粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究

室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙V_b的组成特征出发,根据V_b与构成V_b的颗粒关联体积V_s之比,定义了试样边界孔隙比e_b;基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了e_b表达式;以e_b与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度h_(opt)的“等效孔隙比法”,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的e_b依次增加;h_(opt)由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后,边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。     

粗粒土渗透试验边壁孔隙特征及处理层最优厚度研究

室内渗透试验的边壁效应对粗粒土渗透系数的测定影响显著。从颗粒与边壁间孔隙的组成特征出发,根据边壁孔隙体积V_b与构成边壁孔隙的颗粒关联体积V_s之比,定义了试样边界孔隙比e_b。基于等直径圆堆积原理,确立了边壁颗粒的堆积模式,构建了考虑边壁处理层厚度的边界孔隙比平面几何计算模型,并通过空间和颗粒级配修正导出了e_b表达式;以e_b与试样孔隙比e相等为原则,提出了确定边壁处理层最优厚度h_(opt)的等效孔隙比法,探讨了渗透仪直径D与边壁效应的关系。研究表明:边壁引起的多余孔隙将提高边壁处的渗流速度;边壁颗粒存在两颗粒、三颗粒锐角以及三颗粒钝角3类典型平面堆积模式,与此对应的e_b依次增加;h_(opt)由试样级配、密实程度、颗粒密度、边壁颗粒堆积模式以及D等因素决定,其估算值与试验结果吻合;D超过8倍试样最大粒径后边壁效应对渗透试验结果的影响不再显著。     

宽级配粗粒土渗透试验尺寸效应及边壁效应研究

尺寸效应及边壁效应是粗粒土渗透试验中的常见问题。采用一系列渗透试验,研究了粗粒料渗透试验的尺寸效应规律,提出了渗透仪尺寸的选择原则,即渗透仪直径与试验材料d85之比值不宜小于6;研究了不同的超径颗粒处理方法对渗透试验成果的影响,分析表明,对超径颗粒可以适度采用等量替代法,不宜采用相似级配法;研究了仪器护壁处理厚度对仪器边壁处理效果的影响,提出了确定护壁处理厚度的建议。     

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。     

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。     

重载铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究

重载铁路基床表层级配碎石渗透系数的快速、精确测定,对工程施工质量及工期的保证具有重要意义。基于达西定律研制适用于级配碎石的大型常水头渗透试验装置,并利用该装置考虑边壁效应进行一系列渗透试验,探究试样孔隙比e、不均匀系数Cu及特征粒径参数对其渗透系数K20的影响程度及规律。结合试验数据,以太沙基模型为基础,建立同时考虑孔隙及级配特征参数的渗透系数改进计算模型,并通过试验验证其精确性。结果表明:级配碎石的K20与其e2、平均粒径平方d502呈线性关系,与Cu呈负指数关系;d50对K20的影响权重最大,Cu次之,e最小;提出的计算模型具有较高准确性,可为新建重载铁路基床表层施工中填料渗透系数的快速测定及运营路基基床的渗透稳定性评估提供参考。     

堆石料缩尺方法的分形特性及缩尺效应研究

采用6种不同缩尺方法将同一条现场级配曲线缩制成不同的数值模拟级配曲线,建立以不同粒径范围内颗粒数为测量数的分形模型,研究了颗粒级配分布的分形特性;基于颗粒流方法,生成与级配曲线相对应的6组数值试样进行双轴压缩试验,研究了缩尺方法对数值试样宏观力学特性及细观力学响应的影响;并讨论了颗粒级配分布的分形特性与数值试样力学特性之间的关系。结果表明：采用不同方法缩尺后数值试样的颗粒级配分布具有分形特性,分维数D为1.463～1.783;随着缩尺方法相似比尺M的增大,数值试样中细颗粒数量增多,粗细颗粒的充填关系得到改善,力学特性逐步提高;颗粒级配分布分维数D与数值试样力学特性指标之间存在较好的线性关系。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

