动时的局部水力梯度大于全局水力梯度,证实了采用大尺寸试验执行渗透试验的必要性。细颗粒处于过填状态的试样依然会发生渗透变形且导致强烈的沉降变形,值得进一步的研究。     

反复入渗对重塑黄土渗透特性的影响

甘肃黑方台黄土经历长期的灌溉入渗破坏了其原生结构,改变了不同深度黄土的颗粒级配,影响了土体的力学性质。为研究反复灌溉入渗对坡体的影响,通过室内土柱渗透试验研究了反复入渗对甘肃黑方台黄土渗透特性的影响,并研究了渗透作用下黄土中细颗粒运移的规律与模式。研究表明:①水力梯度对渗透速率影响较小而干密度对渗透速率影响较大;随着入渗次数的增加,重塑黄土的渗透性能变弱;②黄土在渗流力的作用下,存在细颗粒沿渗流方向运移的现象,且细颗粒在土柱中上部聚集最多;③影响细颗粒运移的因素有:水力梯度、干密度和渗透次数;其中细颗粒的运移量与水力梯度、渗透次数呈正相关,与干密度呈负相关,且水力梯度是影响细颗粒运移的主要因素;④在渗透过程中,细颗粒运移堆积,最终填充土体内孔隙,导致黄土的渗透性下降。     

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。     

土体渗透稳定性判定准则

土体的渗透稳定性是指在渗流条件下宽级配土体内粗颗粒阻止细颗粒流失的能力,土体的渗透稳定性受几何条件、水力条件和物理条件的影响。从几何条件出发,通过对收集的167种土的室内渗透侵蚀试验结果的分析,基于对土体渗透稳定性控制变量地研究,将土分成良好级配土和间断级配土两大类;基于细粒（小于0.063 mm）含量的不同,将每类土又细分为3类,针对不同细类土提出了不同的渗透稳定性几何判定准则。从水力条件出发,研究了应力状态对土体渗透侵蚀起动及破坏水力梯度的影响。试验结果表明,起动水力梯度和破坏水力梯度都随着围压的增大而增大,是由于增大围压使得颗粒间的摩擦力增大的结果。     

颗粒级配对松散残积土浅层滑坡的影响分析

强降雨时松散风化残积土斜坡常发生渗流潜蚀,该过程引发的细颗粒流失将造成坡体渗透性和土体强度的变化,进而影响浅层坡体稳定性。本文以皖南山区畈章组滑坡为研究对象,取滑坡堆积体试样,分别剔除不同粒组的土颗粒,获得不同级配下试样的抗剪强度和渗透系数,并利用Geo-Studio软件模拟分析在实际降雨条件下滑坡体在不同级配下的地下水位动态响应、稳定性和变形特征。结果表明：（1）颗粒级配对残积土抗剪强度指标影响较为明显,表现为黏聚力随细颗粒含量的减小而减小,内摩擦角却随之增加;（2）不同颗粒级配的滑坡体地下水位对雨量变化一致;滑坡体颗粒减少会造成地下水位降低;（3）滑坡整体稳定性受颗粒级配影响明显,随内部颗粒的减少而降低,伴随强降雨会造成滑坡位移急剧增加。     

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。     

砂砾土渗流侵蚀中细粒迁移-沉积-滤通的物理水力临界条件

细粒迁移机制是理解砂砾土渗流侵蚀过程的基础与关键,对研究砂砾土斜坡雨水侵蚀过程的细观致灾机制具有重要意义。目前其运移模式及运移状态发生转变的临界条件并不清晰,不同物理水力条件下的细粒运动类型有所不同。为掌握砂砾土侵蚀过程中细粒的整体运动类型及其发生改变的临界条件,采用可视圆柱入渗试验和离散元数值模拟,分析了细粒迁移的影响因素和内部机理。结果表明：（1）细粒迁移受级配和水力梯度影响显著,而受初始孔隙率影响不显著,且级配的影响大于水力梯度;（2）水力作用下细粒整体运动状态可分为沉积和滤通2种模式,内部结构不稳定的砂砾土细粒运动处于滤通状态,内部结构稳定和稳定性过渡型砂砾土随水力梯度升高细粒的运动状态从整体沉积转变为整体滤通;（3）细粒运动状态在粒径比和水力梯度共同作用下存在明显界限,最终得到细粒沉积-滤通转变的临界条件为$ i = 3.4 - $$ 0.12{{\text{e}}^{\left( {{D_{15}}/{d_{85}}} \right)/1.5}} $。研究可为砂砾土斜坡渗蚀失稳防护提供理论指导。     

