砂质黏土-岩石界面渗透侵蚀破坏规律及演化机制研究

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渗透侵蚀是岩土体在降水或地表、地下水流等动水作用下结构被破坏、剥蚀、搬运和沉积的全部过程,这些渗透侵蚀破坏可诱发边坡、土石坝等土体结构出现管涌、流土、潜蚀等破坏现象,甚至造成滑坡、溃坝等灾难性地质灾害。对于堆积体滑坡,堆积土体与基岩间二元介质接触面(即基覆界面)常为地下水渗流的优势通道,造成基覆界面附近的土体的侵蚀破坏及强度劣化,是诱发堆积体沿基覆界面整体失稳的重要原因之一。本文采用室内侵蚀试验和EDEM-FLUENT耦合数值模拟方法,探究了土石界面处的渗流破坏规律及其演化机制,在堆积体沿基覆界面滑坡防治具有重要的理论意义和应用前景,主要研究工作及成果如下:(1)提出了一种新的岩土界面渗透试验测试方法。该方法采用圆柱形岩芯周围充填土体,实现了在三轴渗流压力室内进行土石界面渗透侵蚀试验研究。该试验方法实现了分阶段加载恒定的渗透水压,饱和条件下围压恒定,从而可模拟土体及岩土界面在饱和条件下的渗流侵蚀破坏过程。(2)通过砂质黏土-岩石界面的竖向三轴渗透破坏试验,结合CT技术,探索了岩石表面粗糙度及围压对土石界面处砂质黏土侵蚀破坏与水力性质的影响规律。验证了砂质黏土-岩石界面是优先的渗流破坏面,渗透破坏集中于界面附近土体,形成不断沿最大水力梯度线溯源发展的侵蚀孔洞,并最终贯通成为水流集中的通道。这一渗透破坏经历了稳定渗流、侵蚀发展、流土破坏三个阶段。岩石界面节理粗糙度越大、围压越大,渗流破坏所需水力梯度越高。(3)在土石交界面预制局部强渗透性缺陷区,并对此类不均匀岩土界面进行渗透侵蚀破坏试验,结合CT扫描技术,探索了局部渗透区几何、强渗透区与砂质黏土的渗透系数比对土石界面砂质黏土侵蚀破坏及水力性质的影响规律。发现土石界面可产生贯通及非贯通两种破坏形式,渗流破坏发展与砂质黏土-岩石界面的竖向三轴渗透破坏试验接近。强渗透区的竖向厚度及环向宽度越大、强渗区渗透性越强,渗透侵蚀过程中整体的渗透系数越高,渗流破坏所需的水力梯度越低。(4)利用EDEM-FLUENT软件耦合建立试验中试样岩土体模型,研究砂质黏土-岩石界面渗透侵蚀破坏的演化机制。结果表明,土石界面处的土颗粒以团粒的形式在渗流力作用下受侵蚀流失,侵蚀破坏了土颗粒之间的作用力,由最初底部颗粒少量流失发展到沿土石界面整体贯通,形成水流集中的管道。
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