粗颗粒土溃散性失稳破坏形成条件的室内模型试验研究

发布时间：2020-07-11 00:35

【摘要】：溃散性失稳破坏是指由松散颗粒材料构成的堆积体在底部饱水条件下整体突发性启动和流态状运动的现象,此种破坏方式容易发生在黄土地区、松散碎屑堆积区、风化砂发育区以及露天开采的弃渣堆积区。由于该类破坏发生突然,且破坏前无明显的征兆,往往造成灾难性的后果。目前,国内外学者对溃散性失稳破坏展开了大量的研究工作并取得了一些成果,但对于溃散性失稳破坏的形成条件和成因机理研究较少,缺乏统一的认识和理解。本文以粗颗粒土堆积体为研究对象,首先通过室内土工试验获取试验土体的基本物理性质;然后以粗颗粒土体中的细粒含量、土体的密实度和坡体模型尺寸作为控制变量进行室内水槽试验,通过试验现象和各类传感器数据确定粗颗粒土溃散性失稳破坏的形成条件和成因机制;最后研究各控制变量对粗颗粒土溃散性失稳破坏的影响。主要研究成果如下:(1)通过室内土工试验获取了粗颗粒土堆积体的基本物理性质。对粗颗粒土进行渗透试验、击实试验和沉降性分析发现:粗颗粒土堆积体的渗透系数随着土体中细粒含量以及土体密实度的增加而减小;其最大干密度随着土体中细粒含量的增加表现出先增大后减小的规律;其沉降值随着土体中细颗粒含量的增高而增大,随着土体密实度的增大而减小。(2)确定了粗颗粒土溃散性失稳破坏的形成条件。粗颗粒土室内水槽试验结果表明:只有当土体中的细粒含量在一定范围内(27%~36%),土体处于相对松散状态(27%细粒含量下D_r≤0.3、36%细粒含量下D_r≤0.4),粗颗粒土会发生溃散性失稳破坏。当土体中的细粒含量小于27%,土体处于松散状态时,坡体表面的土颗粒会发生滚落;随着土体密实度的增加,后缘汇水高度达到阈值30cm时坡体仍不发生破坏。当土体中的细粒含量处于27%~36%,且相对密实度D_r0.4时,坡体会发生渗流淘蚀破坏。当土体中细粒含量为45%,无论土体密实度条件如何,坡体会发生局部崩滑破坏。(3)分析了粗颗粒土溃散性失稳破坏的变形破坏过程。粗颗粒土溃散性失稳破坏的全过程可描述为:在水流入渗到坡体的过程中,渗透面以下的土体逐渐饱和,孔隙水压力上升,当土体达到饱和后,孔隙水压力基本保持稳定;坡体模型破坏前,尽管无位移产生,但坡体前缘的孔隙水压力激增并且在内部产生了明显的震动;随后坡体在短时间内整体滑下,震动信号达到最强,内部位移不断增大。坡体滑动结束后,孔隙水压力下降,微震信号降为0,坡体内部位移达到最值。(4)分析了粗颗粒土溃散性失稳破坏的成因机制。坡体前缘的孔隙水压力激增是导致粗颗粒土溃散性失稳破坏的原因,通过分析得知,导致坡体前缘孔隙水压力激增的原因有两个:一是由于饱水带中的部分细颗粒经粗颗粒之间的孔隙通道流出坡体,坡体产生沉降并且压缩孔隙通道,细颗粒随水流运移到坡体前缘发生聚集、堵塞,传感器信号表现为孔压增加先于微震震动。二是由于饱水带中的部分细颗粒经粗颗粒之间的孔隙通道流出坡体,随着坡体内部孔隙的增大,坡体前缘内部垮塌使得孔隙水体积被剧烈压缩,传感器信号表现为微震震动先于孔压增加;(5)分析了粗颗粒土溃散性失稳破坏的影响因素。通过对比坡体发生溃散性失稳破坏的启动时间、滑动时间以及孔隙水压力、微震加速度和内部位移数据,研究土体中的细粒含量、土体相对密实度以及坡体模型尺寸对粗颗粒土溃散性失稳破坏的影响。研究结果表明:随着土体密实度的增大,土体内部侵蚀变弱,坡体破坏的启动时间变长,滑动时间变长,前缘孔压激增值先减小后增大,土体的滑动距离增大,前缘的震动增强;随着土体中细粒含量的增加,坡体破坏的启动时间变长,滑动时间变长,前缘孔压激增值增大,土体的滑动距离增大,前缘的震动减弱;缩小坡体模型的宽度,坡体的启动时间变长,滑动时间变化不大,土体的滑动距离增大,破坏时的震动增强。(6)分析了粗颗粒土溃散性失稳破坏的影响因素对临界水位高度的影响。用临界水位高度比Q来衡量不同影响因素下粗颗粒土溃散性失稳破坏临界水位高度的变化规律。研究结果表明:随着土体密实度的增大,不同细粒含量和模型尺寸的坡体发生溃散性失稳破坏时的临界水位高度比(Q)都基本呈线性增加。27%细粒含量下、36%细粒含量下和缩小模型尺寸后的Q值拟合结果分别为:y=0.5832x+0.2231、y=0.7301x+0.0926、y=0.7739x+0.2493。同一种密实度下,增大细粒含量或缩小模型尺寸会使粗颗粒土溃散性失稳破坏时所需的激发水位增高。
【学位授予单位】：成都理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P642.2;TU411
【图文】：

技术路线图,临界水位,细粒含量,土体

成都理工大学硕士学位论文（5）土体中的细粒含量、土体密实度以及坡体模型尺寸对临界水位高度响分析。分析不同密实度下，粗颗粒土溃散性失稳破坏后缘汇水的临界水位高度变律，并查明土体中的细粒含量和坡体模型尺寸对临界水位高度的影响。.3.2 技术路线

级配曲线,天然状态,级配曲线,土体

第 2 章试验土体的物理性质第 2 章试验土体的物理性质1 土体的颗粒级配分析用振筛机对试验土体进行筛分，振动筛的网眼尺寸分别为 30mm、20 m mm、5 mm、2 mm、1 mm、0.5 mm、0.25 mm 和 0.075 mm，振筛机筛分定为 3 分钟，通过筛分试验得到天然状态下粗颗粒土的材料级配曲线（图 2

颗粒级配曲线,细粒含量,颗粒级配曲线,天然状态

图 2-1 天然状态下试验用土的级配曲线细粒含量为相对值，对于不同粒径范围的土体，其定义也不同。本试验将粒土中颗粒粒径为 2mm 以下（含）部分的颗粒称为细颗粒。试验方案中的粒含量分别为 0、9%、18%、27%（天然状态）、36%和 45%，按比例调整粒含量至设定值，6 种不同细颗粒含量土体材料的级配曲线如图 2-2 所示。

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