岩土力学 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (2): 592-600.doi: 10.16285/j.rsm.2019.0066

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

颗粒形状对粗粒土孔隙特征和渗透性的影响

彭家奕1,张家发2, 3,沈振中1,叶加兵4   

  1. 1. 河海大学 水利水电学院,江苏 南京 210098;2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北 武汉 430010; 3. 长江科学院 国家大坝安全技术研究中心,湖北 武汉 430010;4. 武汉大学 土木建筑工程学院,湖北 武汉 430072
  • 收稿日期:2019-01-11 修回日期:2019-05-09 出版日期:2020-02-11 发布日期:2020-02-12
  • 通讯作者: 张家发,男,1960年生,硕士,教授级高级工程师,主要从事岩土工程和水工渗流方面的研究。E-mail: zhangjf@mail.crsri.cn E-mail:pengjiayiphd@hhu.edu.cn
  • 作者简介:彭家奕,女,1992年生,博士研究生,主要从事土石坝渗流安全控制方面的研究。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No. 51279016,No. 51479148,No. U1765205)。

Effect of grain shape on pore characteristics and permeability of coarse-grained soil

PENG Jia-yi1, ZHANG Jia-fa2, 3, SHEN Zhen-zhong1, YE Jia-bing4   

  1. 1. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098, China; 2. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan, Hubei 430010, China; 3. National Dam Safety Research Center, Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan, Hubei 430010, China; 4. School of Civil and Architectural Engineering, Wuhan University, Wuhan, Hubei 430072, China
  • Received:2019-01-11 Revised:2019-05-09 Online:2020-02-11 Published:2020-02-12
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51279016, 51479148, U1765205).

摘要: 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。

关键词: 颗粒形状, CT扫描技术, 孔隙结构, 比表面积, 渗透系数

Abstract: Grain size distribution, grain shape, and filling density are the critical factors that affect the pore structure and permeability of coarse-grained soil. However, only a few studies have examined the effect of grain shape on the permeability of coarse-grained soil. The main reasons are that it is not easy to quantitatively describe the grain shape and to study its influences on pore system characteristics. This study compares the pore system characteristics and permeability of samples filled with irregular gravels, spherical and regular octahedral grains, respectively. The grain shape was quantified by the length-width ratio and roundness obtained in the previous study. The images of internal structure for samples were obtained by the computed tomography (CT) scanning, and then the specific surface area was obtained for reconstructed three-dimensional (3D) pore structure of samples. The results indicate that the specific surface area is a reliable parameter to identify the pore structure characteristics of coarse-grained soil. For samples with the same grain size distribution and porosity, the specific surface area of the pore system decreases as grain roundness increases and grain shape approaches sphere. The hydraulic conductivity results show that for these samples, the hydraulic conductivity increases with the increase of grain roundness but the decrease of the specific surface area of pore system. The samples filled with spherical grains have the highest permeability. The samples filled with the more nonspherical grains contain pore systems with more resistance to seepage flow and are less permeable.

Key words: grain shape, CT scanning technique, pore system, specific surface area, hydraulic conductivity

中图分类号: 

