均质无粘性土的流土破坏发生规律研究
渗透破坏是水库大坝破坏常见的一种情况，下面是小编搜集整理的一篇探究均质无粘性土的流土破坏发生规律的论文范文，欢迎阅读参考。
渗透破坏是指在渗透水流作用下，土中细颗粒在粗颗粒所形成的孔隙通道流动，土的孔隙不断扩大，在土体内形成贯通的渗流通道，最终导致土体发生破坏的现象。这是江河大堤在汛期常见的险情之一，也是水库大坝破坏常见的一种情况。早在1856年，达西通过试验建立了著名的达西渗透定律;太沙基(TerzaghiK)[1]在此基础上，根据土颗粒在水中的重力与渗透力的平衡关系，推导出无粘性土的临界水力坡降计算公式。Bligh[2]基于大量管涌破坏的现场数据，得到了抵抗管涌破坏总临界水力梯度的经验公式。
B.Burns和R.Barker[3]等利用微型电阻探针研究了土体内部的侵蚀过程，并成功的将该方法运用到堤坝土体内部侵蚀程度的评价体系中。李广信[4]、丁留谦[5]、梁越[6]等通过砂槽模型试验分别研究了管涌的发生、发展过程。此外，人工智能[7]、离散元[8]、有限元等方法也被用来研究土体渗流破坏的过程。但是目前对均质无粘性土的流土破坏过程的研究相对较少，也极少运用数值模拟方法进行有效的模拟。
本文通过室内模型砂槽试验，研究了均质无粘性土流土破坏从开始到结束的过程，并通过室内试验和数值模拟的对比，研究了流土破坏发生的.规律。
1均匀土体的渗透变形试验
1.1试验装置
试验装置(图1)是自行设计的有机透明玻璃方形槽，长30cm,宽10cm,高45cm.有机玻璃板的厚度为0.5cm,槽内部可填土样大小尺寸为29cm×9cm×H.在模型槽的底端和右上部设有进水口和溢流口，水流从水箱上游通过导管流入模型槽内，自下而上流过模型槽内的土体，最后从溢流口流出。试验槽两侧分布间距为5cm测压管，用于测量土体中的孔隙水压力。本次试验使用1~12号测压管。试验开始后，逐级升高上游水箱中水头高度，记录在不同水头高度时，测压管的水位、溢流口流量、累计时间等参数变化，并观察土体渗透变形情况。
1.2试验用料
本次试验中材料的渗透系数通过室内常水头法进行测定;材料本身的破坏比反映了材料发生破坏的难易程度，可以由垂直渗透稳定试验得到，所用的砂土通过试验得到各项参数值如表1所示，土体级配曲线如图2所示。
1.3渗流试验过程及现象
试验采用逐级提升上游水箱水位的方法。在本级水头下渗流达到稳定后，提升至下一级水头高度。分别记录每一级水头下渗流稳定后的测压管水位高度、溢流口流量等参数，并通过透明有机玻璃观察土体的渗透变形情况。此时各测压管水位与上游水箱水位基本齐平。接着逐级提升上游水箱位置，每级水位维持一定的时间，等各测压管水位稳定后，记录测压管水位值和溢流口流量值，然后再提升至下一级水位。当试验进行至52min时，此时上游水箱水位已抬升至43.0cm,相邻测压管水位差进一步增大，测压管水位与测压管编号曲线呈现中间小两边大的情况，t=52min时，水流突然变快后又变慢可能是由于水的粘滞性，导致在出水口水位提高，达到一定高度后突然崩塌，导致流速短时间变大。测得此时的溢流口流量为1.29ml/s.当水头上升至79.4cm时，t=135min开始，土体发生流土破坏，土体中部隆起破坏，右侧不断有颗粒涌出，背面一侧可见左侧区域细颗粒明显流出，土表面相同侧细粒涌出。从试验槽正面观测到土体中部出现一条横向裂缝，很快裂缝以上土体崩解，出现竖向集中渗流通道。剧烈管涌，水面浑浊。
2试验的数值模拟及对比分析
本文用GEOSTUDIO软件模拟此实验过程，设置与试验相似的条件，得到模拟结果。随着上游水箱的水位不断提高，水力梯度不断增加，溢流口的流量也不断增加，在第一阶段，水箱高度由初始高度提升至30.8cm,溢流口的流量不断增加，渗流流速成线性增长，这一阶段符合达西流渗流规律，通过透明有机玻璃观察土体中渗流处于稳定阶段，渗流对土体的影响在安全范围内。第二阶段为上游水箱水位高度上升至土样发生流土破坏的阶段，这一阶段变化曲线的斜率波动较大，已经不满足达西流的渗流规律。在水力梯度达到1.06以后，流量突然增大，而水力梯度反而减小。土体的抗渗强度骤然降低，土体发生流土破坏。流量随水力梯度变化曲线的拐点处的水力梯度可以作为流土破坏的临界水力梯度，其值为1.06.而用GEOSTUDIO模拟的情况与试验结果基本符合。
3误差分析
通过对试验得到的数据和GEOSTUDIO模拟得到的数据进行对比分析，发现模拟得到的结果与实验得到的结果基本一致，误差在允许的范围内。
4结语
综上所述，GEOSTUDIO可以很好的模拟均匀土体的渗流破坏过程，模拟结果实验结果基本一致，但也存在一些误差，可能是因为试验装置和实验条件有限，边界条件和水头高度控制方面存在误差，不过误差在可以接受范围内。同时，试验可以得到：均质无粘性土渗透变形过程中，前期渗透系数基本不变，渗流流量与渗流流速关于水力梯度呈线性关系。随着水力梯度的增加，当水力梯度超过临界点，土体的渗透系数会急剧增加，渗流流量和渗流流速迅速变大，破坏速加快。
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