细颗粒流失对砂砾石土本构关系的影响研究

采用悬挂式防渗墙的坝基砂砾石土中可能发生潜蚀(suffusion)侵蚀而流失细颗粒,导致土体的强度和变形模量降低,从而对坝基防渗墙及上部坝体造成不利影响。定量描述细颗粒流失量对砂砾石土应力-应变关系影响的模型是定量评估这种影响的基础之一。提出了研究这种本构模型的试验方案,进行了三轴和侧限压缩试验研究了颗粒流失量对应力-应变关系的影响。颗粒流失未改变土体的应力-应变特性,但降低了土体的强度和变形模量。通过建立模型参数与流失量的关系,可以用同一个本构模型描述流失量时空变化的砂砾石土本构关系。基于邓肯E-B模型,建立了模型参数与颗粒流失量之间的定量关系表达式,从而实现了颗粒流失对应力-应变关系影响的定量描述方法。     

砂砾土各级颗粒的管涌临界坡降研究

基于渗透力概念在管涌问题研究中的具体应用,按照渗透力与土颗粒浮重间的极限平衡推导出能计算管涌土的砂砾土料各级大小土颗粒的管涌临界坡降公式,并经过国内外大量管涌试验资料的验证是合理可信的。     

考虑起始水力坡降的软土大变形非线性固结分析

软黏土中渗流存在起始水力坡降的现象已逐渐为人们所认识,但变荷载下考虑起始坡降的软土大变形非线性固结理论还很鲜见。考虑土中渗流存在的起始水力坡降及非线性压缩渗透特性,在拉格朗日坐标系中建立变荷载下以超静孔压为变量的软土大变形非线性固结模型并给出其有限差分解。在此基础上,通过与达西定律下大变形固结半解析解对比分析,验证了解的可靠性。最后着重分析起始水力坡降对软土大、小变形固结性状影响的差异。结果表明,无论采用小变形假定还是采用大变形假定,考虑起始坡降后超静孔压的消散速率及最终沉降量均比达西定律下小。大、小变形假定下起始坡降均会引起超静孔压不能完全消散的现象,且大变形假定下超静孔压残留值要小于其小变形假定下的残留值,致使大变形假定下土层最终沉降量要比其小变形假定下大。起始水力坡降和几何变形假定均会影响固结性状,且起始坡降值无疑影响更明显,故在软黏土中渗流存在的起始水力坡降在固结计算中不容忽视。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

考虑渗流力的海床临界冲刷机理及计算方法

从波浪引起的海床内部渗流与床面泥沙运动耦合的角度出发,研究波浪作用下海床临界冲刷机理及计算方法。研究表明,波浪作用下床面泥沙起动及冲刷是一个不断向下发展的过程,最终达到一个临界冲刷深度。波浪引起的渗流力能够显著降低泥沙的临界起动切应力,促进泥沙起动,是影响海床冲刷的一个重要因素。将渗流力引入到传统泥沙起动公式中,推导并给出了波浪作用下海床临界冲刷深度的计算方法。结合室内和现场两个算例,很好地解释了波浪水槽试验中海床"流化"现象和黄河水下三角洲粉砂流冲沟等灾害地貌特征及成因,初步验证了该方法用于评价和计算海床冲刷的有效性。     

考虑起始水力坡降的天然非均质地基固结分析

实际工程中通常为未经处理的天然非均质地基。低水力坡降下黏性土中渗流存在起始水力坡降的现象也逐渐被认可,但能考虑起始水力坡降的非均质地基固结模型鲜见报道。基于具有起始水力坡降的渗流模型,考虑实际中的变荷载,对压缩模量和渗透系数随深度变化的非均质地基固结问题展开研究。通过压缩模量随深度增加及渗透系数随深度减小考虑天然地基的非均质性,进而建立了单层非均质地基一维固结模型。分析了起始水力坡降i0,非均质地基参数?、x、? 和p对非均质地基固结特性的影响。结果表明：考虑起始水力坡降后非均质地基中孔压消散速率变慢,地基沉降以及固结速率随之降低;固结速率与参数?、x成正比,而地基的最终沉降量与之成反比;参数? 越大,p越小,固结速率越快,但渗透系数仅改变地基的沉降速率,不会影响非均质土层的最终沉降量。     

