研究临界水力梯度的流土失败在粘性土基础理论

文摘

当前的临界水力梯度公式不适应解决粘性土壤的临界水力梯度。假设粘性土的渗透破坏模式的基础是柱形或倒圆截锥,基于临界水力梯度的计算公式Terzaghi临界水力梯度的解析公式考虑土壤的抗剪强度的影响。然后,粘土层的渗流破坏过程进行了数值模拟,和粘土层厚度的影响,破坏半径,在临界水力坡度和抗剪强度指标进行了分析。比较结果表明,数值试验结果与计算结果有很好的一致性的新公式。此外,砂壤土的临界水力梯度和黄土在不同工作条件下研究了各自的白手起家的渗透破坏的乐器。结果表明,临界水力梯度随土壤厚度和失败半径的增加,以及测试和相应的公式结果之间的最大误差不超过16%。

1。介绍

渗透的一个重要因素如大坝和基坑工程事故,它可以驱使人们深入探索的特点更好的渗透破坏的发生工程事故的预防和控制(1,2]。根据调查,发现很多研究土壤的临界条件进行渗透破坏,因此取得了一些有用的结论。例如,吴等人用biogrouting和其他方法来分析土壤的渗透性特征和煤质量(3- - - - - -6]。张等人开发了一个新的流固耦合的数值方法通过结合动态流体网格与民主党(DFM)方法,它可以应用于分析土的渗流机理;此外,土壤受到的应力-应变行为内部侵蚀研究了三维DEM模型(7- - - - - -10]。的裂缝方向土壤入渗过程中是一个重要因素影响渗流的失败。Rabczuk和Belytschko提出一个模型,可以用来模拟土壤裂纹扩展(11,12]。提出了一个著名的公式Terzaghi计算临界水力梯度根据星体的平衡原理,静水浮力,渗透力土壤颗粒在水中的13]。Changxi考虑土壤颗粒的形状阻力的影响(2)基于前者的临界水力梯度理论。Israr和Indraratna获得水力梯度的计算方法考虑到土壤颗粒之间的摩擦通过引入应力换算系数(14,15]。土壤有效应力和微粒的减压王等人提出了一个公式计算临界水力梯度的微粒在沙质土壤16]。江把粘土变成圆形管道的毛孔均匀分布,随后分析了粘土的渗透破坏的临界条件管流的角度来看,最后,孔径之间的数学关系,建立了临界条件17]。吴和高临界水力梯度的计算公式建立在管道发生的情况下,基于土壤的颗粒级配曲线和孔隙度(18]。管道的临界水力梯度的经验公式,这是表示通过围压(19,20.),是由罗等。从土壤发生失败的整个过程流复制了唐et al .,使用类似的模型(21]。基于渗流试验,低和高临界水力梯度的局部流动和全球损失相应的微粒被定义的梁等。(22]。杨等人研究了应力状态对临界水力梯度的影响,通过室内土壤渗透系数测试(23- - - - - -25]。

众所周知,临界水力坡度是一个重要的基础上判断土壤中会发生渗透破坏。因此,这是一个不可避免的话题研究临界水力坡度。尽管有许多理论公式渗流破坏的临界条件,然而,到目前为止没有统一的方法来计算临界水力梯度,当流土壤粘土基金会的故障现象发生。针对这种情况,本文认为粘土抗剪强度的影响;基于现有的理论成果,公式可以计算粘性土的临界水力梯度的基础发生流土派生时,和通过一系列的数值实验验证了模型的合理性和实验室测试。

2。建立一个分析粘性土的临界水力梯度公式的基础

目前,Terzaghi公式通常用于计算渗透破坏的临界水力坡度的基础上,给出的 在哪里临界水力梯度,土壤颗粒的相对密度,孔隙度。

很明显,情商。1)忽略了影响土壤颗粒之间的摩擦阻力计算临界水力梯度时(26),而粘性土壤的临界水力梯度的基础与它的抗剪强度,因此,这个公式分为未能解决粘性土壤的临界水力梯度的基础。由于这个因素,我们只分析了下面的研究要考虑粘性土抗剪强度的影响和修改的临界水力梯度公式。

