渗流作用下多级配土石混合填料的结构演化规律

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.220203

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2023, Vol. 51 ›› Issue (2): 65-75.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.220203

所属专题： 2023年交通运输工程

渗流作用下多级配土石混合填料的结构演化规律

毛雪松¹ 王悦月¹ 吴谦¹ 代泽宇^1,² 李翔宇¹

^1.长安大学公路学院，陕西西安 710064
^2.中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院，山西太原 030000

收稿日期:2022-04-13 出版日期:2023-02-25 发布日期:2023-02-01
通信作者: 吴谦（1989-），男，工学博士，讲师，主要从事盐渍土及特殊地区道路工程研究。 E-mail:282497832@qq.com
作者简介:毛雪松（1976-），女，工学博士，教授，博士生导师，主要从事道路工程教学和研究。E-mail:xuesongmao@chd.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51878064);陕西省自然科学基础研究计划项目(2021JQ-244)

Structure Evolution Law of Soil-Rock Mixture Fillers with Different Gradations Under Seepage

MAO Xuesong¹WANG Yueyue¹ WU Qian¹ DAI Zeyu^1,² LI Xiangyu¹

^1.School of Highway，Chang’an University，Xi’an 710064，Shannxi，China
^2.Taiyuan Design Institute，China Railway Engineering Design and Consulting Group Co. ，Ltd，Taiyuan 030000，Shanxi，China

Received:2022-04-13 Online:2023-02-25 Published:2023-02-01
Contact: 吴谦（1989-），男，工学博士，讲师，主要从事盐渍土及特殊地区道路工程研究。 E-mail:282497832@qq.com
About author:毛雪松（1976-），女，工学博士，教授，博士生导师，主要从事道路工程教学和研究。E-mail:xuesongmao@chd.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(51878064);Natural Science Basic Research Program of Shaanxi(2021JQ-244)

摘要/Abstract

摘要：

渗流是引起土石混合填料中细颗粒流失，致使土体结构变化引起路基变形及失稳的关键因素。采用自行研发的颗粒流失试验装置，对不同级配的土石混合填料进行渗流试验，监测渗流作用下填料的透水质量、细颗粒流失量和沉降量的变化过程，分析土体结构演变过程；采用PFC^3D （Particle Flow Code in 3D）对细颗粒流失过程进行数值模拟，分析填料孔隙和粒径动态变化特性。研究结果表明：透水质量和细颗粒流失率可以反映土石混合填料结构对水分的敏感程度。填料骨架结构对水分的敏感程度越低，可及时有效地排出水分，渗流对结构的破坏越小。渗流条件下土石混合填料的结构演化过程可分为细颗粒快速流失、骨架重塑和相对稳定3个阶段，其中骨架重塑阶段是引起其结构演化的关键阶段。细颗粒快速流失阶段，每小时透水量增长速率较快，细颗粒大量流失，沉降量很小；骨架重塑阶段，每小时透水量变化速率减缓，细颗粒流失量减少，但骨架结构重组导致颗粒产生明显的相对位移，沉降量增长较快；相对稳定阶段，每小时透水量变化缓慢，沉降量基本保持不变。颗粒流失数值模拟的过程表明细颗粒组分的迁移引起填料孔隙率产生变化，致使土体结构发生改变。上述结果表明，在所研究的几种填料中，n=0.55级配下土石混合填料的骨架结构最稳定，对水分的敏感性最弱。

关键词: 道路工程, 结构演化, 颗粒流失试验, 土石混合填料, 级配, 渗流作用, PFC^3D

Abstract:

