宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

土坝渗流侵蚀机制及有限元计算

 针对土体内部渗流侵蚀这类特殊工程地质力学问题,系统研究土体渗流侵蚀形成机制、影响因素以及渗流侵蚀引起土体结构强度损伤的量变关系。通过分析渗流侵蚀机制,建立土体内部渗流侵蚀各组分关系,建立土体内部渗流侵蚀本构及控制方程,给出渗流侵蚀引起的土体结构强度损伤关系。以心墙坝为例,利用有限元数值计算分析方法,将所建立的控制方程进行数值计算,对渗流侵蚀进行分析。有限元数值分析计算结果很好地验证了所建立的土体内部侵蚀控制方程、侵蚀损伤弹性模量与侵蚀率之间的函数关系的正确性。     

渗流作用下颗粒土起动临界坡降研究

地下水渗流过程中内部不稳定的颗粒土将发生潜蚀现象,潜蚀作用引起的土体细颗粒迁移流失将对土工建筑物或地基造成不良影响。为了得到渗流作用下颗粒土细颗粒的起动临界坡降,从细观角度出发,分析细颗粒的受力情况,建立渗流作用下的土颗粒受力模型,根据力矩平衡得到细颗粒起动对应的临界坡降,分析埋深、粒径、暴露角等参数对起动临界坡降的影响规律。得到以下结论:(1)埋深较小时起动临界坡降受粒径影响较大,粒径0.1 mm和0.4mm的细颗粒,埋深1 cm时起动临界坡降相差19.4%,埋深5 cm时相差1.3%;(2)起动临界坡降受暴露角影响,暴露角对起动临界坡降的影响随埋深增加而减小,粒径0.1 mm的细颗粒,埋深1 cm时最大和最小起动临界坡降相差5.3%,埋深2 m时相差0.03%。     

循环荷载下染色标定砂土内部侵蚀试验研究

内部侵蚀是造成堤防、大坝、路基等诸多结构失稳的主要原因之一。现有对土体内部侵蚀特性的研究大多基于静态加载,且无法定量描述细颗粒迁移的相关规律。为此,采用自主研发的土体渗透试验装置,对2组不同级配的染色标定砂土开展循环荷载作用下的内部侵蚀试验,探究循环荷载下砂土内部侵蚀过程中的水力响应机制,并定量描述流失颗粒的粒径组成及成分来源。试验结果表明:循环荷载–水头作用下,在现有土体稳定性判别方法中表现为稳定土体的试样A仍发生了一定质量的颗粒流失,之后又会达到新的平衡状态;而表现为不稳定土体的试样B则会发生持续且显著的颗粒流失,渗透系数显著增加。随着外部水头的提升,流失颗粒平均粒径逐渐增大、且流失颗粒所来源于土层逐渐加深。循环荷载–水头作用下,砂土试样间产生上下波动的孔隙水压力,在各层位间形成振荡的水力梯度,从而影响土体内部稳定性。研究结果加深了对内部侵蚀特性的认识,为完善相关病害的发展机制研究提供理论与试验支撑。     

基于透明土和粒子示踪技术的渗流侵蚀试验研究

渗流侵蚀是造成水利工程失稳破坏的主要原因之一。在渗流侵蚀过程中，土体细颗粒逐渐流失，土体渗透性增强，从而进一步影响到颗粒的流失，最终甚至导致失稳破坏。渗流侵蚀是典型的流固耦合问题，为了从细观层面探究渗流侵蚀过程中流体运动与颗粒流失的相互作用，结合透明土技术，自行研制了一套基于双光源PIV/PTV的渗流侵蚀试验系统。试验采用熔融石英砂和溴化钙溶液作为透明土材料及孔隙溶液，并对渗流侵蚀过程中孔隙溶液及土中细颗粒运动进行观测记录。对不同截面流速与试样宏观流速进行对比，发现水力梯度较小时截面实测流速较大于试样宏观流速，随着水力梯度的增加试样宏观流速逐渐大于截面实测流速，且越靠近试样中心，试样宏观流速和截面流速差距越小；同时试样中细颗粒逐渐由稳定状态过渡为垂直于进出水口所在平面方向运动，并逐渐流失。与无黏性土临界水力梯度公式计算结果进行了对比，发现通过试验获得的临界水力梯度略低于理论计算结果，但其所反映的渗流侵蚀规律与传统试验结果基本相符，表明了该试验系统在渗流侵蚀细观模拟中具有较高的可靠度，对从细观层面研究渗流侵蚀具有重要的参考意义。     

