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。     

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。     

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。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈“高粉性、低黏性”的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.01～1.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。     

钱塘江冲海积粉土渗透破坏试验研究EI北大核心CSCD

钱塘江冲海积粉土以砂质粉土为主,呈'高粉性、低黏性'的地区特点,在地下水动水压力作用下极易产生渗透破坏。粉土是介于砂性土和黏性土之间的一种过渡类型土,工程性质既与砂性土不同又与黏性土有较大区别。采用自行研制的粉土抗渗强度测定设备,对钱塘江冲海积粉土5种典型样本和微层理原状样本进行了渗透稳定试验。结果表明,钱塘江冲海积粉土渗透稳定性差,抗渗强度低;砂质粉土临界水力比降icr为1.011.25,破坏形式为局部流土,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF的过程是瞬间的,基坑开挖遇到该类土层极易产生渗透破坏;黏质粉土临界水力比降icr随黏粒含量增加而增加,从临界水力比降icr发展到破坏比降iF有个短暂的过程,是整体流土破坏;钱塘江冲海积粉土渗透稳定各向异性;渗流垂直微层理方向的临界水力比降icr最大,是渗流沿微层理方向icr的2.5倍左右。研究结果为粉土地基渗透破坏防治提供参考。     

筑坝反滤料动剪切模量和阻尼比影响因素试验研究

采用多功能静动三轴仪开展了筑坝反滤料的动剪切模量和阻尼比试验,并对其影响因素进行了试验对比分析,建议了一个综合反应固结应力比、孔隙比和试验级配特征的最大动剪切模量计算公式。试验和分析结果表明,固结应力比对最大动剪切模量的影响可采用幂函数来进行拟合,孔隙比的影响可采用指数函数来进行拟合,试验级配的影响可通过不均匀系数Cu和曲率系数Cc的线性函数来表达。各种影响因素对阻尼比均有影响,但各种情况下的阻尼比试验结果都在一个很小的范围内,可采用平均值计算。     

Effects of skeleton void ratio on the strength and deformation characteristics of coarse-grained soilEI北大核心

粗粒土强度变形特性与初始级配和制样干密度密切相关。为研究不同级配和密度组合的粗粒料强度变形特性,提出了一种计算简便、易于推广的粗粒土骨架孔隙比计算方法。开展的室内试验结果表明,该计算方法所得的骨架孔隙比与粗粒土力学特性之间存在较为明显的单调性变化规律。当试样尺寸一致时,随着骨架孔隙比减小,破坏剪应力增大,破坏摩擦角增大,黏聚力减小;平均初始切线弹性模量增大,平均初始切线泊松比减小。整体而言,骨架孔隙比越小,粗粒土强度、刚度越大。基于该结论,笔者提出了一种等骨架孔隙比粗粒土缩尺方法。     

颗粒级配与孔隙比对粗粒土渗透系数的影响

颗粒级配、孔隙比是决定粗粒土渗透系数的关键因素。收集并整理得到93组粗粒土全级配（d10~d100）、孔隙比数据,采用遗传算法(genetic algorithm,GA)优化的BP(back propagation)神经网络分析和预测粗粒土渗透系数,通过平均影响值法和试验验证,评价各级配粒径对渗透系数的影响大小,探讨孔隙比对粗粒土渗透系数的影响。结果表明:d50为界限粒径,在其他粒径不变,若增大d50及以下粒径,渗透系数就增大,而增大d50以上粒径,渗透系数减小;d50及以下粒径的“细颗粒”对渗透系数的影响大于d50以上粒径的“粗颗粒”;按相对权重,d20、d80、d40属于高敏感度粒径,d10、d50、d100、d70为中敏感度粒径,d30、d90、d60为低敏感度粒径。孔隙比对渗透系数的影响大于任一特征粒径,渗透系数与孔隙比呈正相关关系;相同颗粒级配的粗粒土,随孔隙比变化可使渗透系数产生数量级跨越。采用GA-BP神经网络方法,由全级配和孔隙比能较好地预测粗粒土渗透系数。     

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。     

基于级配方程的粗粒料压实特性试验研究

级配显著影响着堆石料的压实特性,定量表述级配对堆石料压实特性的影响至关重要。基于连续级配土的级配方程,设计了16组不同级配的试验粗粒料,进行了表面振动压实试验和侧限压缩试验,定量研究了级配对粗粒料压实特性的影响。研究表明：由表面振动压实（动应力）试验和侧限压缩（静应力）试验得到的干密度与级配曲线面积之间均呈二次函数关系,且干密度中的最大值对应的级配曲线面积均在0.9附近;无论是表面振动压实试验还是侧限压缩试验,堆石料都存在干密度最优（最大）的级配。依据试验成果,给出了所试验堆石料的最优级配区间（级配上、下包络线）;同时,利用相似级配法论证了实际级配粗粒料的最优级配区间,并根据国内外多座土石坝粗粒料的设计级配验证了该最优级配区间的普遍适用性,为土石坝粗粒料的级配设计提供了理论依据。     

