颗粒级配对管涌发展的影响试验研究

自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验,通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点,研究颗粒级配对管涌发生发展的影响,揭示管涌细观机理。管涌型砂土可动颗粒本身级配影响流失颗粒最大粒径及颗粒流失量在渗流方向上的分布情况,但对最终颗粒流失量影响不大;可动颗粒含量对砂土是否发生渗透破坏及潜蚀发展过程影响密切,临界细颗粒含量及存在的自滤过程是要考虑的。通过体视显微镜,从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中,可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定,进一步揭示该机制是由于砂土在复杂的水土相互作用过程中形成层间系数D15/d85值符合自稳定的级配特点所致。研究表明,对级配分布较广,缺失中间粒径的管涌型砂土,要判别砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小,在采用经典公式或经验曲线判断的基础上,有必要针对实际工程土体的级配特性与实际水力学条件,开展复杂水土作用过程的试验论证。     

不良级配粗粒土渗透变形的数值试验

针对单一粒径粗粒组和细粒组混合而成的不良级配粗粒土,采用计算流体力学与离散元耦合方法,考虑孔隙水与固体颗粒的相互作用,模拟了一定水力比降作用下的渗透变形过程,研究了细粒的运动规律,对比分析了初始细粒含量对渗透变形过程的影响。在水力比降作用下,土样中细颗粒运移会经历两个阶段,初期渗透压密,运动速度较低,之后随着渗透变形发展,渗流通道和运移通道逐步开敞,细颗粒运移速度加快。渗透变形发展过程中,土样出水口和入水口位置细粒含量降低、局部水力比降减小,而中部细粒含量增大、局部水力比降缓慢增加。当土样中初始细粒含量达到40%时,土样中部细粒含量会提高,并逐渐出现明显淤积层。土体渗透变形取决于整个渗径上的渗透稳定性,土料自身颗粒粒径几何关系确定的内部稳定性不能完全表征土体的渗透稳定性。     

砂砾石土渗透变形特性的应力状态相关性试验研究

渗透变形是砂砾石土地基及堤防结构破坏的常见形式之一。影响砂砾石土渗透变形的因素很多,其中颗粒级配及应力状态是最重要的两个因素。为研究土体应力状态大小对砂砾石土渗透变形临界水力梯度的影响,通过研制大直径渗透变形仪加载系统,完成了侧限条件下砂砾石土在0.1、0.3、0.6、0.9MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。试验成果及理论研究都表明砂砾石土渗透变形临界水力梯度随着应力状态的提高而加大,两者之间近似呈线性增加关系。渗透变形过程中,砂砾石土产生的渗透挤密和潜蚀现象是引起渗透系数演化的内在原因;基于渗透系数先减小再增大的变化规律,提出了应用渗透系数变化过程线确定渗透变形临界水力梯度的新途径。     

砂砾石土渗透变形特性的应力状态相关性试验研究

渗透变形是砂砾石土地基及堤防结构破坏的常见形式之一。影响渗透变形的因素很多，其中颗粒级配及应力状态是最重要的两个因素。为研究土体应力状态大小对砂砾石土渗透变形临界水力梯度的影响，通过研制大直径渗透变形仪加载系统，完成了侧限条件下砂砾石土在0.1、0.3、0.6、0.9MPa铅直应力作用下的渗透变形试验。通过对实验结果的整理分析，结合考虑土体附加应力状态对临界水力梯度影响的理论研究，得到了渗透变形临界水力梯度随着应力状态的提高而加大的变化规律。通过对渗透变形试验过程中现象观察及渗透系数动态变化规律分析，建议了结合渗透变形试验中渗透系数变化过程线确定临界水力梯度的新方法。     

粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制

针对目前还没有合适的室内试验仪器测试巨粒混合土的渗透系数和巨粒混合土发生渗透破坏时的临界水力梯度的现状,研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪。该仪器最大的特点是根据巨粒混合土中含有细粒土致使土体难以饱和的特点,在仪器上设置了密封抽气饱和装置,可以对土样进行抽气饱和。结合工程实践对不同级配的土体进行了渗透及渗透变形试验,试验测得的土体渗透系数和临界水力梯度与理论计算的结果非常接近,部分试验成果已应用于工程实践。     