假设有一个双层建筑基础、上部和更低的层粘性土层和砂砾石层,分别在粘土层的薄弱区域,如图1(一)。此外,顶部和底部之间的水头差的粘土层 ,疲弱的地区会发生渗透破坏的粘土层尽快超过某一临界值。本文假定流土破坏模式的粘性土基金会(b)或(c)图1。

2.1。气缸失效模式

带圆柱半径和粘土层厚度随着土壤分离的身体来分析其应力状态,如图1 (b)。很容易看到,汽缸对象向上渗流和下行有效重力,和分离的身体会向上移动的趋势,前者大于后者。与此同时,有一个向下的剪切力的边界分离的身体。根据力的平衡条件,可以得到以下公式。

在哪里 , ,和总渗透力,有效重力的土壤,和剪切力之间的身体和周围的土壤中分离出来,分别。和可以表示如下:

从理论上讲,当剪切力等于土壤的抗剪强度乘以剪切表面的面积,水力梯度情商。2)是渗透破坏的临界水力梯度的粘土基础,即。在临界状态,土壤的剪切力是由

代入方程式。(3)- (5)为情商。2),后者是写成

情商。7)可以通过情商的术语和简化移动。(6): 在哪里是失败的平均正应力表面,由于破坏面是垂直的,和平均正应力理论上等于平均静态土压力,这是表达的情商。8)。

粘性土的临界水力梯度计算公式基础失效模式时可获得一个圆柱体用情商。8)为情商。7),这是写成 在哪里是重量的水,相当于9.8 kN /米³;是有效的土壤容重,kN / m³;凝聚力,kPa;内摩擦角,°;土的侧压力系数,计算了吗 。

2.2。倒圆台失效模式

假设半径的上、下表面分离倒圆台体和 ,粘土层的厚度分别是多少 ,和母线和轴之间的角度 ,如图1 (c)。根据重力的平衡条件,渗流力、剪切力和垂直组成部分边界面,结果如下: 在哪里和的体积和侧面积倒圆台,分别。

从图可以看出1 (c)的半径不同的上下表面倒圆台 ,之间的关系和表示为 ,母线的长度 。

的侧面积和体积的表情倒圆台如下:

用情商。12和情商。13)为情商。11),然后简化相关条目,情商。11)可以表示如下: 在哪里是失败的平均正应力表面,可以计算了情商。15)。

失效模式是一个气缸时,计算公式为粘性土的临界水力梯度基金会将获得如果我们替代Eq。(15)为情商。14),这是写成

当 °,情商。16)就是情商。9),这表明足够的情商。16)是最通用表达式粘性土的渗透破坏的临界水力梯度的基础。

3所示。的临界水力梯度的计算公式,分析粘性土的基础

假设的形式流土失败在粘性土壤的基础是一个倒圆台,和情商。16)是有5个相关变量的函数,这与粘土层厚度、半径失败,两个强度参数和应力扩散角。给定一个基本的工作条件,即粘土层厚度是2 m,土层的破坏底面半径是2 m,凝聚力是25 kPa,内摩擦角和应力扩散角都是20°,然后这五个参数的影响在粘性土壤的临界水力梯度的基础进行了分析。

3.1。粘土层厚度对临界水力梯度的影响粘性土壤的基础

以粘土层的厚度为变量,粘土层厚度对临界水力梯度分析通过比较两种情况下的临界水力梯度的考虑,忽视了粘土层厚度。结果如图所示2。

从图可以看出2临界水力梯度会降低粘土层厚度的比例,当考虑到粘土层厚度对临界水力梯度的影响。粘土层厚度越小,临界水力坡度越小区别这两个条件。例如,当失败半径是2米,最大的区别是8.45%粘土层厚度小于2米;当粘土层厚度小于0.5米,最大的区别是只有2.59%;因此,当粘土层厚度相对较薄的范围相对于土层,对粘性土的临界水力坡度的影响可以忽略。应该注意,临界水力梯度和关键的区别是完全不同的概念,和关键的区别是与粘土层厚度呈正相关。