Seepage is a key factor that causes the loss of fine particles in soil-rock mixture fillers and leads to changes in soil structure and subgrade deformation and instability. In this paper, the self-developed particle loss test device was used to carry out the seepage test of soil-rock mixture fillers with different gradations. The change process of permeable quality, fine particle loss and settlement of fillers under seepage was monitored, and the evolution process of soil structure was analyzed. Particle Flow Code in 3D (PFC^3D) was used to simulate the process of fine particle loss, and the dynamic change characteristics of soil porosity and filler particle size were analyzed. The results show that the permeability quality and fine particles loss rate can reflect the sensitivity of soil-rock mixture fillers structure to water. The lower the sensitivity of filler skeleton structure to water, the less the damage of the seepage to the structure, because the water can be discharged timely and effectively. The structural evolution process of soil-rock mixture fillers under seepage conditions can be divided into three stages, namely, stage of rapid loss of fine particles, skeleton remodeling stage, and relatively stable stage. The skeleton remodeling stage is the key stage to cause structural damage. In the stage of rapid loss of fine particles, the growth rate of per hour permeable quality is fast, a large number of fine particles are lost, and the settlement is small. In the skeleton remodeling stage, the change rate of per hour permeable quality slows down, and the loss of fine particles decreases. However, the reorganization of skeleton structure leads to obvious relative displacement of particles, and the settlement increases rapidly. In the relatively stable stage, the per hour permeable quality changes slowly and the settlement remains basically unchanged. The process of particle loss numerical simulation shows that the migration of fine particles causes the change of porosity of fillers, resulting in the change of soil structure. The results show that, among the studied fillers, the soil-rock mixture fillers with n=0.55 has the most stable skeleton structure and the weakest sensitivity to water.

Key words: road engineering, structure evolution, particle loss test, soil-rock mixture fillers, gradation, seepage effect, Particle Flow Code in 3D

中图分类号:

U416.1

毛雪松, 王悦月, 吴谦, 等. 渗流作用下多级配土石混合填料的结构演化规律[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(2): 65-75.

MAO Xuesong, WANG Yueyue, WU Qian, et al. Structure Evolution Law of Soil-Rock Mixture Fillers with Different Gradations Under Seepage[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2023, 51(2): 65-75.