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。     

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。     

细颗粒运移对土体力学特性的影响

在渗流条件下,松散土体中的细颗粒会逐渐被水流带走,从而改变土体的颗粒级配及微结构,进而影响土体的宏观力学参数如强度和弹性模量等。本文针对土体中细颗粒迁移对土体宏微观参数的影响,开展基于核磁共振仪器的微观孔喉结构观测实验及基于孔隙网络模型的计算。研究表明,沿土体深度方向细颗粒随孔隙渗流而下移,中部聚集程度最高,这样导致中部小孔隙明显大于上部和下部。在渗流过程中,孔隙水并不能充满整个区域,上、中、下部均存在没有被水波及的范围,中部未波及范围最大,渗流通道最少,相同流量下的孔隙水压更高,因此中部的强度和刚度变化也最大。     

球状风化花岗岩类土质边坡土-岩界面优势流潜蚀特性研究

受降雨作用,球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩差异风化界面极易演化为优势渗流通道而发生渗流潜蚀,进而加速该类边坡的变形失稳,然而当前有关其渗流潜蚀作用特征、细颗粒迁移规律等的研究仍鲜见开展。基于多孔介质非饱和渗流理论,综合考虑细颗粒运移、潜蚀启动响应与非饱和渗流的耦合关系,提出一种可准确描述土-岩界面渗流潜蚀过程的数值计算框架。采用有限元方法,构建优势流作用下非饱和花岗岩残积土的渗流潜蚀模型,并以均质土柱的渗流潜蚀过程为参考,系统研究3种典型土-岩界面埋藏状态下的优势流潜蚀特性。结果表明：球状风化花岗岩类土质边坡的土-岩界面与基质渗透性存在高度差异性,湿润锋形成向下凹陷的渗透漏斗,且随着降雨的持续,湿润锋的凹陷程度愈发明显;细颗粒流失程度与土-岩界面的埋藏状态相关,其中下填土体工况的优势流潜蚀最为显著,其界面处甚至出现超孔隙水压力,最不利于该类边坡的稳定性。研究成果可为降雨条件下球状风化花岗岩类土质边坡稳定性的准确评价提供科学依据。     

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。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。通过渗透试验测得试样的渗透系数。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;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。     

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。     

砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法

地下水渗流作用下内部不稳定砂性土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体渗透破坏会对土工建筑物或地基造成不良影响。考虑土体有效应力和细颗粒应力折减,建立渗流场中细颗粒受力模型,根据极限受力平衡状态得到潜蚀过程中砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算公式,并通过DEM-CFD耦合方法以及现有试验数据进行验证。结果表明:砂性土中细颗粒以滚动方式起动,起动临界水力坡降受渗流水流、土体特性以及颗粒自身特性共同影响;砂性土表层细颗粒起动临界水力坡降受埋深影响较大,埋深1 cm的细颗粒最高、最低起动临界水力坡降相差10.169%,埋深10 cm时差异减少至1.061%。该计算方法与数值模拟和渗流试验结果的最大标准误差分别为6.038%、11.211%,可以较为准确地预测砂性土细颗粒起动临界水力坡降。     

颗粒运移对蒋家沟土体渗透性影响的试验研究

对蒋家沟流域泥石流源区两种分散性不同的土(G1土具有强分散性,G2土无分散性)进行室内土柱自滤试验,研究了土柱在常水头(水头为5 cm)渗流过程中颗粒运移对土柱不同部位渗透性的影响。入渗液采用了煮沸过的清水与浓度为1 g/L的悬浮液(悬浮颗粒的粒径范围为1.6～104.74μm)。在清水渗流过程中,两种土样的入口处土层渗透性随着时间而增大,出口处土层的渗透性先增大后减少。在悬浮液渗流过程中,两种土的各土层的渗透性都有下降趋势,但在入口处土层最为显著,G1土样下降了一个数量级以上,G2下降了近两个数量级,且G2土所用时间较G1土短,即G2土的渗透性减少速率更加明显;两土柱中渗透流量都有显著减少。研究表明:土体的分散性在颗粒运移过程逐渐占主导地位,即强分散性土自身颗粒的运移明显,能抵消一部分外来颗粒的积聚堵塞作用。从试验结束后土柱的外观图像观察也发现,入渗的悬浮颗粒在土柱的各个位置都有分布,但主要沉积在入口处,这与土柱各层渗透性的变化相吻合。此外,两种土流失的颗粒都只是集中于渗流的开始阶段,流失颗粒粒径范围集中在数微米至数十微米之间。     