3.2。失败的影响半径在粘性土壤临界水力梯度的基础上

临界水力梯度之间的关系曲线和失败半径如图3,从中可以看出,当失败半径小,临界水力坡度与失败半径的增加迅速降低;的斜率与失败半径的增加,~曲线降低,临界水力梯度随失败半径的增加而减小。一般来说,临界水力梯度减小反向增加失败的半径。总之,临界水力梯度随着失败半径的增加而减少;失败的原因是,更大的半径(其他条件不变的情况下),较小的凝聚力的约束作用边界的粘土层薄弱区域土壤质量,和所需的低头不同土壤渗流失败,因此临界水力坡度越小。当失败半径大于3米,几组~曲线趋于一致;失败半径大于5米时,粘性土的临界水力梯度趋于一个固定值。

最后,如果失败的半径决定,情商。16)可以采用计算的临界水力梯度实际基坑或大坝工程;相反,失败的水力梯度对应半径5米作为临界水力梯度。

3.3。应力扩散角对粘性土的临界水力梯度的基础

从图可以看出4的应力扩散角有一定影响的临界水力梯度;临界水力梯度与应力扩散角的增加略有减少。此外,压力扩散角的影响相关的临界水力坡度是粘土层厚度。厚粘土层,应力扩散角的影响的临界水力梯度;相反,影响越小,越小的差异考虑对应的临界水力梯度和忽略了应力扩散角。当 m和 °,最大的区别是4.59%左右。一般来说,粘土层厚度与土壤流失败是薄,因此,应力扩散角对临界水力梯度的影响可以忽略。

3.4。内摩擦角对粘性土的临界水力梯度的基础

临界水力梯度之间的关系曲线和内摩擦角如图5,从中可以看出,内摩擦角有一定影响临界水力梯度,以及临界水力梯度与内摩擦角的增加略有增加。此外,内摩擦角的影响在临界水力坡度与粘土层厚度;厚粘土层,内摩擦角的影响的临界水力梯度。当 m和 ,最大误差为5.16%;当 m和 ,最大误差为1.13%。一般来说,内摩擦角的影响在粘性土壤的临界水力梯度很弱,可以忽略不计。

3.5。凝聚力对粘性土的临界水力梯度的影响的基础

临界水力梯度和凝聚力之间的关系曲线在不同工作条件下如图所示6。通过对比~ 不同工作条件下的关系曲线,可以发现失败的临界水力梯度增加半径增加。这种相关性的原因是土壤凝聚力越大(其他条件相同),土壤的约束作用越强,和所需的大脑袋的区别是粘土层渗透,因此临界水力坡度越大。此外,很明显,有很大区别的临界水力坡度条件下考虑凝聚力和忽视凝聚力。例如,“ 米, 米, kPa,“临界水力梯度考虑凝聚力是1.54,和临界水力梯度忽略凝聚力是1.11,以及它们之间的区别是高达27.9%。这表明如果noncohesive土壤的临界水力梯度公式用于计算粘性土的临界水力梯度的基础上,有必要考虑凝聚力的临界水力梯度的影响;结果表明,有一个很大的错误计算粘性土的临界水力梯度基金会通过noncohesive土壤的临界水力梯度公式,这进一步表明,有必要考虑凝聚力的临界水力梯度的影响。

3.6。进一步讨论粘性土壤的临界水力梯度公式的基础

倒圆台的失效模式粘土基金会的类似于冲倒基金会的失败,和的值可以确定通过模仿的应力扩散角的计算方法的基础上治疗。当基础埋深( )等于零的时候,压力从底部开始扩散的基础;当大于零,压力开始扩散的吗/3底部的基础之上,和应力扩散角的变化范围约等于土的内摩擦角(27]。它可以被认为是埋深的地基模型是0到考试,当向上渗流力作用于底部的粘土层的薄弱区,和渗透力从底部开始向上蔓延的粘土层。的是应力扩散角通常可以定义为土的内摩擦角吗 ,即, 。

