温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪,分别以自来水和模拟渗滤液为试验用水,开展不同温度和围压下黏土渗透性能试验。研究表明,当温度从20℃升高至50℃时,渗透系数增大,最大增幅为3.5倍;当围压从50kPa增大至200kPa时,渗透系数从10-6cm/s数量级减小至10-8cm/s数量级。在温度和围压一定时,模拟渗滤液作用下黏土的渗透系数略大于自来水试验结果,二者最大比值为2.8。随着温度的升高,土中吸附结合水膜变薄,且土样体积减小,在两种效应的共同作用下,固有渗透率不是定值,相应条件下50℃与20℃固有渗透率的比值在0.72~2.99之间变化。在本试验条件下,渗透系数随温度的变化主要是由水动力黏滞系数的变化引起,但是在低围压、自来水试验时理论推算渗透系数小于实测值,高围压下理论推算值大于实测值。     

温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能研究

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪,分别以自来水和模拟渗滤液为试验用水,开展不同温度和围压下黏土渗透性能试验。研究表明,当温度从20℃升高至50℃时,渗透系数增大,最大增幅为3.5倍;当围压从50k Pa增大至200k Pa时,渗透系数从10-6cm/s数量级减小至10-8cm/s数量级。在温度和围压一定时,模拟渗滤液作用下黏土的渗透系数略大于自来水试验结果,二者最大比值为2.8。随着温度的升高,土中吸附结合水膜变薄,且土样体积减小,在两种效应的共同作用下,固有渗透率不是定值,相应条件下50℃与20℃固有渗透率的比值在0.72~2.99之间变化。在本试验条件下,渗透系数随温度的变化主要是由水动力黏滞系数的变化引起,但是在低围压、自来水试验时理论推算渗透系数小于实测值,高围压下理论推算值大于实测值。     

断层带不同含石率土石混合体渗流特性试验研究

将断层带现场取出的断层泥及断层角砾混合物制成含石率分别为20%、30%、40%、50%、60%和70%的土石混合体重塑试样,应用GDS饱和-非饱和三轴试验系统测试在不同围压加、卸载条件下土石混合体试样的渗透特性,研究不同含石率土石混合体试样在不同围压水平作用下渗透系数的变化规律。试验结果表明,(1)不同含石率土石混合体(SRM)试样的渗透系数均随围压的增加而减小,且在围压加载初期试样渗透系数的降低速度较快,在围压加载中后期试样渗透系数的降低速度相对减缓;(2)在围压加载和卸载阶段,不同围压水平下土石混合体试样的渗透系数随着含石率的升高,均呈现出先减小后增大的趋势,含石率40%试样的渗透系数最小,含石率70%试样的渗透系数最大;(3)在围压卸载阶段,土石混合体试样渗透系数的恢复程度随着含石率的升高而增大,含石率70%试样渗透系数的恢复率达到50.2%;(4)在围压加载和卸载阶段,随着含石率升高,土石混合体试样渗透系数对含石率变化的敏感系数均呈现出先减小后增大再减小的趋势,在含石率60%时,试样渗透系数对含石率变化的敏感性最强;(5)围压加载和卸载阶段土石混合体试样渗透系数与围压的关系均可用指数函数进行描述。     

不同泥质含量砂岩三轴渗透试验研究

为探讨三向应力状态下不同泥质胶结物含量砂岩渗透力学性能的异同,对泥质含量分别为4%、15%、24%、31%的4组不同泥质含量砂岩进行了三轴压缩渗透试验。试验结果表明:砂岩的强度和弹性模量随着泥质胶结物的增加呈幂函数型减小,随围压的升高而增大,内摩擦角和黏聚力随含泥量增加而逐渐减小;相同围压和泥质含量下,渗透性随加载应力的增大呈先减小后增大、再略微减小的整体趋势,渗透系数在峰值应力附近达到最大值;相同围压和偏应力下,渗透系数随泥质胶结物含量的升高而呈线性减小;同等泥质含量和偏应力下,砂岩的渗透性随围压的升高呈对数型函数减小。基于试验结果,分析得到了一种综合考虑围压、孔隙度以及泥质含量影响的砂岩综合渗透模型,并通过理论与试验数据对比分析验证了模型的合理性。     