砂砾土渗流侵蚀中细粒迁移-沉积-滤通的物理水力临界条件

细粒迁移机制是理解砂砾土渗流侵蚀过程的基础与关键,对研究砂砾土斜坡雨水侵蚀过程的细观致灾机制具有重要意义。目前其运移模式及运移状态发生转变的临界条件并不清晰,不同物理水力条件下的细粒运动类型有所不同。为掌握砂砾土侵蚀过程中细粒的整体运动类型及其发生改变的临界条件,采用可视圆柱入渗试验和离散元数值模拟,分析了细粒迁移的影响因素和内部机理。结果表明：（1）细粒迁移受级配和水力梯度影响显著,而受初始孔隙率影响不显著,且级配的影响大于水力梯度;（2）水力作用下细粒整体运动状态可分为沉积和滤通2种模式,内部结构不稳定的砂砾土细粒运动处于滤通状态,内部结构稳定和稳定性过渡型砂砾土随水力梯度升高细粒的运动状态从整体沉积转变为整体滤通;（3）细粒运动状态在粒径比和水力梯度共同作用下存在明显界限,最终得到细粒沉积-滤通转变的临界条件为$ i = 3.4 - $$ 0.12{{\text{e}}^{\left( {{D_{15}}/{d_{85}}} \right)/1.5}} $。研究可为砂砾土斜坡渗蚀失稳防护提供理论指导。     

基于Copula理论的粗粒土渗透破坏临界水力比降估值

破坏水力比降是土体渗透稳定性分析和渗流控制的基础。以渗透变形试验为基础,分析了粗粒土临界水力比降与孔隙比、级配不均匀系数和曲率系数间的相关性。利用Copula理论适合建立多个非独立变量间联合分布函数的优点,构造了拟合粗粒土临界水力比降 、孔隙比e、级配不均匀系数 和曲率系数 间相关关系的最优Copula函数,并将其应用于粗粒土临界水力比降估值。结果表明：具有单参数的四维对称Archimedean Copula函数的Nelsen No 6为最优Copula函数。利用构造的最优Copula函数求条件概率,便可得到粗粒土临界水力比降估值的保证率,或者计算在一定保证率条件下临界水力比降估值。通过比较临界水力比降试验值与Copula理论方法、Terzaghi公式及刘杰公式估值,阐述了Copula理论的可靠性,为建立粗粒土临界水力比降与孔隙比及级配特征的多变量统计概率关系及临界水力比降估值提供了一种新途径。     

颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究

宽级配土作为堆积层滑坡的主要物源,其渗透性研究是开展降雨型堆积层滑坡机制研究的前提和基础。宽级配土的渗透是一个包括水分运移和土体细颗粒迁移的复杂过程,但在研究其渗透性时通常只考虑了水分的运移而忽略了细颗粒的迁移。为此,采用自制大型渗透仪对3组不同D15/d85值(D15为粗粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为15%的粒径;d85为细粒组中小于该粒径的颗粒质量分数为85%的粒径)的土样进行了饱和渗流试验,研究了宽级配土的水分运移特征和细颗粒迁移规律。研究结果表明:D15/d85值对宽级配土的渗透系数和细颗粒迁移有重要影响,D15/d85值越小,则土体渗透系数越小,细颗粒不易发生迁移;D15/d85值越大,渗透系数越大,试验过程中渗透系数变化越剧烈,迁出细颗粒的量也更大。根据渗透系数的变化也可判定土体内部细颗粒的运动情况,据此提出了3种宽级配土颗粒迁移模式。该研究成果加深了对宽级配土渗透特性的认识,为完善降雨型堆积层滑坡机制研究提供了新思路。     

高水力梯度条件下颗粒堆积型多孔介质渗流规律试验研究

煤矿开采面临的水文地质条件越来越复杂,尤其是遭遇承压含水层的水压力越来越大,突水灾害发生时必然会带来高水力梯度引起的破碎岩体突水通道内高速非线性渗流问题。据此,研制高水力梯度（最大600）条件下堆积型多孔介质中高速非线性渗流试验装置,采用堆积型钢球模拟破碎岩体,对粒径为1、2、3、4、5、6 mm共6种光滑钢球分别开展了一维均质圆柱渗流试验。试验结果表明：对于由1～6 mm钢球堆积而成的孔隙率为0.44～0.45的多孔介质,当水力梯度大于145时,通过分析水力梯度-平均流速（J-v）曲线和水力梯度-雷诺数（J-Re）关系曲线,将流动状态划分为3个模式：线性层流、非线性层流、紊流,并获得了从线性层流过渡到非线性层流的临界流速为0.23～0.78 cm/s、临界水力梯度为3～8;从层流到紊流转捩的临界流速为1.6～4.8 cm/s、临界水力梯度为90～145。从小粒径多孔介质到大粒径多孔介质的渗流过程中,临界流速越来越大,而临界水力梯度逐渐减小。 渗透率与粒径的平方、非达西流影响系数与粒径的倒数均呈线性正相关,非达西流影响系数随着渗透率的增加呈指数减小。该研究对多孔介质非线性渗流的理论研究以及实际工程中高承压含水层突涌水问题有重要借鉴意义。     