  • TU 411
[1] 江文豪, 詹良通. 考虑井阻效应及径向渗透系数变化下砂井 地基的大变形固结[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 755-766.
[2] 李瑛, 陈东, 刘兴旺, 谢锡荣, 童星, 张金红. 悬挂式止水帷幕深基坑减压降水的简化计算方法[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 826-832.
[3] 孙壮壮, 马刚, 周伟, 王一涵, 陈远, 肖海斌. 颗粒形状对堆石颗粒破碎强度尺寸效应的影响[J]. 岩土力学, 2021, 42(2): 430-438.
[4] 杨志浩, 岳祖润, 冯怀平, 叶朝良, 周江涛, 介少龙, . 重载铁路基床表层级配碎石渗透特性试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(1): 193-202.
[5] 桂跃, 吴承坤, 赵振兴, 刘声钧, 刘锐, 张秋敏. 微生物分解有机质作用对泥炭土工程性质的影响[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 147-155.
[6] 张继文, 穆青翼, 廖红建, 刘芬良, . 考虑土体孔隙比和比表面积影响的未冻 结体积含水率曲线模型[J]. 岩土力学, 2020, 41(9): 2913-2921.
[7] 房营光, 陈建, 谷任国, 巴凌真, 舒浩恺, . 基于有效比表面积修正的Kozeny-Carman方程 在黏土渗透中的适用性研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2547-2554.
[8] 李昆鹏, 赵晓彦, 肖 典, 李 晋. 酸雨水化学损伤加剧粉砂质泥岩崩解机制研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2693-2702.
[9] 邹宇雄, 马刚, 李易奥, 陈远, 周伟, 邱焕峰, . 抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(8): 2829-2838.
[10] 薛阳, 吴益平, 苗发盛, 李麟玮, 廖康, 张龙飞. 库水升降条件下考虑饱和渗透系数空间变异性的白水河滑坡渗流变形分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(5): 1709-1720.
[11] 范日东, 杜延军, 刘松玉, 杨玉玲, . 无机盐溶液作用下砂−膨润土竖向隔离屏障 材料化学相容性试验研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 736-746.
[12] 盛建龙, 韩云飞, 叶祖洋, 程爱平, 黄诗冰, . 粗糙裂隙水、气两相流相对渗透系数模型与数值分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(3): 1048-1055.
[13] 李红坡, 陈征, 冯健雪, 蒙宇涵, 梅国雄, . 双层地基水平排水砂垫层位置优化研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(2): 437-444.
[14] 王刚, 韦林邑, 魏星, 张建民, . 压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律[J]. 岩土力学, 2020, 41(1): 32-38.
[15] 刘丽, 吴羊, 陈立宏, 刘建坤, . 基于数值模拟的湿润锋前进法测量精度分析[J]. 岩土力学, 2019, 40(S1): 341-349.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 张先伟,王常明,李军霞,马栋和,陈多才. 蠕变条件下软土微观孔隙变化特性[J]. , 2010, 31(4): 1061 -1067 .
[2] 施成华,彭立敏,雷明锋. 盾构法施工隧道地层变形时空统一预测方法研究[J]. , 2009, 30(8): 2379 -2384 .
[3] 党发宁 ,梁昕宇 ,田 威 ,陈厚群. 混凝土随机骨料模型尺寸效应的细观数值分析[J]. , 2009, 30(S2): 518 -523 .
[4] 庄海洋,黄春霞,左玉峰. 某砂土液化大变形本构模型参数的敏感性分析[J]. , 2012, 33(1): 280 -286 .
[5] 赵 阳 ,周 辉 ,冯夏庭 ,邵建富 ,江 权 ,. 不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究[J]. , 2013, 34(1): 13 -22 .
[6] 黄俊宇 ,徐松林 ,王道荣 ,胡时胜 . 脆性颗粒材料的动态多尺度模型研究[J]. , 2013, 34(4): 922 -932 .
[7] 朱 星 ,许 强 ,汤明高 ,付小敏 ,周建斌 . 典型岩石破裂产生次声波试验研究[J]. , 2013, 34(5): 1306 -1312 .
[8] 张艳博 ,黄晓红 ,李莎莎 ,刘祥鑫,. 含水砂岩在破坏过程中的频谱特性分析[J]. , 2013, 34(6): 1574 -1578 .
[9] 马小杰 ,张建明 ,常小晓 ,郑波 ,张明义 . 高温-高含冰量冻结黏土强度试验研究[J]. , 2008, 29(9): 2498 -2502 .
[10] 刘金云 ,陈健云 . 考虑流-固耦合的输水隧道动力模型试验中的一种相似技巧[J]. , 2008, 29(12): 3387 -3392 .