管涌型无黏性砾石土颗粒迁移试验研究

无黏性砾石土因广泛作为坝基土层和坝体填筑材料,其渗透稳定问题是关系到工程安全的关键因素之一。对管涌型无黏性砾石土开展渗透变形试验,并对试验后试样进行分层筛分试验,分析管涌现象过程中的颗粒迁移现象。研究结果丰富了管涌型无黏性砾石土关于土体内部颗粒迁移规律的研究。     

上海悬挂式地下连续墙基坑渗流侵蚀引起的沉降研究

针对土体内部渗流侵蚀现象进行分析,揭示土体内部渗流侵蚀现象。固相部分土颗粒在渗流剪切作用下由固相变成可随液相一起流动的悬浮颗粒状态,建立土体内部渗流侵蚀物理模型,推导出描述渗流侵蚀的控制方程。针对上海第三类深基坑降水致使土体内部侵蚀从而诱发地面附加沉降开展研究,以上海典型的深基坑工程为研究对象,基于理论分析的数学物理模型及控制方程,进行数值建模计算分析,数值计算结果阐释了土体内部渗流侵蚀使导致地面附加沉降及变形。     

土体降雨滑坡中细颗粒运移及效应

针对土体中细颗粒迁移对滑坡泥石流启动的影响开展了实验,比较了不同纵横剖面的颗粒级配在不同位置及实验前后的结果。研究发现,沿土体深度方向均是细颗粒下移,中部聚集程度最高;沿坡面方向,在离土面相同距离的位置,后部细颗粒多,前部细颗粒少。可以初步认为,随着降雨入渗,细颗粒逐渐汇集到土体下部和土坡坡角,从而使相应位置的渗透性降低,孔压上升,孔隙水聚集于该处,形成滑动面,最后导致滑坡泥石流。     

不同管片张开量下隧道外水土流失规律试验研究

盾构隧道管片接缝漏水并导致管片外土体侵蚀、甚至发生漏水漏砂,是富水砂层中盾构隧道安全的主要风险。设计了一种模拟管片在不同张开量下土体流失状态的试验设备,对福建标准砂和天津典型细砂在不同管片张开量及水压下的土体流失状态进行了试验研究。试验揭示了管片外砂土逐步流失的机理,发现不考虑土颗粒作用的传统水密性试验会高估弹性密封垫的防水性能;提出了临界侵蚀张开量的理论公式,并通过试验结果初步验证了其合理性。研究表明,临界侵蚀张开量与土颗粒竖向所受应力和土层厚度成一次正比关系,与缝隙处水头、土体孔隙率成一次反比关系;当土体通过管片缝隙发生侵蚀后,侵蚀质量与管片张开量和水压成正比,与缝隙周围的有效应力大小成反比,侵蚀使福建标准砂级配曲线变得更加平缓;针对福建标准砂及天津细砂,提出了便于实际应用的考虑水压及管片张开量的土体流失状态评估方法。     

无粘性土中管涌的毛管模型及其应用

通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析。建立了描述无粘性土中管涌发生、发展的毛管模型。利用该模型。将细颗粒的流失量、土体渗透性和颗粒起动的水力条件三者联系起来。得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式。通过管涌试验校验证实了有关公式的有效性。计算结果表明，管涌过程中的渗透性显著地受细颗粒流失的影响。而且当有细颗粒流失后。级配不连续的管涌型土比级配连续的管涌型土更易发展成管涌破坏。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

