內侵蝕作用下碎石土流-固耦合理論及其工程應用.pdf

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

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力應變雙控制式三軸試驗設備；提出了考慮變形條件下天然碎石土侵蝕量變化本構模型；推導了同時考慮變形和細顆粒流失的多孔介質孔隙度方程，并提出了內侵蝕作用下天然碎石土理論分析模型和數值方法；量化了內侵蝕作用對天然碎石土堆積體滑坡整體變形及穩定性的影響。本文研究的主要創新性成果如下：
　　1.分析了土體顆粒組成特征與內部穩定性的相關性，提出適用于預測天然碎石土的內部穩定性的判定準則。

3、>　　土體的內部穩定性是對土體的顆粒組成是否具有阻止細顆粒流失能力的評估。為了建立適用于天然碎石土內部穩定性預測的判定準則，本文首先利用自制側限滲透侵蝕裝置，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隨梯度增長而增長作為內部穩定性判定方法，試驗判定八種試樣的內部穩定性。然后，對比常用判定準則（Kenney& Lau準則、Kezdi準則、Burenkova準則、Wan& Fell準則）

4、對八種試樣的預測判定結果和試驗判定結果，分析了現有準則的局限性?；诒疚氖占?40個試樣資料，采用系統聚類分析和秩相關分析方法，分析了試樣結構特征與內部穩定性的關系，提出適用于天然碎石土的內部穩定性判定準則。最后，采用該準則對包括本文試驗試樣在內的多個寬級配碎石土土體內部穩定性進行判定，判定結果驗證了本文提出準則的合理性。
　　2.研制了可模擬大粒徑寬級配碎石土內侵蝕過程的應力應變控制式三軸剪切滲透試驗設備。采用此設備，模擬了天

5、然碎石土在變形前后的滲透侵蝕過程，分析了內侵蝕作用機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模型。該本構模型充分考慮的巖土體變形后的侵蝕量變化規律，更加符合工程實際。
　　本文利用該試驗設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。根據試樣變形前后的滲透侵蝕試驗結果，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模型。通過采用多級加荷的試驗方法對內侵蝕作用后的碎石土進

6、行剪切壓縮試驗，從碎石土應力應變特性、屈服強度、峰值強度三個方面討論了內侵蝕作用對碎石土力學性質的影響。
　　3.通過理論分析和推導，提出了以侵蝕顆粒流失與土體變形雙向作用為耦合機制的多場流固耦合模型。
　　基于內侵蝕作用下侵蝕顆粒流失與固體體變雙向耦合特征，本文以多孔介質滲流理論、連續介質力學及傳質理論為基礎，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，引入多孔介質有效應力原理及應力平衡條件，建

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

8、的影響。
　　根據本文試驗結果可知，內侵蝕作用改變了內部不穩定天然碎石土顆粒組成結構，影響土體滲透性質或力學性質。但由于內侵蝕作用具有長期的累積效應，特別是因發生于碎石土堆積體內部而具有較強的隱蔽性。天然碎石土堆積體失穩機理的定性分析中，內侵蝕作用常被認為是影響堆積體穩定性的因素之一。以往碎石土堆積體穩定性分析中，還未能量化內侵蝕作用對碎石土堆積體的影響。因此，內侵蝕作用對天然碎石土堆積體整體穩定性的影響可能會被低估甚至忽略。

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