碎石土渗透特性试验研究

碎石土渗透系数是渗流分析及边（滑）坡稳定性评价等问题的关键参数。由于碎石土具有非均质性、非连续性以及影响因素多等独特性质,研究碎石土渗透特性的困难较大。利用大型渗透仪,试验研究了碎石含量、孔隙比和颗粒级配对碎石土渗透系数的影响规律,分析了渗流前后颗粒级配变化及其对渗流特性的影响,以及碎石含量、孔隙比大小对渗流前后颗粒级配变化的影响。结果表明:碎石含量与渗透系数之间关系符合指数关系;孔隙比与渗透系数之间的关系符合多项式拟合关系;特征粒径、不均匀系数和曲率系数与渗透系数之间的关系符合线性拟合关系,颗粒级配对渗透特性的影响主要是不均匀系数和特征粒径,曲率系数影响较小;渗流前后颗粒级配的变化与水力梯度有关。     

散粒土渗透破坏判别方法试验研究

渗透破坏是诱发土石坝、堤防、基坑开挖等岩土工程失稳破坏的重要原因之一,目前对于土体渗透破坏判别方法的研究已经取得了比较多的成果,但是对于不同判别方法的适用性和使用范围没有明确的划分。利用自主研发的渗透破坏实验装置,开展了一系列散粒土渗透破坏特性试验,研究了细颗粒含量、细颗粒组成以及干密度等对散粒土渗透破坏特性的影响,得到了试样渗透破坏过程中渗流流速、临界水力梯度、渗透系数等的变化规律。同时,将试验结果与已有的判别方法和计算方法的结果进行了对比分析,得出了各种方法的适用范围和优缺点。     

上覆压力下深厚覆盖层潜蚀发展过程试验研究

为研究深厚覆盖层内防渗墙端部土体潜蚀发生发展规律,开展了不同上覆压力作用下深厚覆盖层内防渗墙端部土体的潜蚀模型试验研究。通过在防渗墙端部设置可示踪移动的彩砂区来直观反映潜蚀发展过程中细颗粒的运移轨迹,并以内部渗透梯度、渗流量为指标详细描述了土体潜蚀发生发展破坏的全过程。试验结果表明:不同上覆压力作用下深厚覆盖层内防渗墙端部土体潜蚀发展过程可分为渗透稳定阶段、发生阶段、发展阶段和破坏阶段;上覆压力越大,潜蚀发生时上下游水头差越大,且潜蚀发生—发展—破坏时上下游水头差与上覆压力呈线性关系。研究发现,在试验条件下,发生运移的细颗粒粒径主要在2 mm以下,上覆压力越大细颗粒向下游运动的距离越长,说明潜蚀发生时细颗粒的运移规律具有一致性。但不同上覆压力作用下,土体发生潜蚀的临界坡降不同,且渗径略有差异。     

砾石心墙土复杂应力耦合作用下的渗流特性

为研究土石坝中心墙土在复杂应力状态下的渗透特性以及其渗透性演变模型,利用自行研制的渗流-应力耦合试验装置,针对长河坝水电站砾石土进行多种应力耦合作用下渗透特性试验研究。结果表明:复杂应力状态对心墙土渗流特性影响显著;土样在设计水力梯度内渗流满足达西定律,且均未发生渗透破坏;在同一围压下,砾石土体的渗透系数随着偏应力和轴向应力的增大而逐渐减小;试验过程中轴向应变随应力作用时间的变化呈阶梯状,且随着偏应力的增大,渗透梯度和轴向应变也增大;建立了土体渗透系数与应力函数的经验公式,从理论上进一步揭示了砾石心墙土应力耦合作用下的渗透机制。     

粗粒土渗透系数影响因素试验研究

粗粒土的渗透系数大小与土体类型、物质成分、颗粒级配、颗粒形状、密实度等因素相关.通过室内试验研究了土体颗粒形状、颗粒级配和试样密实度对粗粒土渗透系数的影响.采用正交法设计了9组常水头渗透试验,通过对试验结果进行极差及方差分析,确定了渗透系数随3种影响因素的变化情况.试验结果表明,渗透系数随颗粒级配特征值d20和曲率系数的增大而增大,随干密度的增大而减小,随颗粒球形度的增大而减小.     