考虑潜蚀影响的降雨入渗边坡稳定性分析

在降雨入渗作用下土坡内细颗粒会随渗流发生运移产生潜蚀作用。通过联立颗粒运移方程与非饱和土渗流方程,结合非饱和土水力特性方程和土体潜蚀本构关系,建立了渗流潜蚀耦合的边坡稳定性分析模型。采用有限元方法模拟了降雨入渗作用下潜蚀和入渗的相互作用,分析了初始饱和渗透系数、进气值参数对入渗和边坡稳定性的影响。结果表明：潜蚀主要发生在湿润锋范围内浅层土体,潜蚀加速了湿润锋下行速度,进一步降低边坡稳定性;饱和渗透系数、进气值是影响渗流潜蚀作用的主要因素;当降雨入渗强度大于饱和渗透系数时,饱和渗透系数越大,潜蚀对入渗和边坡稳定性的影响越显著;进气值越小,潜蚀作用对入渗和边坡稳定性的影响越显著。     

Strength reduction of cohesionless soil due to internal erosion induced by one-dimensional upward seepage flow

Suffusion, one of the modes of internal erosion, has been widely detected in both natural deposits and filled structures. It is the phenomenon that the fine particles in soil gradually migrate through the voids between the coarse particles, leaving behind the soil skeleton. In this paper, the main focus is on the changes in soil strength due to internal erosion. A series of one-dimensional upward seepage tests at a constant water head is performed to cause internal erosion in a soil sample by controlling the three variable parameters, namely (a) the fine content, (b) the relative density of the soil, and (c) the maximum imposed hydraulic gradient on the specimen. The mechanical consequences of the internal erosion are examined by cone penetration tests. The internal erosion indicated by the loss of fine particles causes changes in the void ratio and a significant increase in hydraulic conductivity, resulting in a decrease in the soil strength from its initial value.     

间断级配砂土中管线破损引起的渗流侵蚀模型试验

频发的路面塌陷事故对城市安全造成了巨大威胁,主要原因是地下管线破损引起周围土体的渗流侵蚀,进而产生了地下空洞所致。针对目前常见的地下无压管线破损问题,提出了一种研究间断级配砂土中破损管线周围渗流侵蚀特性的模型试验方法。基于试验中的水土流失变化和受侵蚀区域的发展规律,揭示了间断级配砂土中侵蚀过程可分为快速侵蚀阶段、稳定侵蚀阶段和收敛阶段,土体中由于侵蚀变形产生的松动区和空洞扩展规律与砂土流失变化一致。对比不同工况的侵蚀量和最终侵蚀状态,得到了土体饱和度和水位高度通过影响渗流力而改变侵蚀量和空洞形态,土体级配则决定了可流失细砂含量,从而影响侵蚀量和空洞大小,而当管线破损形状只导致细粒流失时,破损尺寸的增加将增多流失路径数量,进而增大了侵蚀量,但此因素影响较小。     

基于离散元法的接触冲刷影响因素研究

成层土间容易发生接触冲刷破坏,对水工建筑物的安全运行有不利影响。为此探讨了粗层孔隙率、粗层颗粒形状和剪切位移对接触冲刷的影响,采用离散元法对成层无粘性土进行了接触冲刷数值模拟,得到以下结论:粗土层孔隙率的增加对土层抗渗流冲刷不利,对于D₁₀ /d₁₀比值为10的土层,当粗土层的孔隙率相对较大时,在一定的渗流压力作用下,试样的渗透流速在初始阶段会有一定减小,随着细颗粒流失比的不断增大,渗透流速也随之增大,土层结构发生较大改变,也会发生接触冲刷破坏,在工程实践中应该引起一定的重视;当粗层颗粒形状为非球形时,细土层颗粒流失比减小,土层抗冲刷破坏能力有所提高;剪切变形后试样中粗土层孔隙率会有一定增大,孔隙结构也会发生改变,细土层颗粒流失比增大,加剧了土层发生接触冲刷破坏的风险。     