珊瑚颗粒孔隙结构及渗流特性分析

珊瑚砂的孔隙结构对珊瑚砂的力学性质和渗透特性影响显著,采用高分辨率计算机断层扫描仪（computed tomography,简称CT）对珊瑚砂颗粒进行了扫描,建立了珊瑚砂颗粒的三维孔隙结构模型,并对孔隙的直径、体积、紧密度、球度进行了定量分析,采用数值模拟方法探究了松散堆积珊瑚砂及单颗粒珊瑚砂内孔隙结构的渗透特性。试验结果表明：孔隙数量随着孔隙直径的增加显著减少,且微孔数量较多,大孔数量较少;孔隙的直径与紧密度之间为幂函数关系,与球度之间则表现为线性关系。渗流分析结果显示,松散堆积珊瑚砂的渗透能力显示出各向异性,Z方向的绝对渗透率小于X、Y方向。珊瑚砂颗粒内的孔隙渗流速度较慢,不同颗粒之间渗流能力差距较大,部分颗粒不能发生渗流,且颗粒内孔隙的绝对渗透率仅占总绝对渗透率的1.26%。     

珊瑚颗粒孔隙结构及渗流特性分析

珊瑚砂的孔隙结构对珊瑚砂的力学性质和渗透特性影响显著,采用高分辨率计算机断层扫描仪（computed tomography,简称CT）对珊瑚砂颗粒进行了扫描,建立了珊瑚砂颗粒的三维孔隙结构模型,并对孔隙的直径、体积、紧密度、球度进行了定量分析,采用数值模拟方法探究了松散堆积珊瑚砂及单颗粒珊瑚砂内孔隙结构的渗透特性。试验结果表明：孔隙数量随着孔隙直径的增加显著减少,且微孔数量较多,大孔数量较少;孔隙的直径与紧密度之间为幂函数关系,与球度之间则表现为线性关系。渗流分析结果显示,松散堆积珊瑚砂的渗透能力显示出各向异性,Z方向的绝对渗透率小于X、Y方向。珊瑚砂颗粒内的孔隙渗流速度较慢,不同颗粒之间渗流能力差距较大,部分颗粒不能发生渗流,且颗粒内孔隙的绝对渗透率仅占总绝对渗透率的1.26%。     

隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验边界效应

物理模型试验是研究地质灾害变形破裂特征、动力学过程和成因机制的有效手段,受制于模型箱尺寸,试验过程中边界效应问题显著,如何减弱边界效应影响一直是研究者所关注的焦点问题。本文以隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验为研究对象,通过物理模型试验现象分析以及数值模拟验证等手段,对物理模型箱体边界效应进行了系统分析。结果表明,模型箱体边界效应的主要控制因素为箱体边壁阻尼与箱体尺寸比,其中：边壁阻尼与边界效应幅值呈正相关,边壁摩擦角小于土体内摩擦角时,黏聚力是边界效应影响的主要因素,边壁摩擦角大于土体内摩擦角时,摩擦力是边界效应影响的主要因素;箱体尺寸比影响边界效应幅值,长宽比与边界效应幅值呈正相关,并确定试验模型箱设计最优尺寸比为5∶3∶2.2。箱体边界效应对隐伏地裂缝破裂扩展物理模型试验结果存在显著影响。     

颗粒级配及初始干密度对路基翻浆冒泥特性的影响

重载铁路路基翻浆冒泥病害广泛存在且危害性极大,严重影响了轨道的稳定性和列车运行的安全性。铁路路基土体性质,如颗粒级配、孔隙比等对列车荷载作用下路基翻浆冒泥特性有显著的影响。利用自主研发的试验模型对粉质黏土与不同含量高岭土重塑试样进行翻浆冒泥试验,研究了不同颗粒级配（高岭土含量）、不同初始干密度（孔隙比）对循环荷载作用下试样的轴向应变、超孔隙水压力以及细颗粒迁移特性的影响。研究结果表明：随着高岭土含量以及初始干密度的增加,动荷载作用下试样产生的轴向应变、超孔隙水压力均减小,细颗粒迁移的平均高度降低,路基翻浆冒泥的程度减轻。通过试验发现,动荷载作用下试样内部的超孔隙水压力梯度是驱动路基土体细颗粒迁移的主导因素,试样产生的夹层对路基翻浆冒泥病害的发展具有一定的促进作用。     

筑坝粗粒料力学特性的缩尺效应研究

针对筑坝粗粒材料缩尺效应问题,统计分析三板溪、水布垭等大坝填筑料的级配特征,认为以Talbot曲线为原级配可作为高土石坝填筑料的“平均级配”,并将此原级配按现今粗粒料试验制样时最为常用的“混合法”进行缩尺,配制了最大粒径 为20～180 mm的试样。利用PFC2D软件,对各缩尺级配进行了多组、多种数值试验,揭示了各缩尺级配试样干密度极值、初始弹性模量及体积模量等关键物理量与各级配最大粒径的关系。结果表明：缩尺关系与密实度控制标准相关,在同一相对密度条件下各缩尺比试样力学参量为其最大粒径的单调函数,经推求可得原级配具备室内试验级配1.5～1.6倍的抗变形能力;而在同一干密度条件下,力学参量与各最大粒径呈先减小再增加的非单调关系。最后基于细观力学理论对造成缩尺效应的机制进行了解译。利用PFC2D数值试验从一定程度上拓展了仅靠实际三轴试验来研究粗粒料缩尺效应的粒径和思路。     

