均質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，土中細顆粒在粗顆粒所形成的孔隙通道流動，土的孔隙不斷擴大，在土體內形成貫通的滲流通道，最終導致土體發(fā)生破壞的現(xiàn)象。這是江河大堤在汛期常見的險情之一，也是水庫大壩破壞常見的一種情況。早在1856年，達西通過試驗建立了著名的達西滲透定律;太沙基(TerzaghiK)[1]在此基礎上，根據(jù)土顆粒在水中的重力與滲透力的平衡關系，推導出無粘性土的臨界水力坡降計算公式。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驗公式。
B.Burns和R.Barker[3]等利用微型電阻探針研究了土體內部的侵蝕過程，并成功的將該方法運用到堤壩土體內部侵蝕程度的評價體系中。李廣信[4]、丁留謙[5]、梁越[6]等通過砂槽模型試驗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。但是目前對均質無粘性土的流土破壞過程的研究相對較少，也極少運用數(shù)值模擬方法進行有效的模擬。
本文通過室內模型砂槽試驗，研究了均質無粘性土流土破壞從開始到結束的過程，并通過室內試驗和數(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
1.1試驗裝置
試驗裝置(圖1)是自行設計的有機透明玻璃方形槽，長30cm,寬10cm,高45cm.有機玻璃板的厚度為0.5cm,槽內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有進水口和溢流口，水流從水箱上游通過導管流入模型槽內，自下而上流過模型槽內的土體，最后從溢流口流出。試驗槽兩側分布間距為5cm測壓管，用于測量土體中的孔隙水壓力。本次試驗使用1~12號測壓管。試驗開始后，逐級升高上游水箱中水頭高度，記錄在不同水頭高度時，測壓管的水位、溢流口流量、累計時間等參數(shù)變化，并觀察土體滲透變形情況。
1.2試驗用料
本次試驗中材料的滲透系數(shù)通過室內常水頭法進行測定;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)定試驗得到，所用的砂土通過試驗得到各項參數(shù)值如表1所示，土體級配曲線如圖2所示。
1.3滲流試驗過程及現(xiàn)象
試驗采用逐級提升上游水箱水位的方法。在本級水頭下滲流達到穩(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)，并通過透明有機玻璃觀察土體的滲透變形情況。此時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。當試驗進行至52min時，此時上游水箱水位已抬升至43.0cm,相鄰測壓管水位差進一步增大，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，水流突然變快后又變慢可能是由于水的粘滯性，導致在出水口水位提高，達到一定高度后突然崩塌，導致流速短時間變大。測得此時的溢流口流量為1.29ml/s.當水頭上升至79.4cm時，t=135min開始，土體發(fā)生流土破壞，土體中部隆起破壞，右側不斷有顆粒涌出，背面一側可見左側區(qū)域細顆粒明顯流出，土表面相同側細粒涌出。從試驗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試驗的數(shù)值模擬及對比分析
本文用GEOSTUDIO軟件模擬此實驗過程，設置與試驗相似的條件，得到模擬結果。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，這一階段符合達西流滲流規(guī)律，通過透明有機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。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較大，已經不滿足達西流的滲流規(guī)律。在水力梯度達到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模擬的情況與試驗結果基本符合。
3誤差分析
通過對試驗得到的數(shù)據(jù)和GEOSTUDIO模擬得到的數(shù)據(jù)進行對比分析，發(fā)現(xiàn)模擬得到的結果與實驗得到的結果基本一致，誤差在允許的范圍內。
4結語
綜上所述，GEOSTUDIO可以很好的模擬均勻土體的滲流破壞過程，模擬結果實驗結果基本一致，但也存在一些誤差，可能是因為試驗裝置和實驗條件有限，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。同時，試驗可以得到：均質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于水力梯度呈線性關系。隨著水力梯度的增加，當水力梯度超過臨界點，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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