基于孔隙尺寸的粗粒土渗透系数计算方法研究

基于颗粒极限堆积状态下的平面孔隙直径和土体粒径组成,采用颗粒随机抽样组合获得了土体各孔隙直径百分含量,并进一步得到了土体最密实和最疏松状态下孔隙直径累计分布曲线CSD-D、CSD-L。通过土体实际相对密度的线性内插方式获得了土中孔隙直径累计分布曲线CSD-R,并得到相应平均孔隙直径Dmc,根据粗粒土渗透试验结果建立了渗透系数K与Dmc关系的经验公式。研究表明:CSD-R曲线同时考虑了颗粒级配和密实度对土中孔隙尺寸分布的影响,所确定的经验公式近似满足多孔介质渗流理论中渗透系数与渗流孔隙呈二次正相关性的规律。对比相关试验结果认为,该方法具有较高准确性,适用于不均匀系数Cu7且有效粒径d109.6 mm的粗粒土渗透系数估算。     

颗粒级配影响滤层系统细颗粒迁移试验研究

滤层是渗透破坏防治工程中的重要措施之一。利用自行研制的大型渗透仪,对不同滤层系统颗粒组成条件下的流失细颗粒的迁移规律进行了研究,并分析了层间系数D_(15)/d_(85)、不均匀系数C_u、控制粒径等对滤层有效性的影响。试验结果表明:当水力梯度在10以下时,层间系数在13以下滤层即可达到滤土作用,说明太沙基准则偏于安全。基料颗粒愈粗,临界及破坏水力梯度随层间系数的变化愈显著;基料颗粒愈细,流失细颗粒的运移规律对于层间系数的变化愈敏感,颗粒从起动到运移过程愈短,渗透破坏愈突然,愈不易防范。此外,基料颗粒C_u1.86时,C_u越小,基料颗粒越不易起动;C_u1.86时,起动临界水力梯度基本保持不变。当基料级配不变时,临界水力梯度与滤层颗粒粒径呈线性相关。     

堤基管涌小尺寸模型的细观试验研究

利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形的计算机实时处理技术,开展室内小尺寸堤基管涌物理模型的细观试验研究。从细观角度研究堤基管涌发展过程中的渗流过程、水头、管涌通道前端的颗粒运动、颗粒含量和水力梯度等参数变化的动态变化过程。研究结果表明:(1)堤基管涌的渗透破坏分为三个阶段,无明显渗透变形阶段、管涌通道形成阶段和堤基溃堤阶段;(2)从细观试验结果可看出,在无明显渗透破坏阶段,粒径小于0.075mm颗粒发生移动现象,稍大颗粒发生转动,但骨架颗粒没有变化。随着水力梯度的增大,当达到砂样的临界水力梯度时,砂样局部薄弱处的骨架颗粒发生移动,形成管涌通道并逐渐向上游扩展;(3)管涌通道前端的颗粒起动水头随粒径大小而不同,粒径越大,起动的临界水头越大;(4)管涌的发展是不断调整变化的,形成蜿蜒枝状沟道,主要原因是砂样颗粒的细观分布具有很大随机性,细颗粒流失形成的孔隙会被粒径大的颗粒填充,同时,也会引起周围更多的细颗粒流失使管涌通道变大。     

颗粒级配对堤坝碎石土内部渗透侵蚀影响的试验研究

渗透作用是造成土石坝和堤防工程破坏的重要诱因,研究碎石土内部渗流侵蚀规律具有重要的理论意义和工程价值.文章利用试验研究的方法,探索了颗粒级配对堤坝碎石土内部渗透侵蚀影响.结果显示,碎石土的颗粒级配变化范围越窄,越有利于提高其抗渗稳定性.基于研究成果,建议在碎石土堤坝施工过程中选择颗粒级配范围较窄的碎石土,以提高堤坝的抗...     