水工隧洞围岩裂纹扩展的临界水压解析解

通过把断裂力学扩展判据引入水工隧洞解析解中,使宏观的水工隧洞受力分析与细观的围岩裂纹扩展研究相结合;将隧洞围岩裂纹分为拉剪型裂纹和压剪型裂纹,并针对不同类型裂纹的开展机制,分别推导了水工隧洞围岩拉剪型和压剪型裂纹扩展时的临界内水压力表达式。在此基础上,分析了裂纹的走向、长度、埋深等参数对临界水压的影响规律。算例显示,在高内水压力作用下,或者由于地应力释放的影响,裂纹既可能发生拉剪型扩展,也可能发生压剪型扩展,但后者发生的几率更大。在内水压力控制工况下,当裂纹走向垂直于洞壁法线方向时最不容易发生扩展;裂纹长度越长,埋深越浅,围岩孔隙水的作用面积越大,裂纹发生扩展的可能性越大。     

均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解

渗流场水头分布计算是进行渗流量和渗流水力坡降计算的基础,准确、有效地求取渗流场水头分布是渗流计算的关键环节。对均质非饱和土体一维稳态流的流动方程进行分析,考虑到渗透系数是与基质吸力相关的函数,通过数学变换,给出了稳定渗流场的解析通式,并基于渗透性函数中的Gardner模型,给出了非饱和土一维稳态流水头垂直分布的解析解。该解析通式表明,均质非饱和土一维稳态流水头垂直分布主要受地表水头、深度和流动率3个因素控制。分别计算了一维稳态蒸发条件下粉土和黏土两种典型土类水头沿垂直方向的分布。计算结果表明：稳态蒸发条件下粉土层和黏土层内的水头分布表现出相似的变化规律,即自地表至地下水位处随着土层深度的增加,水头分布呈现出加速递减的趋势;在相同的蒸发条件下,对于相同深度处的黏土和粉土而言,黏土层内水头更高些;对同一种土类而言,在较大的蒸发状态下同一深度处土层内水头更高。反之,则较低。     

砾石土渗透稳定特性试验研究

目前砾石土被广泛地用作高土石坝中的防渗体,国内已建成的187 m高的瀑布沟堆石坝就是用它作心墙的防渗材料。介绍了瀑布沟心墙土料的渗透稳定试验结果,并论述了确定砾石土渗透稳定性能的的主要因素是细粒含量,提出了确定粗、细粒料的区分粒径、计算最优细料含量以及用细料含量判别渗透稳定性的方法。试验结果表明,工程中常以小于5 mm粒径含量不小于35%、小于0.1 mm的粒径含量不小于18%,以判别砾石土能否作为高土石坝防渗体的标准是可行的,无需另外要求小于0.005 mm的粒径含量大于10%。     

带有两端防渗墙坝基的各向异性渗流解析解

由于目前在坝基设计中通常需要设置两个或两个以上防渗墙,对带有两端防渗墙的坝基各向异性稳态渗流进行了解析研究,将土体分为4个规则的区域,采用坐标变换将各向异性土层转换成等效各向同性土层,利用分离变量法将4个区域内的水头分布表示为级数解的形式,结合区域间的连续条件得出带有两端防渗墙的坝基各向异性渗流场显式解析解。将解析解退化到各向同性情况下的渗流量、坝底扬压力与保角变换解析解和数值计算结果进行对比,各向异性情况下的水头值与有限元软件计算结果进行对比,结果均吻合较好,验证了解析解的正确性,且相比于保角变换解析解具有更高精度。最后对坝基渗流场进行了参数分析,发现土体各向异性对坝基渗流有着不可忽略的影响,其他条件相同的情况下,竖直渗透系数与水平渗透系数比值较大土体的渗流量和出口梯度会小于竖直渗透系数与水平渗透系数比值较小的土体,竖直渗透系数与水平渗透系数比值较大的土体的最大扬压力会大于竖直渗透系数与水平渗透系数比值较小的土体。     

软土地层浅埋圆形隧道非达西渗流场解析研究

软土在低水力坡降下的渗流会偏离达西定律,即为非达西渗流模式。假设孔隙水渗透服从指数渗流模式,采用镜像法原理推导了浅埋单孔和双孔圆形隧道非达西渗流场的解析解。结合算例,对浅埋圆形隧道非达西渗流解析解与达西渗流解析解进行了对比分析与验证,并对非达西渗流指数、隧道周围土体与衬砌渗流系数比值对隧道渗流场的影响进行了讨论。结果表明：非达西渗流指数、渗流系数比值对隧道渗流量和周围土体孔压均有较大的影响;随着渗流指数逐渐增大,土体内水头损失加快,隧道周围土体孔压及渗流量逐渐减小;随着土体与衬砌渗流系数比值逐渐增大,衬砌排水能力增强,隧道渗流量逐渐增大,隧道周围土体孔压减小更大。