围压-渗流联合作用下土与结构接触渗流颗粒冲蚀宏细观条件研究

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穿堤涵管是堤防工程中的重要组成部分,堤防土与混凝土结构接触部位在渗透水压的作用下易发生土体迁移,导致溃坝的发生,因此土与结构接触渗流过程中颗粒起动、迁移的条件研究成为解决接触渗流问题的关键。在土体渗流问题中,土体级配、成分等是影响其力学特性的主要因素,水力梯度、周围压力是影响其渗流稳定性的重要因素,在土与结构接触渗流问题中,接触面性质也是影响土颗粒迁移的因素之一。本文以围压-渗流联合作用下土的流失问题为研究方向,从宏观、微观的角度探究颗粒冲蚀的条件。首先,开展了渗流和压力联合作用下接触面渗流破坏试验,通过渗流流量、颗粒流失量、切向变形、法向变形多维系统监测,进行多因素分析,分析了黏粒质量分数、围压和粗糙度对渗流破坏影响规律和机理,评判了颗粒迁移流失条件。其次,开展了针对土体颗粒-颗粒的室内三轴试验和针对颗粒-接触面的直剪试验,依据试验建立了数值模型,通过数值试验与室内试验结果对比,获取了适用于模拟土-结构接触渗流模型的基本参数。最后,建立了土与结构接触渗流试验等效的离散元模型,研究了接触面颗粒冲蚀过程中受拖曳力、流体速度、孔隙率变化等微观参数变化规律,分析了颗粒流失在粒径比、围压、粗糙面等方面的微观条件,与土-接触面渗流破坏试验的宏观分析结合,探究了围压-渗流联合作用颗粒在接触面处发生迁移的条件,具体试验结果及结论如下。(1)在渗流和压力联合作用下土-结构接触面颗粒冲蚀分为3个阶段,即渗流稳定阶段、颗粒迁移阶段、颗粒冲蚀阶段。多维监测结果表示,渗流稳定阶段流量大致呈稳定增长,无明显变形;在颗粒迁移阶段开始产生变形,流量产生波动;颗粒冲蚀阶段颗粒流失量明显增多,变形持续增大。(2)各影响因素对渗流和压力联合作用下土-结构接触面颗粒冲蚀条件的影响性为:黏粒质量分数最大,围压次之,粗糙度最小。对接触面颗粒冲蚀条件影响性进行量化分析,冲蚀条件随围压增大呈现出线性增大的趋势,随黏粒质量分数和粗糙度增大呈现出对数增长的趋势,并采用准牛顿法进行公式拟合后,提出了接触面颗粒冲蚀条件公式。(3)颗粒-颗粒三轴压缩数值模型试验与试验土的结果拟合性较好,通过试算确定了刚度比、摩擦系数、初始孔隙率参数值;通过土-粗糙面直剪试验,验证了土与接触面通过“剪切错动带”传递剪切应力效应,因此颗粒-接触面模型确定为颗粒-颗粒直剪,建立模型确定了刚度比、摩擦系数、初始孔隙率参数取值。(4)利用PFC3D软件开展了接触渗流数值模型的模拟,对渗流过程中拖曳力、渗流流速、孔隙率等变化进行了监测,分析了颗粒迁移的过程。对流体单元的进行了网格划分,并分别对围压进行了渗流流速的评价,对粗糙度进行了不同位置颗粒受拖曳力的评价,对粒径比进行了全面分析评价,总结了接触渗流模型颗粒迁移条件的规律及机理。(5)渗透压力是影响颗粒发生迁移的决定性因素;细粒可以通过在颗粒内部迁移而降低渗透水压对颗粒的冲蚀作用,但影响效果有限,均匀级配颗粒保持性较好,但对抗渗流能力较小,仍需要细粒的补充;围压通过改变渗流过程中的孔隙率影响渗透性,围压越大,颗粒排布越紧密,抗渗性越好;粗糙面的存在会影响土体颗粒的整体性,在接触面附近受流体拖曳力较大,更易发生迁移,且二维接触面比一维平面接触更容易发生颗粒渗流冲蚀。
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