一般来说,饱和软粘土的内摩擦角是很小的(28),工程实践中通常可以忽略;此外,粘性土层的厚度一般是小于1米,当有一个发生流土失败,如果 °,所以 ,考虑计算结果之间的误差不信不超过5%,因此,情商。16)可以简化为以下方程。

4所示。数值试验验证的理性分析粘性土的临界水力梯度公式的基础

在本部分中,粘性土层的渗透破坏过程是由有限元软件模拟,以及粘土层的厚度的影响,粘土层的薄弱区域的半径,凝聚力和内摩擦角对临界水力坡度进行了分析。数值模拟的结果和情商。16)进行比较来验证新配方的合理性。

数值模型的大小 米,如图7(一),上下两层粘土层(2米)和砂和砾石层(4米),分别。此外,圆柱形薄弱区域半径2米设置在粘土层的中心,以及模型参数如表所示1。针对摩尔-库仑准则的弹塑性本构模型和采用的计算。模型共有28288个节点和31467个元素,元素类型是C3D20RP。此外,模型的横向边界是受到正常的方向,孔隙压力设置为零,顶部和底部完全约束和应用。

根据粘土的直接拉伸试验结果在文献[29日),峰值拉伸应变的粘土含水量14% ~ 17%约为0.15% ~ 0.34%。结合相关文献的研究成果和大量数值试验结果,本文规定的流失败粘土层时发生应变达到0.2 ~ 0.3%。取- - - - - - 在1/2的长度 - - - - - -轴方向的模型,如图7 (b)。渗透破坏发生在基本工作条件时,轮廓云应变地图,垂直位移,流速在本节所示图8。

数据9(一个)- - - - - -9 (d)的关系曲线”关键液压gradient-clay层厚度,”“关键液压gradient-internal摩擦角,”“临界水力梯度凝聚力,”和“关键液压gradient-failure半径”,分别。的分析可以得出以下结论:(a)两条曲线的变化规律的“关键液压slope-clay层厚度”公式计算和数值模拟获得的基本上是一致的,而规则是临界水力坡度随粘土层厚度的增加而减小。数值仿真结果的最大区别和公式结果约为7%。内摩擦角时(b)作为一个变量,数值模拟和公式计算的结果表明,临界水力梯度与内摩擦角呈正相关,和两者之间的最大差异结果约为8%。一般来说,内摩擦角影响不大粘性土壤的临界水力梯度的基础。当内摩擦角变化时从3°20°,计算的临界水力梯度变化率的情商。16)约为2.5%,数值模拟结果的变化率约为3.6%;因此,内摩擦角对临界水力梯度的影响可以忽略。(c)“临界水力梯度凝聚力”曲线获得的数值模拟是在良好的协议与相应的计算结果的情商。16),这都表明,临界水力梯度与凝聚力有正相关。原因是土壤凝聚力越大,土壤的抗剪强度越高,土壤颗粒之间的力就越大,需要克服导致渗流失败,和粘性土的临界水力梯度越大。(d)的两条曲线所反映的法律“关键液压gradient-failure半径”公式计算和数值模拟获得的基本上是一致的。当失败半径小于粘土层的厚度,临界水力梯度增加迅速减少的失败半径;相反,当失败半径大于粘土层的厚度,临界水力梯度与失败半径的增加逐渐降低。

一般来说,虽然有一定程度的误差公式计算结果与数值实验结果,结果两个基本上是相同的。错误的原因可能是失败的形状弱化区域的粘土层被认为是气缸失效模式或倒圆台失效模式派生的情商。16)。然而,失败的形状并不局限在数值实验。因此,两者之间有一定的误差计算结果。