不同围压下破碎花岗岩非线性渗流特性试验研究

随着我国高坝枢纽工程和高水头抽水蓄能电站的大规模兴建,高坝岩基和高压引水系统围岩将承受极高的渗透水压和水力坡降,不仅导致岩体渗流产生强烈的非线性,而且导致岩体发生渗漏、突透水和渗透破坏的风险急剧增大。采用Triaxial Cell三轴试验系统,开展不同围压(1~30 MPa)下阳江破碎花岗岩的非线性渗流试验,研究高水力梯度条件下破碎花岗岩的非线性渗流特性及其表征方法。试验结果表明,随着水力梯度的逐步增大,破碎花岗岩中的水力梯度与渗流流量呈非线性特征;在围压加载过程中破碎花岗岩的非线性渗流特征逐渐减弱。结合花岗岩的破碎形态和渗透率量级,提出了破碎花岗岩非线性渗流3种可能的成因机制即惯性效应、渗透失稳和固液界面效应。在该基础上分别采用二次函数型Forchheimer公式和幂函数型Izbash公式对试验结果进行拟合,结果表明二者均能很好地表征破碎花岗岩的非线性渗流行为。Forchheimer公式非线性系数既能够表征渗流的惯性效应,又能表征渗透失稳机制,其在量值上随着围压的增大呈现正负交替现象,与围压加载过程中破碎花岗岩裂纹的闭合和扩展密切相关;Izbash公式非线性系数则既能够表征渗流的惯性效应,又能表征低渗介质非线性渗流的固液界面效应,其在量值上与围压存在相关性很好的幂函数关系。研究成果对于深化高渗压、大水力梯度条件下断层破碎带和挤压带非线性渗流规律研究具有重要意义。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

考虑应力历史的岩石单裂隙渗流特性试验研究

通过开展单裂隙花岗岩不同围压加、卸载和不同水力梯度作用下的渗透试验,研究应力历史对裂隙渗透性能演化的影响。试验结果表明：在围压加载过程中,渗流流量与渗透压差大致呈线性关系;在渗透压差相同的条件下,围压越小,流量越大,随着围压上升,裂隙渗流流量持续减小,但随着围压的进一步增大,流量的减小有减缓的趋势。在围压相同以及渗透压差相同的条件下,单裂隙花岗岩在卸载条件下的渗流特性与加载条件下相比,其渗流流量明显降低,且卸载过程中渗流流量与渗透压差开始偏离线性关系。从试验前、后裂隙面粗糙度系数值的对比可以看出,由于法向应力挤压以及渗流流体的冲蚀作用,试验后裂隙面粗糙度系数明显降低。卸载的过程中,裂隙渗透性能的恢复具有明显的滞后效应,表明在法向应力和流体冲蚀的共同作用下,裂隙产生了不可恢复的非弹性变形。     

渗透条件对膨润土改性黄土渗透系数的影响

室内采用柔性壁渗透仪实测了膨润土改性黄土的渗透性能,分别在控制渗透时间、围压和渗透压等条件下探究了各自对改性黄土渗透系数的影响。研究表明,试验初期试样的渗透系数在同一数量级上有较大波动,随着持续时间增加渗透系数趋于稳定,稳定后几乎不随时间发生变化,增大围压和渗透压都可以引起改性黄土渗透系数在同一数量级上降低。因此,在填埋场设计时可以通过预测防渗衬里的围压和渗透压来预留渗透系数的安全储备。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

混合含水介质压密作用下渗透系数的变化规律研究

渗透系数是重要的水文地质参数,不同含水介质在不同条件下的渗透性不同。通过对中砂、细砂及其分别按1:1、2:1比例均匀混合的四种砂样进行压密实验,然后根据达西定律计算其在不同压密条件下的渗透系数,分析不同砂样的渗透系数呈现的线性关系,得出含水介质在不同压密作用下渗透系数的变化规律。结果表明,渗透系数随模拟含水介质压密的增大呈线性减小趋势,线性拟合决定系数为0.845 2～0.885 5;在单一砂样长时间实验下,由于重力影响所产生的细小颗粒运移,各砂样所测得的渗透系数均为前期快速下降,后期下降速度趋缓;含水介质透水能力主要取决于粒间空隙大小和多少等因素;混合砂中,随着粒径较小介质的比例增加,渗透系数在不同程度上更倾向于粒径较小的含水介质。     

基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

为研究不同围压、不同组合形式下疏松砂岩的渗透率变化规律,以砂岩铀矿原状岩心为试验对象,采用自行研制的HKY-1型长岩心渗流试验仪进行了应力-渗流耦合试验。笔者分别从围压、排列次序和长度占比三个方面开展试验研究,结果表明:1)梯度围压条件下,两段岩心组合后的整体渗透率与围压呈负相关,符合二次多项式函数衰减规律;2)围压梯度递增,多段岩心组合中不同岩性试样孔隙尺寸的差异逐渐减小,细砂岩的排列次序对整体渗透率的影响也随之减弱;3)5 MPa围压作用下,当两种试样长度占比为1∶1时,组合试样的整体渗透率与目标试样长度占比之间的变化规律符合幂指数分布,粗砂岩组递增,细砂岩组递减,中砂岩组为近似水平分布。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

砂柱排水真空阻滞效应的试验和动力学解释

含低渗透盖层的强透水层在排水过程中可能产生包气带真空并阻滞排水。这种真空阻滞效应具有什么动力学特征,是岩土渗流领域有待解决的新课题。以细砂作为粗砂的盖层,进行了双层结构砂柱的排水试验,观测到了包气带真空度先快速增大,然后缓慢减小的过程,排水速率显著低于无细砂覆盖的情况。细砂盖层厚度越大,真空阻滞效应越强烈。基于水-气渗流理论提出了解释试验现象的水流方程和气流方程,并得到了排水早期和后期真空度变化的近似解析公式,说明真空度峰值随盖层厚度呈非线性增加趋势。对试验结果进行参数分析,发现盖层透气性在排水后期明显大于早期,反映了盖层含水率对透气性的影响。     