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。     

制备TJ-1模拟月壤空心圆柱试样的新方法

针对TJ-1模拟月壤颗粒级配跨度大、粒径〉2mm．的颗粒含量多,采用常规方法制备空心圆柱试样容易出现粗细颗粒分离、试样整体不均匀的特点,提出改良型制备方法．首先采用分层欠压法与冰冻法相结合制备出孔隙比e=1．0的实心圆柱试样,并对实心样的均匀性进行评价,得到分层制备相同孔隙比的TJ-1模拟月壤均匀试样时每层试样的高度;...     

粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法研究

目前还未建立适用于粗粒土渗透及渗透变形试验的缩尺方法,遵循缩尺前后粒径小于d30（颗粒级配中质量百分含量30%所对应的颗粒粒径）以及粒径小于5 mm的颗粒含量及组成不变的原则,基于等量替代法,提出了一种粗粒土渗透及渗透变形试验缩尺方法：如果原级配中5 mm以下的颗粒含量大于等于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于5 mm的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒;如果原级配中5 mm以下的颗粒含量小于30%,则根据试样允许最大粒径以下的大于d30的各粒组含量,按比例等质量替换超粒径颗粒。利用多组粗粒土渗透及渗透变形试验,论证了缩尺方法的可靠性。研究表明：提出的缩尺方法合理可行。缩尺后,土体渗透破坏型式未发生变化,渗透系数与原级配比较接近,渗透变形临界坡降和破坏坡降与原级配基本一致,缩尺级配的渗透及渗透稳定特性能够较好地反映原级配的渗透及渗透稳定特性。     

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。     

基于骨架孔隙比的土石混合料强度变形特性

土石混合体是由具有一定尺寸石块、作为充填成分的土体及孔隙等组成的混合体,其强度变形特性与细粒（土粒）含量密切相关。为研究不同细粒含量土石混合料强度变形特性,建议采用以承担骨架作用的颗粒的孔隙比（骨架孔隙比）反映土石混合料内部真实密实情况。开展了系列压实试验,建立了考虑土石级配的土石混合料堆积模型,进而推导了土石混合料骨架孔隙比表达式,并通过室内三轴排水剪切试验,验证了骨架孔隙比用以预测土石混合料强度变形特性的有效性。结果表明：相较于常规定义的整体孔隙比,骨架孔隙比能更好地表示土石混合料内部颗粒接触状态,反映材料内部“真密实”情况;利用骨架孔隙比概念,可以仅由纯石/土料强度变形特性预测不同细粒含量的土石混合料强度变形特性。     

改性黄土渗透性与孔隙结构的依存关系

利用扫描电子显微镜和ImageJ图像处理软件对不同膨润土掺量黄土试样的微结构和孔隙特征进行了统计分析,并与柔性壁渗透仪渗透试验结果进行了对比。电镜观察及孔隙统计结果表明,随着膨润土掺量不断增加,附着在黄土骨架颗粒上的蒙脱石等粘土矿物持续增多,黄土的孔隙数量急剧增多,相反,孔隙平均面积和平均直径呈下降趋势。将膨润土改性黄土的渗透系数与不同大小孔隙的面积比进行统计回归,发现大中孔隙对渗透系数有决定意义。以此为依据,建立渗透系数与有效孔隙隙比之间的关系,提高了传统回归关系的可靠程度。     

简化接触模型的月壤离散元数值分析

根据月壤其颗粒级配可归类于粉质砂土。针对真实月壤所处的环境（无水、低重力场、低气压等）,将Perko等2001年提出的月壤颗粒间的范德华力植入离散元分析软件PFC2D中,模拟了刚性边界下加入该模型与未加该模型试样的双轴压缩试验,研究了颗粒间范德华力对试样的宏观力学特性与微观颗粒接触的影响。结果表明,颗粒间的范德华力对试样的抗剪强度、体应变以及颗粒平均配位数都有显著的影响