上面的比较后,它可以被认为是使用情商是可行的。16)计算粘性土的临界水力梯度的基础。

5。实验验证

5.1。实验设备

白手起家的测试仪器是由压力装置,空气pressure-to-water压力转换装置,和渗漏故障设备,如图10,其主要功能不仅可以控制粘土层的厚度和大小的渗流打开失败,但也使应用程序可控变量的水头压力或恒压头粘性土壤样本。

空气pressure-to-water顶部压力转换装置的进气口与气源连接高压管,以便应用空气压力水箱。此外,水出口设备底部连接的底部通过高压管渗漏故障设备,以水压力应用于样品的底部。与此同时,流速和水压力测量是由节流阀控制和压力计,分别。

渗漏故障设备设置在基座,如图11。测试土壤样本由白手起家的反应固定框架的梁装备两个螺杆棒,和底部的螺丝棒可以与不同的内部直径安装密封圈,可以联系紧密的表面土壤样本,这不仅可以改变裸露的土壤样本的大小,也防止集中渗漏的内侧壁玻璃桶。此外,需要注意的是,透光石和滤纸必须放置在底部的土样在水压试验,应用均匀土壤样本。

5.2。实验计划

以往的研究经验表明,除了土壤的物理性质,粘土层的厚度和失败的半径是伟大的粘性土的临界水力梯度相关基础。因此,本文着重于粘土层厚度和失败的影响半径的临界水力梯度。土壤样本取自本郡的黄土和黄河的砂壤土的银川海滩,这两个是重塑土。的主要参数如表所示2,粒度分布如图12。

黄土土样与数字H1, H2, H3, H4, H5和砂壤土土样与数字S1、S2、S3、S4, S5,分别准备研究粘土层厚度对临界水力梯度的影响。同样,黄土土样与数字HR1上,的HR2, HR3, HR4, HR5和砂壤土土样与数字SR1, SR2, SR3 SR4,和SR5分别准备学习失败的影响半径在临界水力梯度。样本大小如表所示3。

5.3。实验过程

在测试前,把水管紧密连接到气体源和水箱,而不是暂时的底部渗漏故障设备,和管口是开放的。接下来,注入大约1200毫升水水箱和打开气源,应该应用缓慢,空气压力水箱通过控制调压阀,然后,连接管的底部渗漏故障设备当水溢出的水管道配备压力表。实验正在进行时,渗流破坏过程可以通过逐步实现增压。具体操作方法是应用小水压力开始的土壤样本通过调整调压阀,观察下的土样水压力持续30分钟。如果在30分钟内渗流现象的变化不断,观察时间应该延长至这一现象变得稳定,然后,增加水压力(0.002 MPa)观察下一个阶段。应该注意的是,当渗透失败几乎达到了临界点,应用压力在0.0005 MPa的顺序一步一步。失去大量的土壤颗粒的特点和显著提高单位时间内渗流水量,土壤有明显的凸起的出现可以作为标准估算土壤样本的渗流失败与否。水压力值时,发生渗透破坏转化为水的高度 ,和临界水力梯度 ,在哪里土壤样品的厚度。

5.4。实验结果

根据实验现象,土样的渗透破坏可以分为以下四个阶段(见图13):(一)有少量的水慢慢渗透出来,没有发生隆起的顶部土壤样品、土壤样品的渗流通道,没有侧表面。(b)与水压力的增加,土壤样品的顶部轻微上升,和清水渗透逐渐增加。(c)的上表面裂纹首先出现在土壤样品沿着内铁圈的边缘,和土壤的上表面隆起现象不断加剧,与此同时,一些土壤粒子悬浮开始发生在土壤样品的上表面。(d)与渗流失败测试的进展,土壤样品的表面裂纹逐渐扩展,和中心的隆起部分的土壤样本,可以发现裂缝,因此可以推断在样品内部有渗流通道,导致突然出现大量的土壤颗粒悬浮,这意味着土壤样本落入渗流失败。土样的渗透破坏过程如图13。

不同土壤样品的测试和公式计算结果如表所示4;此外,关系曲线的“关键液压gradient-failure半径”和“关键液压slope-sample高度”,分别如图14。

