均質(zhì)無粘性土的流土破壞發(fā)生規(guī)律研究

　　滲透破壞是水庫大壩破壞常見的一種情況，下面是小編搜集整理的一篇探究均質(zhì)無粘性土的流土破壞發(fā)生規(guī)律的論文范文，歡迎閱讀參考。

　　滲透破壞是指在滲透水流作用下，土中細(xì)顆粒在粗顆粒所形成的孔隙通道流動(dòng)，土的孔隙不斷擴(kuò)大，在土體內(nèi)形成貫通的滲流通道，最終導(dǎo)致土體發(fā)生破壞的現(xiàn)象。這是江河大堤在汛期常見的險(xiǎn)情之一，也是水庫大壩破壞常見的一種情況。早在1856年，達(dá)西通過試驗(yàn)建立了著名的達(dá)西滲透定律;太沙基(TerzaghiK)[1]在此基礎(chǔ)上，根據(jù)土顆粒在水中的重力與滲透力的平衡關(guān)系，推導(dǎo)出無粘性土的臨界水力坡降計(jì)算公式。Bligh[2]基于大量管涌破壞的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，得到了抵抗管涌破壞總臨界水力梯度的經(jīng)驗(yàn)公式。

　　B.Burns和R.Barker[3]等利用微型電阻探針研究了土體內(nèi)部的侵蝕過程，并成功的將該方法運(yùn)用到堤壩土體內(nèi)部侵蝕程度的評價(jià)體系中。李廣信[4]、丁留謙[5]、梁越[6]等通過砂槽模型試驗(yàn)分別研究了管涌的發(fā)生、發(fā)展過程。此外，人工智能[7]、離散元[8]、有限元等方法也被用來研究土體滲流破壞的過程。但是目前對均質(zhì)無粘性土的流土破壞過程的研究相對較少，也極少運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行有效的模擬。

　　本文通過室內(nèi)模型砂槽試驗(yàn)，研究了均質(zhì)無粘性土流土破壞從開始到結(jié)束的過程，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的對比，研究了流土破壞發(fā)生的規(guī)律。

　　1均勻土體的滲透變形試驗(yàn)

　　1.1試驗(yàn)裝置

　　試驗(yàn)裝置(圖1)是自行設(shè)計(jì)的有機(jī)透明玻璃方形槽，長30cm,寬10cm,高45cm.有機(jī)玻璃板的厚度為0.5cm,槽內(nèi)部可填土樣大小尺寸為29cm×9cm×H.在模型槽的底端和右上部設(shè)有進(jìn)水口和溢流口，水流從水箱上游通過導(dǎo)管流入模型槽內(nèi)，自下而上流過模型槽內(nèi)的土體，最后從溢流口流出。試驗(yàn)槽兩側(cè)分布間距為5cm測壓管，用于測量土體中的孔隙水壓力。本次試驗(yàn)使用1~12號測壓管。試驗(yàn)開始后，逐級升高上游水箱中水頭高度，記錄在不同水頭高度時(shí)，測壓管的水位、溢流口流量、累計(jì)時(shí)間等參數(shù)變化，并觀察土體滲透變形情況。

　　1.2試驗(yàn)用料

　　本次試驗(yàn)中材料的滲透系數(shù)通過室內(nèi)常水頭法進(jìn)行測定;材料本身的破壞比反映了材料發(fā)生破壞的難易程度，可以由垂直滲透穩(wěn)定試驗(yàn)得到，所用的砂土通過試驗(yàn)得到各項(xiàng)參數(shù)值如表1所示，土體級配曲線如圖2所示。

　　1.3滲流試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

　　試驗(yàn)采用逐級提升上游水箱水位的方法。在本級水頭下滲流達(dá)到穩(wěn)定后，提升至下一級水頭高度。分別記錄每一級水頭下滲流穩(wěn)定后的測壓管水位高度、溢流口流量等參數(shù)，并通過透明有機(jī)玻璃觀察土體的滲透變形情況。此時(shí)各測壓管水位與上游水箱水位基本齊平。接著逐級提升上游水箱位置，每級水位維持一定的時(shí)間，等各測壓管水位穩(wěn)定后，記錄測壓管水位值和溢流口流量值，然后再提升至下一級水位。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至52min時(shí)，此時(shí)上游水箱水位已抬升至43.0cm,相鄰測壓管水位差進(jìn)一步增大，測壓管水位與測壓管編號曲線呈現(xiàn)中間小兩邊大的情況，t=52min時(shí)，水流突然變快后又變慢可能是由于水的粘滯性，導(dǎo)致在出水口水位提高，達(dá)到一定高度后突然崩塌，導(dǎo)致流速短時(shí)間變大。測得此時(shí)的溢流口流量為1.29ml/s.當(dāng)水頭上升至79.4cm時(shí)，t=135min開始，土體發(fā)生流土破壞，土體中部隆起破壞，右側(cè)不斷有顆粒涌出，背面一側(cè)可見左側(cè)區(qū)域細(xì)顆粒明顯流出，土表面相同側(cè)細(xì)粒涌出。從試驗(yàn)槽正面觀測到土體中部出現(xiàn)一條橫向裂縫，很快裂縫以上土體崩解，出現(xiàn)豎向集中滲流通道。劇烈管涌，水面渾濁。

　　2試驗(yàn)的數(shù)值模擬及對比分析

　　本文用GEOSTUDIO軟件模擬此實(shí)驗(yàn)過程，設(shè)置與試驗(yàn)相似的條件，得到模擬結(jié)果。隨著上游水箱的水位不斷提高，水力梯度不斷增加，溢流口的流量也不斷增加，在第一階段，水箱高度由初始高度提升至30.8cm,溢流口的流量不斷增加，滲流流速成線性增長，這一階段符合達(dá)西流滲流規(guī)律，通過透明有機(jī)玻璃觀察土體中滲流處于穩(wěn)定階段，滲流對土體的影響在安全范圍內(nèi)。第二階段為上游水箱水位高度上升至土樣發(fā)生流土破壞的階段，這一階段變化曲線的斜率波動(dòng)較大，已經(jīng)不滿足達(dá)西流的滲流規(guī)律。在水力梯度達(dá)到1.06以后，流量突然增大，而水力梯度反而減小。土體的抗?jié)B強(qiáng)度驟然降低，土體發(fā)生流土破壞。流量隨水力梯度變化曲線的拐點(diǎn)處的水力梯度可以作為流土破壞的臨界水力梯度，其值為1.06.而用GEOSTUDIO模擬的情況與試驗(yàn)結(jié)果基本符合。

　　3誤差分析

　　通過對試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)和GEOSTUDIO模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果基本一致，誤差在允許的范圍內(nèi)。

　　4結(jié)語

　　綜上所述，GEOSTUDIO可以很好的模擬均勻土體的滲流破壞過程，模擬結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，但也存在一些誤差，可能是因?yàn)樵囼?yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)條件有限，邊界條件和水頭高度控制方面存在誤差，不過誤差在可以接受范圍內(nèi)。同時(shí)，試驗(yàn)可以得到：均質(zhì)無粘性土滲透變形過程中，前期滲透系數(shù)基本不變，滲流流量與滲流流速關(guān)于水力梯度呈線性關(guān)系。隨著水力梯度的增加，當(dāng)水力梯度超過臨界點(diǎn)，土體的滲透系數(shù)會急劇增加，滲流流量和滲流流速迅速變大，破壞速加快。

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