图/表 20

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参考文献 22

1	周敢．土石混合填料现场直剪试验研究［J］．中外公路，2011，31（5）：235-239.
	ZHOU Gan ．Study on field direct shear test of soil-rock mixture fillers ［J］．Journal of China & Foreign Highway，2011，31（5）：235-239.
2	张晓健，龚辉，艾传井，等．泥质页岩-粉质黏土土石混合填料原位水平推剪试验研究［J］．水文地质工程地质，2017，44（3）：79-85.
	ZHANG Xiaojian， GONG Hui， AI Chuanjing，et al ．Research on horizontal push-shear in-situ test of pelitic shale-silty clay mixture ［J］．Hydrogeology & Engineering Geology，2017，44（3）：79-85.
3	薛亚东，岳磊，李硕标．含水率对土石混合体力学特性影响的试验研究［J］．工程地质学报，2015，23（1）：21-29.
	XUE Yadong， YUE Lei， LI Shuobiao ．Experimental study on influence of moisture content on mechanical properties of soil-rock mixture ［J］．Journal of Engineering Geology，2015，23（1）：21-29.
4	薛亚东，刘忠强，吴坚．崩积混合体直剪试验与PFC~（2D）数值模拟分析［J］．岩土力学，2014，35（S2）：587-592.
	XUE Yadong， LIU Zhongqiang， WU Jian ．Direct shear test of collapse mixture and PFC~ （2D） numerical simulation analysis ［J］．Rock and Soil Mechanics，2014，35（S2）：587-592.
5	田恒蛟，薛亚东．路用土石混合料的剪切特性试验研究［J］．地下空间与工程学报，2014，10（1）：30-35，50.
	TIAN Hengjiao， XUE Yadong ．Experimental study on shear characteristics of road soil-rock mixture ［J］．Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2014，10（1）：30-35，50.
6	徐文杰，王永刚．土石混合体细观结构渗流数值试验研究［J］．岩土工程学报，2010，32（4）：542-550.
	XU Wenjie， WANG Yonggang ．Numerical experimental study of seepage in the fine structure of soil-rock mixture ［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32（4）：542-550.
7	李方振，柳侃，陈志波．宽级配砾质土三轴渗透试验研究［J］．长江科学院院报，2016，33（1）：126-129，133.
	LI Fangzhen， LIU Kan， CHEN Zhibo ．Experimental study on the triaxial permeability of broadly graded gravelly soil ［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2016，33（1）：126-129，133.
8	岳中文，杨仁树，孙中辉，等．伊犁一矿砾石土三轴渗透试验研究［J］．中国矿业，2010，19（12）：98-101.
	YUE Zhongwen， YANG Renshu， SUN Zhonghui，et al ．Seepage experimental study of triaxial test of gravel soil in Yili's first coal mine ［J］．China Mining Magazine，2010，19（12）：98-101.
9	王鹏飞，李长洪，马学文，等．断层带不同含石率土石混合体渗流特性试验研究［J］．岩土力学，2018，39（S2）：53-61.
	WANG Pengfei， LI Changhong， MA Xuewen，et al ． Experimental study on seepage characteristics of soil-rock mixtures with different stone content in fault zone ［J］．Rock and Soil Mechanics，2018，39（S2）：53-61.
10	谭文辉，董锋鑫，马学文，等．含石率对断层土石混合体渗流特性的影响研究［J］．长江科学院院报，2022，39（8）：86-92，98.
	TAN Wenhui， DONG Fengxin， MA Xuewen，et al ．Study on the influence of rock block proportion on seepage characteristics of soil-rock mixture in fault zone ［J］．Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2022，39（8）：86-92，98.
11	RING U， UYSAL T， GLODNY J，et al ．Fault-gouge dating in the Southern Alps，New Zealand ［J］．Tectonophysics，2017，717（10）：321-338.
12	XU Wenjie， WANG Shi， ZHANG Haiyang，et al ．Discrete element modelling of a soil-rock mixture used in an embankment dam ［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2016，86：141-156.
13	ZHOU Zhong， YANG Hao， WANG Xiangcan，et al ．Model development and experimental verification for permeability coefficient of soil-rock mixture ［J］．International Journal of Geomechanics，2016，17（4）：1-10.
14	李晶晶，金磊，程涛．土石混合体细观渗流场的格子Boltzmann模拟［J］．科学技术与工程，2019，19（29）：235-241.
	LI Jingjing， JIN Lei， CHENG Tao ．Lattice boltzmann simulation of mesoscopic seepage field of soil-rock mixture ［J］．Science Technology and Engineering，2019，19（29）：235-241.
15	何忠明，王保林，黄超，等．动力湿化作用下粗粒土高路堤渗流场时空演化模型试验［J］．中国公路学报，2020，33（9）：45-53.
	HE Zhongming， WANG Baolin， HUANG Chao，et al ．Time and space evolution model of seepage field of high embankment with coarse-grained soil under combined action of dynamic load and rainfall ［J］．China Journal of Highway and Transport，2020，33（9）：45-53.
16	鲁洋，刘斯宏，张勇敢，等．黏质土石混合体渗透特性试验及演化机制探讨［J］．岩土力学，2021，42（6）：1540-1548.
	LU Yang， LIU Sihong， ZHANG Yonggan，et al ．Study on permeability test and evolution mechanism of clay-rock mixture ［J］．Rock and Soil Mechanics，2021，42（6）：1540-1548.
17	LIU Longqi， MAO Xuesong， XIAO Yajun，et al ．Influence of water and rock particle contents on the shear behaviour of a SRM ［J］．Transportation Safety and Environment，2020，2（1）：29-43.
18	刘龙旗，毛雪松，肖亚军，等．含水率对坡积体路基填料剪切特性影响试验研究［J］．中国公路学报，2020，33（9）：126-135.
	LIU Longqi， MAO Xuesong， XIAO Yajun，et al ．Effect of water content on shear characteristics of landslide deposit subgrade fillers［J］．China Journal of Highway and Transport，2020，33（9）：126-135.
19	XU Wenjie， XU Qiang， HU Ruilin ．Study on the shear strength of soil-rock mixture by large-scale direct shear test ［J］．International Journal of Rock Mechanics ＆Mining Sciences，2011，48（8）：1235-1247．
20	INDQUIST E S， GOODMAN R E ．Strength and deformation properities of a physical model ［J］∥American Rock Mechanics Association：Proceedings of the First North American Rock Mechanics Conference，1994（1）：843-850.
21	金磊，曾亚武，李欢，等．基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟［J］．岩土工程学报，2015，37（5）：829-838.
	JIN Lei， ZENG Yawu， LI Huan，et al ．Refined simulation for macro and meso mechanical properties and failure mechanism of soil-rock mixture by 3D DEM ［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2015，37（5）：829-838.
22	王宇．基于流固耦合理论的管涌侵蚀机理细观数值模拟［D］．西安：西安理工大学，2020.