上海浦东表层粘性土对城市垃圾污染质的阻隔能力

室内实验和野外观测研究结果表明,浦东表层粘性土对总铁、Cl-、NH+4、COD等都具有较强的净化能力;土中水的起始或临界水力梯度均大于实际的水力梯度,但"隐渗流”对环境的影响不容忽视;包气带土中不存在临界迁移深度,若不采取措施,填埋场会污染地下水;土的渗透性和压缩性在压实作用下,可得到明显改善,满足填埋场对粘性土垫层的基本要求.     

西藏山南地区水库松散坝基渗透变形试验及机理研究

对选自西藏山南地区高山宽谷河流区松散坝基土体进行室内渗透变形试验研究,设置不同级配定水头高度及相同级配变水头高度的3组对比试验方案。分析试验中水力梯度及渗透系数的变化情况,将松散坝基渗透试验过程分为颗粒调整、渗流稳定、渗流变化三个阶段。根据试验现象,结合以往渗透变形模式研究,将渗透变形划分为三类:渗透压密、渗透破坏及渗透淤堵。结合渗透变形的力学特征,对这三类渗透变形机理进行分析,并对单个土颗粒受力分析,得出在渗透压密、渗透破坏及渗透淤堵过程中运动颗粒的受力情况。试验结果表明添加淤堵材料有助于减缓、减小基部掏蚀的发生、发展,为该类松散坝基防渗减渗工作提供理论依据。     

各向异性砂土渗流潜蚀流体动力学-离散元流固耦合分析

针对具有初始各向异性的间断级配砂土细粒潜蚀问题,引入可以考虑颗粒投影面积影响的Ganser拖曳力计算模型,实现非球形颗粒的计算流体动力学（computational fluid dynamics,简称CFD）和离散元（discrete element method,简称DEM）的双相耦合。通过与单颗粒下沉试验的对比,验证了该数值方法在解决异形颗粒与流体相互作用时的适用性。在此基础上,生成具有不同沉积方向和不同细粒含量的初始各向异性试样,模拟向上渗流潜蚀试验,并在试验中监测细粒流失量、强弱力链组成以及颗粒组构变化等宏微观特性,研究不同充填状态下（欠填充和过填充）不同组构各向异性土体渗流潜蚀特征。之后,对受潜蚀前后的试样进行了排水三轴试验,探究渗流对土体强度弱化的影响。结果表明,过填充试样质量损失随着颗粒沉积角度的增大而增大,而欠填充试样质量损失随沉积角度先增大后减小;欠填充试样细粒损失主要来源于低连通性细颗粒,而对于过填充试样,潜蚀则会导致低连通性和高连通性细颗粒数量同时减小。此外,三轴试验表明,潜蚀致土体峰值强度发生显著弱化,且峰值强度随沉积角度的变化也会受到土体充填状态的影响。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为试验

降雨滑坡的水-力耦合过程和机制研究是开展准确预测预报的基础和前提。选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和Van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析,揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明,试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水率、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。     

非饱和地震滑坡堆积体降雨破坏水-力耦合行为的试验研究

降雨滑坡的水-力耦合过程和机理研究是开展准确预测预报的基础和前提。本研究选取典型滑坡模型,采用足尺人工降雨模型试验模拟了典型砾石土滑坡堆积体破坏过程,并采用Brooks-Corey(BC)和van Genuchten(VG)模型分别建立了降雨入渗吸湿过程的土-水特征曲线,再通过一维非饱和无限边坡稳定性分析模型对滑坡开展应力状态和稳定性分析。研究揭示了斜坡破坏过程是优先流和基质流的双渗流场共同作用的结果,而VG模型适用于吸湿条件下宽级配砾石土优先流的土-水特征曲线的重构;稳定性计算和试验过程的对比分析表明试验中斜坡的变形破坏过程中观测到的含水量、基质吸力和地表倾斜角度的变化过程与计算的吸力应力、稳定系数的演进过程有显著的对应关系。通过试验还揭示了非饱和滑坡堆积体渗流潜蚀现象,定量分析了细颗粒迁移程度。本研究基于物理模型试验,揭示了降雨激发条件下滑坡堆积体形成优先流作用的土-水特征曲线和变形破坏的水力耦合过程,可为地震滑坡堆积体非饱和失稳的预测预警提供参考和基础。