Numerical simulation of the quicksand phenomenon by a 3D coupled Discrete Element ‐ Lattice Boltzmann hydromechanical model

This paper deals with the numerical simulation of the quicksand phenomenon using a coupled Discrete Elements – Lattice Boltzmann hydromechanical model. After the presentation of the developed numerical model, simulations of ascending fluid flow through granular deposits are performed. The simulations show that the quicksand actually triggers for a hydraulic gradient very close to the critical hydraulic gradient calculated from the global analysis of classical soil mechanics, that is, when the resultant of the applied external pressure balances submerged weight of the deposit. Moreover, they point out that the quicksand phenomenon does not occur only for hydraulic gradients above the critical hydraulic gradient, but also in some cases with slightly lower gradients. In such cases, a more permeable zone is first gradually built at the bottom of the deposit through a grain rearrangement, which increases the hydraulic gradient in the upper zones and triggers the phenomenon. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

水布垭面板堆石坝垫层料渗透与渗透变形特性试验研究

水布垭水电站混凝土面板堆石坝高达233 m,垫层料的良好性能对于大坝的变形和渗流控制极为重要。文中介绍了基于混凝土面板堆石坝工程建设经验以及水布垭水电站可行性研究阶段试验成果确定的垫层功能要求和垫层料具体设计要求,垫层料的渗透性和渗透变形特性在设计要求中占有重要的位置,详细介绍了施工设计阶段针对垫层料进一步开展的系列渗透变形试验。水平试验取得的渗透系数、临界比降、破坏比降均有大于垂直试验值的趋势,水平试验模型更接近垫层实际填筑情况及其中的水流流态,所以水平试验成果更反映垫层的工程特性;随着垫层料级配和密度的变化,其渗透系数变化范围较大,总体上满足10-4～10-2 cm/s渗透系数的要求。但是,粗级配和低密度试样的渗透系数超越设计要求的上限值;临界比降和破坏比降随着垫层料级配和密度的变化没有呈现明显的规律变化,试样内部结构欠稳定。研究成果进一步说明,垫层料级配和填筑密度控制非常重要,垫层的渗透稳定性有赖于过渡区提供有效的反滤保护作用。     

基于分形理论的堆石料级配优化研究

建立颗粒粒径的质量分布分形模型,收集不同堆石坝工程32条堆石料级配曲线,统计分形维数D的分布特性。各堆石坝工程堆石料级配具有良好的分形特性,可考虑将D作为反映和描述堆石料级配特性的新指标,D在2.348～2.699之间,大多数堆石料的分形维数在2.6左右。以古水垫层料为研究对象,设计了6组不同分形维数的级配曲线,采用随机颗粒不连续变形方法（SGDD）研究不同分形维数对堆石料压实性能和宏细观力学特性的影响。分形维数从2.0到2.8,孔隙比呈先减后增趋势,在D =2.7时压实性能最优,而力链的非均匀程度随分形维数的增大而增大。综合考虑试样压实性和力链的非均匀程度,确定D =2.7时的级配为优化级配。     

近松散层采掘抗渗透破坏评价方法Ⅰ：临界水力坡度

抗渗透破坏评价是近松散含水层煤层开采溃水溃砂防控的重要基础工作,但至今尚未形成规范性方法和标准。松散层和风化带抗渗透破坏评价的关键是确定水力坡度和临界水力坡度。首先综述了流土和内部侵蚀发生的临界水力坡度确定方法,指出近松散层煤层采掘诱发溃水溃砂临界水力坡度与传统的临界水力坡度的不同特点。针对集中通道获得考虑临空面出口尺寸和岩土层物理力学性质的松散砂层、黏土层和基岩风化带的抗渗透破坏临界水力坡度的计算公式,采用试验结果验证,溃水溃砂临界水力坡度公式的适用性。通过单因素和多因素参数对临界水力坡度的敏感性分析结果表明,裂隙宽度是影响临界水力坡度大小的最重要因素,也表明在实际工程中通过控制采掘诱发的覆岩破坏是减少溃水溃砂灾害的关键措施。煤系风化带的临界水力坡度与其中黏土成分的含量、施加荷载大小有密切的关系,当黏土在风化岩石中占比(质量分数)为5%～40%时,其变化范围为2.9～67.2,给出了用高斯函数的拟合估算关系式和考虑上覆荷载的估算公式。研究结果将为近松散层开采溃水溃砂评价临界水力坡度计算提供参考。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