接触类型	土体颗粒密度/（kg·m^-3）	块石颗粒密度/（kg·m^-3）	法向接触刚度/ （10⁷ N·m^-1）	切向接触刚度/ （10⁷ N·m^-1）	法向粘结强度/MPa	切向粘结强度/MPa	摩擦系数
Pebble-Pebble	2 500	2 700	10	9	1.5	1.0	0.8
Pebble-Facet			100	90			0.3

[1]	李百建, 黄炎, 符锌砂. 波纹钢形状与拱效应对加固盖板涵承载力的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 110-118.
[2]	杨永红, 唐祖德, 王醇, 朱冠儒. 公路转弯段线形指标对混凝土护栏安全性能的影响[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2024, 52(1): 90-99.
[3]	于斌, 张钰钦, 王羽尘, 等. 基于车载激光点云的道路几何信息自动化提取[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2023, 51(2): 88-99.
[4]	张驰, 任士鹏, 王博, 等. 长大下坡路段货车运行速度特性及预测[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(3): 38-49.
[5]	付国志, 韦金城, 赵延庆, 等. 沥青路面结构的动态效应对验收弯沉值的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2021, 49(4): 90-96.
[6]	艾长发, 黄杨权, 罗柳芬, 等. 基于 ISS ＆ SSDR 的沥青路面层间疲劳寿命外因素综合影响预估#br#[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(5): 58-66,74.
[7]	张驰, 胡涛, 林宣财, 等. 高速公路连续长下坡路段大型货车专用缓速车道研究 [J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 48(4): 104-113.
[8]	李百建朱良生符锌砂李勇. 两种内衬加固混凝土管涵的力学性能[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(6): 101-107.
[9]	朱江鸿韩淑娴童艳梅李燕余荣光张虎元. 干湿循环对不同密度砂岩强度劣化的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2019, 47(3): 126-134.
[10]	张驰侯宇迪秦际涵张宏. 基于制动毂温升的连续下坡安全设计方法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2019, 47(10): 139-150.
[11]	李百建符锌砂朱良生. 基于刚度等效的钢波纹板－减压板力学特性研究[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2018, 46(9): 131-139.
[12]	李百建朱良生符锌砂. 基于刚度等效的钢波纹板叠合梁结构数值分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(12): 111-120.
[13]	申爱琴宋攀郭寅川李鹏. 基于COMSOL Multiphysics的路表瞬态动水压力数值仿真分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(11): 92-101.
[14]	惠冰郭牧刘晓芳. 三维激光数据密度对路面构造深度检测影响分析[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(11): 142-149,156.
[15]	肖鑫张肖宁. 排水沥青混合料各向异性空隙结构对渗水特性的影响[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）, 2018, 46(1): 91-96.

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Structure Evolution Law of Soil-Rock Mixture Fillers with Different Gradations Under Seepage

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