Numerical Analysis of the Erosion and the Transport of Fine Particles within Soils Leading to the Piping Phenomenon

About 50% of the world's dam failures are triggered by piping, which is a primary cause of embankment breaks. The phenomenon of piping results from the erosion of soil particles and their transport within a soil mass. In this paper, a numerical method is proposed to analyze the erosion within soils and the transport of eroded soil particles by adopting the concept of the erosion rate of soils. In such an analysis, the saturated-unsaturated seepage flow of the pore liquid, the detachment of the soil particles from the soil fabric, and the migration of the eroded particles are taken into consideration, and the equations related to the conservation of the pore liquid and the eroded soil particles are numerically solved. This numerical simulation allows for the procurement of the temporal alteration and the spatial distribution of the porosity, the particle size distribution, and the concentration of the detached soil particles in the pore liquid, as well as the distribution of pore liquid pressure. The results have revealed that the method can reproduce the experimental data from previous studies on the internal erosion of soils and that it qualitatively predicts, from the numerical experiments, the typical development of piping within soils, such as soil blocks and embankments, as the solutions to the initial and the boundary value problems of the governing equations.     

江河大堤堤基砂砾石层管涌破坏危害性试验研究

江河大堤中下游堤基双层地基中下层渗透系数k>0.02cm/s的砂砾石土层居多数,这是一种管涌型土。研究了双层地基中这类土管涌破坏后的危害性,结果表明管涌破坏的后果,将在砂砾石层上部形成纯砾石的渗流通道,细颗粒的带出程度可达80%～100%。细料含量小于20%时带出程度可达100%,土骨架的结构不会产生明显变化,但渗流通道的渗透系数变为纯砾石的渗透系数,显著增大;细料含量大于20%时,渗流通道形成后将影响上部土层的稳定性。     

砂土渗流过程的细观数值模拟

基于散体介质理论,利用PFC2D内置FISH语言定义的流固之间的作用力方程和压力梯度方程,求解不可压缩流体中两相介质的连续方程和Navier-Stoke方程。并尝试用该理论模拟不同水压下渗流引起砂土特性变化的全过程,数值试验得到了流速、渗透系数、孔隙率和砂的流失量等参量的定性变化规律,表明水土相互作用贯穿于渗流的全过程。模拟结果与试验结果相符,且流速与压力梯度满足达西定律,表明应用该理论来模拟复杂的水土相互作用是可行的,它具有一定的理论意义,为进一步研究多孔介质中考虑流固耦合的渗透破坏研究如流土、管涌等奠定了一定的理论基础。     

Post-erosion mechanical responses of internally unstable gap-graded soil under drained torsional simple shear and triaxial compression

Internal erosion is a major threat to hydraulic earth structures, such as river levees and dams. This paper focuses on suffusion and suffosion phenomena which are caused by the movement of fine particles in the granular skeleton due to seepage flow. The present study investigates the impact of internal erosion on the dynamic response under cyclic torsional shear and monotonic responses under triaxial compression and torsional simple shear. A series of experiments, using a gap-graded silica mixture with a fines content of 20%, is performed under loose, medium, and dense conditions using a novel erosion hollow cylindrical torsional shear apparatus. The erosion test results indicate that the critical hydraulic gradient and the rate of erosion are density-dependent, where a transition from suffosion to suffusion is observed as the seepage continues. Regardless of the sample density, variations in the radial strain and particle size distribution, along the specimen height after erosion, are no longer uniform. Furthermore, the dynamic shearing results show that the small-strain shear modulus increases, but the initial damping ratio decreases after internal erosion, probably due to the removal of free fines. In addition, the elastic threshold strain and reference shear strain values are found to be higher for the eroded and non-eroded specimens, respectively. Finally, based on drained monotonic loading, the post-erosion peak stress ratio increases remarkably under triaxial compression, while that under torsional simple shear depends on the relative density where the direction of loading is normal to the direction of seepage. These observations indicate that the horizontal bedding plane becomes weaker, while the vertical one becomes stronger after downward erosion.