不同围压条件下石英砂破碎特性研究

采用MTS-815程控伺服刚性试验机,对天然石英砂进行不同围压条件下的固结试验,研究其颗粒破碎特性,探讨围压对石英砂颗粒破碎的影响。结果表明,40兆帕以下,固结压力与颗粒破碎程度的变化关系不稳定,当破碎达到一定程度后,颗粒级配趋于良好,围压对其影响逐渐减弱。     

Laboratory determination of mechanical and hydraulic properties of chemically grouted sands

The purpose of this paper is to investigate mechanical and hydraulic properties of sands treated with mineral-based grouts through the results of a laboratory test programme consisting of unconfined compression tests (UCS), triaxial bender element tests (BeT) and constant flow permeability tests in triaxial apparatus. An improved apparatus was set up for obtaining high quality, multiple grouted specimens from a single column. Two selected natural sands having different grain sizes were grouted with two mineral-based silica grouts, resulting in different levels of improvement. The behaviour of the sands treated by mineral grouts, in terms of strength, initial stiffness and permeability, was compared with that exhibited by more traditional silicate grouts. The results of this study indicate that sands treated with mineral grouts result in higher strengths, higher initial shear modulus and lower permeability values than the sands treated with the silicate solution. The effect of grout type, effective confining pressure, and sand particle-size on small-strain shear modulus of grouted sand specimens was evaluated. Based on test results, the small strain shear modulus increment from treated to untreated specimens has been correlated with the unconfined compressive strength, obtaining a unique relationship regardless of grout type and grain-size of tested sands.     

Changes in permeability of sand during triaxial loading: effect of fine particles production

Various mechanisms can affect the permeability of dense unconsolidated sands: Volumetric dilation can lead to permeability increase, whereas strain localization in shear bands may increase or decrease the permeability depending on the state of compaction and on the level of grains breakage inside the band. To investigate these various mechanisms, an experimental study has been performed to explore the effect of different factors such as grain size and grain shape, confining pressure, level of shear, stress path, and formation of one or several shear bands on the permeability of dense sands under triaxial loading. The experimental results show a reduction of permeability during the consolidation phase and during the volumetric contraction phase of shear loading, which can be related to the decrease of porosity. The experimental results also show that, depending on the confining pressure, the permeability remains stable or decreases during the volumetric dilation phase despite the increase of total porosity. This permeability reduction is attributed to the presence of fine particles, which result from grains attrition during pre-localization and grains breakage inside the shear band during the post-localization phase.     

Laboratory investigation on hydraulic conductivity changes in sands due to injection pressure increase

In this research, the hydraulic conductivity changes in uniformly graded sands, due to injection pressure increase, were experimentally evaluated using a cell-type radial model. Conducted tests, simulating variation of media permeability at different depths along a recharge well, were monitoring variations of the samples’ hydraulic conductivity at predetermined three different overburden pressures. The startup low pressure inflow was afterward altered by increasing the injection pressure up to the point at which hydraulic conductivity started to change at each run; we called it the threshold injection pressure. The corresponding hydraulic conductivity at such pressure was measured. As the increased permeability was a function of distance to the simulated recharge, it was deemed too beneficial to develop an equation to enable predicting this new hydraulic conductivity at different distances. Findings indicate that in uniformly graded sands under overburden pressure up to 68.64 kPa, the hydraulic conductivity in the threshold injection pressure—compared to its primary amount up to 45 cm from borehole wall—show a remarkable growth. However, this growth rate for greater distances up to 60 cm is negligible. Furthermore, in the threshold injection pressure, the hydraulic conductivity seems not to be time dependent. But, in constant injection pressures above the threshold injection pressure, the hydraulic conductivity shows some sort of time dependency.     

细颗粒组分含量对钙质砂抗剪强度的影响

由于吹填过程的水力分选作用钙质砂土地基颗粒分布不均匀,容易形成分布不均、形态各异的以不同细粒含量的粉细砂层为主的细粒汇集层,引起钙质砂土地基承载力和不均匀沉降问题。开展不同细粒含量的粉细砂三轴固结排水剪切试验,分析细粒含量对钙质砂土力学特性的影响。研究结果表明,（1）当细粒含量增加时相同围压下土样剪胀性逐渐减弱,且峰值偏应力也逐渐减小;（2）各组试样干密度为1.40 g/cm3状态下各含量粉细砂均表现出应变软化特征,当细粒含量为10%时粉细砂土体强度稳定性最差,之后稳定性随细粒含量增加而逐渐增大;（3）钙质细砂由于颗粒咬合作用,具有表观黏聚力,当细粒含量小于40%时,随着细粒含量增加,颗粒之间的咬合作用显著降低,表观黏聚力线性减小。研究成果可为粉细砂层的地基处理及边坡稳定分析提供参考。