5.4.1之前。失败半径对临界水力梯度的影响

结果表明,粘性土的临界水力梯度基础随失败半径的增加而减小。原因是失败的半径越大,越小的约束周围的土壤将土壤凝聚力;因此,向上渗流压力越小渗流失败和所需的临界水力梯度越小。很容易看到从图(14日)半径,如果失败是常数,黄土总是大于临界水力梯度的砂质壤土。当相应的失败半径从1厘米增加到4厘米,黄土和砂壤土,临界水力梯度大大下降,分别下降了62.3%和17.4%。失败半径大于4厘米,临界水力梯度的下降趋势是相对温和的。失败的原因可能是,当半径等于4厘米在这个测试中,渗流通道内容易形成土壤样本,这有利于土壤的渗透破坏样品。此外,“关键液压gradient-failure半径”的结果通过渗流失败测试高度匹配到相应的新公式的计算结果。之间的最大差值和公式解决方案的测试结果小于16%,土壤样本是否黄土或砂质壤土。

5.4.2。土壤样品厚度对临界水力梯度的影响

在分析图14 (b)可以看出,当土样厚度是常数,黄土总是大于临界水力梯度的土壤砂质壤土。总体趋势是粘性土的临界水力梯度基础慢慢减少与土壤样品厚度的增加,当土壤样品厚度的增加从1厘米到10厘米,黄土土壤的临界水力梯度和砂壤土土减少了2.64%和0.58%,分别。这里值得注意的是,厚粘土层,减少临界水力梯度而不是减少临界破损的头。

黄土土壤样本时,关键液压之间的最大差值由公式的测试和计算结果小于10%。土壤样本厚度很薄时,测试结果与公式计算结果之间的差异非常小,和增加的区别土壤样品厚度的增加。的区别从1.36%增加到7%时,土壤样本厚度增加1厘米至5厘米。土壤砂质壤土,最大差值小于15%,像黄土土壤样本,不同的是小当土壤样品厚度更薄。这样做的原因可能在于厚土壤样品,更难饱和;因此,可能存在不完全饱和现象,除了少量的土壤是在聚合形式分发毛孔也可能导致整个土壤的内部稳定下降,不能更好地利用和微粒的不渗透性(30.]。

5.5。公式解决方案的比较和参考测试结果

为了进一步验证情商的合理性。16),测试数据的引用(31日,32)作为原始数据,替换为情商。16)进行分析和比较。在文献[31日),粘土和粉质粘土的内摩擦角是20°,23°,分别和凝聚力是22.5 kPa 15 kPa,分别;在文献[32),粉质粘土的内摩擦角是22°和凝聚力是9.5 kPa,结果如表所示5。可以看出,公式的计算结果接近实验结果的引用(31日,32]。

6。结论

基于临界水力梯度的计算方法Terzaghi公式,计算土壤的临界水力梯度的基础考虑建立了土壤抗剪强度的影响,这是验证数值模拟和实验测试。结论如下:(1)根据向上渗流力之间的平衡关系,向下的有效重力和粘性土的剪切力基础,的临界水力梯度的计算公式推导出粘性土壤的基础(2)通过数值模拟结果与相应的计算结果有很好的一致性的新公式。此外,临界水力梯度之间的最大差值计算公式和渗流失败测试结果大约是16%,这足以表明,该公式是可行的(3)的影响应力扩散角和内摩擦角时的临界水力梯度可以忽略内摩擦角不超过10°(4)新建立的公式可以提供一个理论依据的机理分析大坝、基坑、破坏和后和其他项目提供一个参考依据大坝和基坑的设计,以减少或避免工程安全事故的发生

数据可用性

数据支持这项研究的结果可以从本文中获得。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

本文由中国国家自然科学基金支持(号:51979225和51979225),水利部公益性行业研究项目(没有。:201501034 - 04),陕西省重点实验室科技创新项目(没有。:2014 szs15-z01)。

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