间断级配砂砾土渗透特性及稳定性判定准则研究

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部分水工建筑物的坝基覆盖层存在土质级配不良的情况,覆盖层中的砂砾土由于缺乏中间粒径,在粒径级配曲线中间出现一个平台,这类土统称为间断级配土。这类材料的透水性较强,容易引起坝基的渗漏问题。为解决上述问题需研究间断级配土的渗流特征,建立渗透稳定性判定准则。本文通过室内渗透试验,基于粒度分形理论和粒径组合参数对渗透系数计算公式进行修正,从几何条件和水力条件分别对间断级配砂砾土渗透稳定性进行了评价,主要研究内容及成果如下:(1)基于室内渗透试验,研究了不均匀系数、孔隙率和细颗粒含量对渗透系数的影响,研究结果表明不均匀系数和孔隙率与渗透系数有较好的正相关关系。渗透系数随着细颗粒含量的增加而减少,细颗粒含量达到40%左右的临界值后,渗透系数变化较小并逐渐趋于恒定值。(2)建立了基于土壤粒度分布的渗透系数修正模型。对于最大粒径大于10mm的砂砾土,引入粒径比参数建立了粒度分形维数和孔隙分形维数的数学关系,提出了包含粒度分形维数、孔隙率、粒径比的渗透系数修正公式。此外,对于任意粒径的砂砾土,提出了包含不均匀系数、曲率系数和有效粒径的渗透系数修正公式。确定了土壤粒径在0~20mm下修正公式中经验系数的取值范围为1500~2500。最后,通过渗透系数实测值和理论值的对比,验证了两种修正公式具有较好的预测精度。(3)开展了间断级配砂砾土渗透稳定性试验,分析了试样水力梯度和渗流量随时间的演变以及横向裂纹的发展,探究土体渗透变形全过程和不同阶段发生的颗粒流失情况。基于现存的四种几何准则对间断级配砂砾土的内部稳定性进行评价并对几何参数进行相关性分析,阐明了Kezdi准则和Kenney-Lau准则在评价土体内部稳定性的适用性。分析了临界水力参数、几何参数与细颗粒含量的关系,揭示了细颗粒含量在30%~35%时土体内部结构处于最稳定状态。(4)基于水力条件下能量耗散关系的抗侵蚀指数划分了间断级配土的侵蚀性。通过主成分分析和多元线性回归分析拟合了包含几何参数的抗侵蚀指数经验公式,实现了几何-水力耦合方法评估间断级配砂砾土的内部侵蚀性。介绍了以抗侵蚀指数来评价防渗体或坝基渗透稳定性的方法。最后,基于几何准则和水力准则提出了间断级配砂砾土渗透稳定性的综合评价流程。
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