內(nèi)侵蝕作用下碎石土流-固耦合理論及其工程應(yīng)用.pdf

1、本文研究致力于解決天然碎石土在內(nèi)侵蝕作用下的幾個科學(xué)問題：（1）天然碎石土內(nèi)部穩(wěn)定性的預(yù)測判定；（2）影響內(nèi)部不穩(wěn)定天然碎石土內(nèi)部細(xì)顆粒流失的主要因素及侵蝕量變化規(guī)律；（3）內(nèi)侵蝕作用下天然碎石土流固耦合理論模型及數(shù)值求解方法；（4）內(nèi)侵蝕作用對天然碎石土堆積體整體變形及穩(wěn)定性的影響程度。
　　本文研究工作綜合運(yùn)用理論分析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對上述幾個問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，提出了適用于天然碎石土內(nèi)部穩(wěn)定性預(yù)測的判定準(zhǔn)

2、則；研制了滿足天然碎石土滲透侵蝕及剪切試驗要求的應(yīng)力應(yīng)變雙控制式三軸試驗設(shè)備；提出了考慮變形條件下天然碎石土侵蝕量變化本構(gòu)模型；推導(dǎo)了同時考慮變形和細(xì)顆粒流失的多孔介質(zhì)孔隙度方程，并提出了內(nèi)侵蝕作用下天然碎石土理論分析模型和數(shù)值方法；量化了內(nèi)侵蝕作用對天然碎石土堆積體滑坡整體變形及穩(wěn)定性的影響。本文研究的主要創(chuàng)新性成果如下：
　　1.分析了土體顆粒組成特征與內(nèi)部穩(wěn)定性的相關(guān)性，提出適用于預(yù)測天然碎石土的內(nèi)部穩(wěn)定性的判定準(zhǔn)則。

3、>　　土體的內(nèi)部穩(wěn)定性是對土體的顆粒組成是否具有阻止細(xì)顆粒流失能力的評估。為了建立適用于天然碎石土內(nèi)部穩(wěn)定性預(yù)測的判定準(zhǔn)則，本文首先利用自制側(cè)限滲透侵蝕裝置，采用向上滲流的試驗方法，模擬了八種級配碎石土試樣的滲透侵蝕過程。以滲透侵蝕過程碎石土試樣滲透系數(shù)隨梯度增長而增長作為內(nèi)部穩(wěn)定性判定方法，試驗判定八種試樣的內(nèi)部穩(wěn)定性。然后，對比常用判定準(zhǔn)則（Kenney& Lau準(zhǔn)則、Kezdi準(zhǔn)則、Burenkova準(zhǔn)則、Wan& Fell準(zhǔn)則）

4、對八種試樣的預(yù)測判定結(jié)果和試驗判定結(jié)果，分析了現(xiàn)有準(zhǔn)則的局限性?；诒疚氖占?40個試樣資料，采用系統(tǒng)聚類分析和秩相關(guān)分析方法，分析了試樣結(jié)構(gòu)特征與內(nèi)部穩(wěn)定性的關(guān)系，提出適用于天然碎石土的內(nèi)部穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則。最后，采用該準(zhǔn)則對包括本文試驗試樣在內(nèi)的多個寬級配碎石土土體內(nèi)部穩(wěn)定性進(jìn)行判定，判定結(jié)果驗證了本文提出準(zhǔn)則的合理性。
　　2.研制了可模擬大粒徑寬級配碎石土內(nèi)侵蝕過程的應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗設(shè)備。采用此設(shè)備，模擬了天

5、然碎石土在變形前后的滲透侵蝕過程，分析了內(nèi)侵蝕作用機(jī)理及對土體性狀的影響，提出了描述變形條件下天然碎石土滲透侵蝕量變化本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型充分考慮的巖土體變形后的侵蝕量變化規(guī)律，更加符合工程實際。
　　本文利用該試驗設(shè)備對兩種不同顆粒分布的碎石土試樣開展圍壓條件下的滲透侵蝕及剪切壓縮試驗。根據(jù)試樣變形前后的滲透侵蝕試驗結(jié)果，提出以變形量、平均流速和時間為自變量的侵蝕量變化本構(gòu)模型。通過采用多級加荷的試驗方法對內(nèi)侵蝕作用后的碎石土進(jìn)

6、行剪切壓縮試驗，從碎石土應(yīng)力應(yīng)變特性、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度三個方面討論了內(nèi)侵蝕作用對碎石土力學(xué)性質(zhì)的影響。
　　3.通過理論分析和推導(dǎo)，提出了以侵蝕顆粒流失與土體變形雙向作用為耦合機(jī)制的多場流固耦合模型。
　　基于內(nèi)侵蝕作用下侵蝕顆粒流失與固體體變雙向耦合特征，本文以多孔介質(zhì)滲流理論、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)及傳質(zhì)理論為基礎(chǔ)，以孔隙度為耦合變量，建立多場耦合模型。將碎石土假定為四相組成的多孔介質(zhì)，引入多孔介質(zhì)有效應(yīng)力原理及應(yīng)力平衡條件，建

7、立以位移和孔壓為自變量的應(yīng)力場方程；根據(jù)質(zhì)量守恒定律，建立液化顆粒濃度場方程及耦合控制方程。以Comsol Multiphysics軟件為數(shù)值模擬平臺，模擬室內(nèi)滲透侵蝕試驗加載過程，通過對比數(shù)值模擬結(jié)果及室內(nèi)試驗結(jié)果，驗證本文耦合理論及求解方法的合理性。
　　4.以三峽庫區(qū)典型碎石土堆積層滑坡為模擬對象，采用數(shù)值分析的方法，模擬了長期穩(wěn)定庫水位工況和庫水位漲落條件下滑坡體內(nèi)侵蝕作用過程，量化了內(nèi)侵蝕作用對堆積體滑坡整體變形和穩(wěn)定性

8、的影響。
　　根據(jù)本文試驗結(jié)果可知，內(nèi)侵蝕作用改變了內(nèi)部不穩(wěn)定天然碎石土顆粒組成結(jié)構(gòu)，影響土體滲透性質(zhì)或力學(xué)性質(zhì)。但由于內(nèi)侵蝕作用具有長期的累積效應(yīng)，特別是因發(fā)生于碎石土堆積體內(nèi)部而具有較強(qiáng)的隱蔽性。天然碎石土堆積體失穩(wěn)機(jī)理的定性分析中，內(nèi)侵蝕作用常被認(rèn)為是影響堆積體穩(wěn)定性的因素之一。以往碎石土堆積體穩(wěn)定性分析中，還未能量化內(nèi)侵蝕作用對碎石土堆積體的影響。因此，內(nèi)侵蝕作用對天然碎石土堆積體整體穩(wěn)定性的影響可能會被低估甚至忽略。

9、r>　　為量化內(nèi)侵蝕作用對碎石土堆積體的影響，本文以三峽庫區(qū)典型碎石土堆積層滑坡為例，根據(jù)滑坡剖面地質(zhì)信息和水文條件，建立有限元分析模型。研究內(nèi)侵蝕作用的時間累積效應(yīng)和水力邊界條件變化時，滑坡體的變形特征及整體穩(wěn)定性所受到的影響。以本文內(nèi)侵蝕試驗成果作為數(shù)值分析模型的材料參數(shù)，以長期不同庫水位條件和水庫運(yùn)行期庫水位漲落條件作為模擬工況。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，從滑坡體內(nèi)侵蝕顆粒分布特征及變化規(guī)律、滑坡體位移極值變化及變形規(guī)律，以及滑坡體整體安