城市地下水管泄漏导致的地陷事故逐年增多,其工程危害日益凸显,且事故具有突发性和隐蔽性,为了认识灾害的发生机制与演化规律,进而有效防治相关事故,保证城市设施和人民生命财产的安全,对地下水管泄漏所致土体破坏机理进行深入研究显得尤为重要。本研究针对地下水管泄漏所致地面沉陷事故为背景,以无黏性砂土为研究对象,利用研制的水管泄漏模型装置开展相关泄漏试验。基于不同泄漏孔径大小和砂土颗粒级配试样,描述了砂土层不同高度总水头随泄漏水压力变化,结合试验现象和总水头变化论述了砂土渗流演化过程及破坏特性。利用达西定律拟合渗流水力梯度的变化,利用几种经典流土理论和经验公式对砂土渗流临界水力梯度进行了验证,解释了泄漏水流所致砂土破坏的演化过程和细观机理,研究主要结论如下:(1)泄漏上方砂土渗流的总水头随泄漏水压力的增大至一个峰值,通过透明有机玻璃箱试验观察砂土破坏时的“空洞”现象,一旦超过峰值对应的泄漏临界水压力,泄漏上方土骨架发生彻底破坏,泄漏上方土体形成一道贯通的水土耦合作用的混合流体。空洞是连接渗流与流土之间的纽带。此外,不同泄漏孔径模型试验结果表明,泄漏孔径越小,达到峰值的临界水头和泄漏水压力越大。(2)基于不同颗粒级配泄漏试验,拟合砂土渗流的平均水力梯度变化。发生渗流的水力梯度变化与总水头变化变化有相似的规律。基于土的物理参数,选用经典的太沙基流土公式、扎马林公式、毛昶熙公式和沙金煊公式分别进行了验证,结果表明扎马林理论计算公式更适用于泄漏水流所致砂土渗流破坏的临界水力梯度。(3)利用岩土颗粒分形理论,求解了不同级配试样与分维数D之间的联系,建立了分维数D与临界水力梯度的关系。结合大量土体渗透破坏试验,分维数D和临界梯度大致呈反比关系,分维数表征逐级颗粒的积累情况,分维数越大,反映单位质量土体逐级颗粒积累越多,临界水力梯度越小。(4)在岩土渗流分形领域,分维数D还存在分段分形特性,以分维数2.35和2.65为界限分为3个区域:第一区域绝大部分土样的临界梯度均大于0.8,破坏类型属于流土型,发生空洞现象的流土破坏均在第一区间范围内,形成相互佐证。此外,分维数分段中2.35<D<2.65(二区),介于一区和三区的临界梯度,其临界水力梯度大部分范围在0.5~0.7之间,流化阶段的水力梯度波动均在二区范围内,结合泄漏水流所致砂土破坏的特性,其本身土骨架的彻底破坏带有流土性质,但最终形成一个水土耦合作用下贯通的混合流体。因此,结合试验现象和渗流水力梯度,认定流化阶段属于过渡型的大面积管涌破坏。