覆盖层不良级配砂砾石料渗透稳定特性及影响因素探讨

通过覆盖层管涌土料在不同密度、不同级配、不同应力条件下的渗透与渗透稳定试验,探讨各影响因素对渗透系数及抗渗破坏水力比降的影响。试验结果表明,细粒含量对渗透系数及破坏水力比降的影响较大,随着细粒含量的增加,破坏型式从管涌型向过渡型转变,破坏水力比降也增大;干密度越大,渗透系数越小,破坏水力比降越大;水流方向对渗透系数影响不大,对破坏水力比降略有影响;上覆压力对渗透系数及破坏水力比降均影响,主要是施加上覆压力后,细颗粒往出口移动除了克服自重外,还需抵消上覆压力分解来的压力。     

多层堤基结构管涌动态发展的数值模拟

针对多层堤基结构管涌动态发展过程,利用有限元分析软件模拟了管涌发展不同阶段堤基内部渗流场分布,对比分析了各区域水力梯度与各区域土体侵蚀临界水力梯度,从而确定管涌发展各阶段颗粒流失的区域和范围。结果表明：细砂夹层埋深为1m的多层堤基,管涌发生的标志是管涌口下端的细砂夹层冲破,发生竖向流土破坏;管涌发展过程中,堤基内土颗粒不断流失,局部土体渗透性随之发生变化,渗透性的变化影响渗流场的分布,继而又会影响土颗粒的流失,管涌动态发展是土颗粒流失与土体渗流相互影响、相互耦合的过程;同时管涌发展过程中存在多种类型的破坏形式,深层管涌破坏与浅层管涌破坏同时作用,产生的管涌通道深度很大,对大坝安全产生重大影响。     

宽级配砾质土三轴渗透试验研究

为研究宽级配砾质土的渗透特性,对不同砾石含量的宽级配砾质土进行了一系列的三轴渗透试验。试验结果表明随砾石含量的增加,宽级配砾质土的结构分别为悬浮-密实、密实-骨架、骨架-空隙3种形式;随砾石含量的增大,渗透系数呈现出先略微减小然后逐渐增大、最后迅速增大的变化规律;含水率、干密度均对宽级配砾质土的渗透系数有较大的影响;在最优含水率左右,渗透系数有明显的差异,施工中应注意对含水率控制。     

级配特征和水力梯度对砂砾料渗透性影响研究

为探索砂砾料渗透性的规律,开展了室内垂直向上渗透试验,结果表明,砂砾料渗透性随着孔隙比的增大而增强,随着细粒含量的增高而减弱。对特征粒径进行了进一步推导,给出了连续级配的特征粒径计算方法,通过量纲分析和参数拟合,得到砂砾料渗透系数的经验公式。通过渗透变形试验,将水力梯度对砂砾料渗透性的影响进行了分析,结果表明:细粒含量高,则渗透系数随水力梯度的增大而增大;细粒含量低,则渗透系数随水力梯度的增大而减小。结合细粒含量、孔隙比的影响,给出了考虑水力梯度的渗透系数计算公式,并对试验结果进行验证,结果表明,该公式可较好地反映各参数,尤其是水力梯度对渗透性的影响,拟合效果较好。     

某高填方体灰岩碎石土填料渗透特性研究

以我国西南某高原机场为例,通过对高填方体灰岩碎石土进行渗透试验研究,得到灰岩碎石土的渗透特性,以获得其渗透变形规律。研究结果表明:(1)渗透系数为1.18×10~(-2)~1.34×10(-2)cm/s,属于强透水层;(2)潜蚀发生的临界水力坡降为0.2,潜蚀类型为管涌;(3)管涌发生后,填料中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动并流失,此时土体孔隙增大,渗透系数增大,从而引起高填方体不均匀沉降,甚至破坏。     

干湿循环作用下原状黄土渗透性及其对土-水特征曲线的影响

为评估干湿循环作用对原状黄土水力特性的劣化效应,对甘肃Q₃黄土进行了4组不同干湿循环路径下的饱和渗透试验与土-水特征测试,分析土体饱和渗透系数和土-水特征曲线随干湿循环次数、循环幅度和下限含水率的变化规律。结果表明：原状黄土饱和渗透系数劣化度与干湿循环次数间关系可采用双曲线函数进行描述,6次循环后劣化度变化趋于稳定;土体饱和渗透系数劣化度随循环幅度增大而线性增大,随下限含水率增大而线性减小。V-G模型对干湿循环下黄土的土-水特征曲线拟合效果良好,模型参数θ_s、α、n变化幅度较小,而参数θ_r随循环次数增加呈指数下降趋势。依据试验结果建立了考虑干湿循环3参数的饱和渗透系数劣化模型与土-水特征曲线模型,并对土体非饱和渗透系数进行了预测分析。