An adjoint-based optimization method for gas production in shale reservoirs

In this work, we consider a new model for flow in a multiporosity shale gas reservoir constructed within the framework of an upscaling procedure where hydraulic fractures are treated as (\(n-1\)) interfaces (\(n=2,3\)). Within this framework, the hydrodynamics is governed by a new pressure equation in the shale matrix which is treated as a homogenized porous medium composed of organic matter (kerogen aggregates with nanopores) and inorganic impermeable solid (clay, calcite, quartz) separated from each other by a network of interparticle pores of micrometer size. The solution of the pressure equation is strongly influenced by the constitutive response of the retardation parameter and effective hydraulic conductivity where the former incorporates gas adsorption/desorption in the nanopores of the kerogen. By focusing our analyses on this nonlinear diffusion equation in the domain occupied by the shale matrix, an optimization strategy seated on the adjoint sensitivity method is developed to minimize a cost functional related to gas production and net present value in a single hydraulic fracture. The gradient of the objective functional computed with the adjoint formulation is explored to update the controlled pressure drop aiming to optimize production in a given window of time. The combination of the direct approach and gradient-based optimization using the adjoint formulation leads to the construction of optimal production scenarios under controlled pressure decline in the well. Numerical simulations illustrate the potential of the methodology proposed herein in optimizing gas production.     

防渗墙粗粒土槽孔泥皮的抗渗性试验研究

通过自制泥浆渗透试验仪,针对粗粒土地基防渗墙泥皮的渗透稳定性问题,开展了护壁泥皮抗渗性能的试验研究。结果表明,泥皮具有明显的截渗作用;不同压差作用下泥浆渗透形成的泥皮具有不同的抗渗特性,压差越大、泥皮越致密,抵抗渗透破坏的能力越强,泥皮的渗透性也就越小;反压渗水作用下泥皮的抗渗性能较正压渗水作用下的抗渗性能差;随着水力作用持续时间的增长,泥皮的结构发生变化,孔隙增大,流速逐渐增大,在较大水力梯度作用下会发生破坏;泥皮的临界水力梯度与其形成时压差作用大小有关,泥皮形成压差越大,正、反向渗水的临界水力梯度越大;反之,临界水力梯度越小。关于泥皮抗渗性能的深化认识,对于完善防渗墙设计与施工具有重要的意义。     

小隙（b＜3 mm）单一流径基岩水平均流速的实验研究

根据模拟试验,研究了不同条件下小隙单一流径基岩水的平均流速;对平均流速与水力坡度间的关系进行了统计,建立了回归方程;为验证基岩水壁间运动的平均流速方程提供了的新的实验根据,解决了基岩水壁间运动理论的适用范围问题。      

A multidimensional fuzzy least-squares regression approach for estimating hydraulic gradients in unconfined aquifer formations and its application to the Gulf Coast aquifer in Goliad County,Texas

Epistemic uncertainties arise during the estimation of hydraulic gradients in unconfined aquifers due to planar approximation of the water table as well as data gaps arising from factors such as instrument failures and site inaccessibility. A multidimensional fuzzy least-squares regression approach is proposed here to estimate hydraulic gradients in situations where epistemic uncertainty is present in the observed water table measurements. The hydraulic head at a well is treated as a normal (Gaussian) fuzzy variable characterized by a most likely value and a spread. This treatment results in hydraulic gradients being characterized as normal fuzzy numbers as well. The multidimensional fuzzy least-squares regression has an exact analytical form and as such can be implemented easily using matrix algebra methods. However, the method was noted to be sensitive to round-off and truncation errors when the epistemic uncertainties are small. A closeness index based on the cardinality of a fuzzy number is used to evaluate how well the regression model fits the fuzzy hydraulic head observations. A fuzzy Euclidian distance measure is used to compare two fuzzy numbers and to evaluate how fuzziness in the observed hydraulic heads affects the fuzziness in the estimated hydraulic gradients. The Euclidian distance measure is also used to ascertain the influence of each well on the fuzzy hydraulic gradient estimation. The fuzzy regression framework is illustrated by applying it to evaluate hydraulic gradients in the unconfined portion of the Gulf Coast aquifer in Goliad County, TX. The results from the case-study indicate that there is greater uncertainty associated with the estimation of the hydraulic gradients in the vertical (Z-axis) direction. The epistemic uncertainties in the hydraulic head data at the wells have a significant impact on the gradient estimates when they are of the same order of magnitude as the most likely values of the observed heads. The influence analysis indicated that 5 of the 13 wells in the network had a critical influence on at least one of the hydraulic gradients. Three wells along the northeastern section of the study area and bordering the Victoria County were noted to have the least influence on the regression estimates. The fuzzy regression framework along with the associated goodness-of-fit and influence measures provides a useful set of tools to characterize the uncertainties in the hydraulic heads and gradients arising from data gaps and planar water table approximation.