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          西安有機玻璃
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          有機玻璃材料的試驗達到失穩狀態

          2022-05-28 17:20:09

          隨著上游水位提高,水力坡降增大,3種材料覆蓋層的表現不同:(1)水泥砂漿材料的試驗表現為,砂沸泉眼數量增多,規模變大,滲流出口內砂面“涌高”,形成懸浮層,可看見孔口上游側砂漿板下砂層被沖掏成空腔。

            上游水位進一步升高,空腔向上游擴展。升高水位,水量及砂量增加,穩定水位則水量及砂量也穩定,還未達到失穩狀態。只有擴展到一定程度后,滲流量急劇增加,細砂大量涌出,才是真正的貫通破壞。

            (2)有機玻璃材料的試驗有沖淘,但沒有明顯空腔,而是很早就出現被水流沖蝕形成的彎曲小溝通道(這可以在有機玻璃面下直接觀察到)。隨著上游水位進一步升高,覆蓋層下砂土形成擺動不定、彎彎曲曲的沖刷通道,逐漸向上游上溯,同樣也未達到失穩狀態。后當通道抵達上游,流速增加,通道內砂急劇淘刷。

            (3)柔性水袋施壓下的試驗,當上游水位低于水袋水位時,既無空腔又無沖蝕小溝通道(這也可以從透明的水袋下直接觀察到)。只有當上游水位升至接近或略高于水袋水位時,水袋塑料薄膜自上游向下游逐漸與砂層脫離,并快速發展到滲流出口,會出現與水泥砂漿覆蓋相類似的破壞,但這已不是要討論的范疇。

            用上游隔板和滲流出口孔邊的水頭差比兩點間的距離作為試驗的平均坡降,發生貫通破壞時的平均坡降定義為平均臨界坡降Jx,則在已做的幾組試驗中,有機玻璃覆蓋層,J=0.10;水泥砂漿覆蓋層,=0.13;柔性水袋模擬的覆蓋層,J的大小則隨著隨著水袋內的壓力大小而變化,當水袋內壓力為=0.17,當水袋內壓力為150mm水柱時,J=0.28.它們都是發生在上游水位升至接近或略高于水袋水位時,因此,實際要達到貫通破壞需要的水頭差應該更大。

            對試驗現象的討論(1)試驗開始時,砂沸出現的位置在滲流出口不限定在上游側,說明此時的水頭分布基本與出口中心對稱,可近似將出口看成一個淺井,便于分析、計算。實際工程中,出口往往是覆蓋層在高水頭作用下的破壞口,在其次出現時,水頭差會很大,滲流通道空腔滲流出口滲流通道覆蓋層(水泥砂漿)砂層滲流方向周紅星等:雙層堤基滲透破壞機制和數值模擬方法研究可能會超出本試驗的步。但若是在已有破壞點出口,則會經過這一步。

            (2)整個區域可分為兩部分:一是滲流集中通道,二是通道以外土體。通道類似于水平放置的具有近似半圓形截面的非完整井,其截面尺寸隨通道的發展而變化。滲透破壞發展的過程,是集中滲流通道形成和上溯的過程。

            (3)覆蓋層特性對堤基滲透破壞發展影響顯著。有機玻璃試驗貫通時水平臨界坡降小,水泥砂漿次之,柔性水袋大。這與材料和砂層接觸特性相關。有機玻璃表面光滑,易形成接觸沖刷。一旦局部薄弱點砂層顆粒被沖走,由于有機玻璃的剛度使該處架空,成為壓力為0的自由表面,更易被進一步沖刷。水泥砂漿與砂面接觸好,避免了接觸沖刷。當集中滲流通道形成并上溯時,通道以外區域仍保持受壓,但由于水泥砂漿板的剛度大,通道內會脫空。柔性水袋變形適應強,可與砂層表面充分接觸,施加壓力,約束砂層不被沖刷。實際工程中的覆蓋層有一定剛度,應該是居于水泥砂漿板和柔性水袋之間,因此其對滲透破壞的發展過程的影響也應該在兩者之間。

            堤基滲透破壞機制探討堤基滲透破壞首先是從滲流出口開始,不論是已有的滲流出口(如前述試驗),還是由高水壓頂破覆蓋層薄弱處的新出口,在出口都具有很大水力坡降,出現砂沸或噴砂。但此時尚不是終的貫穿破壞。進一步的破壞是形成集中滲流通道并上溯的過程。集中滲流通道上溯的尖端,通道內流量較小,但砂土內水力坡降較大,而在出口處水流量大。

            從側壁觀察試驗可見,通道與砂土的交界面由于滲透水力坡降大,砂顆粒從土體中松動脫離,在通道的尖端由于坡降大表現得明顯。而后在水流沖刷下,松動的砂粒沿通道向滲流出口方向滾動。通道與砂土的交界面砂粒處于平衡交換狀態,流速大則砂粒被沖動,流速小則砂粒就會沉積,這在試驗中通過改變模型上游水位即可清楚地看到。

            由于流速與通道內的過水斷面成反比,砂粒沖動則斷面增大,流速降低;砂粒沉積則斷面減小,流速增加,在過水流量穩定時會達到斷面穩定,對應的流速由砂土的抗沖刷能力決定。因此通道的規模受水力坡降大小的控制,也受周邊土體抵抗沖刷能力的控制。

            上述試驗現象說明,當滲流強度大到使土體破壞松動,還不足以使集中滲流通道上溯,還必須形成砂粒在集中水流作用下沖蝕平衡的條件,使破壞后土顆粒能在水的作用下運移。因此,滲透破壞發展過程是2種作用的組合:一是在滲流作用下土體結構的破壞,實質是達到土體的極限強度;二是集中水流作用下,土體表面砂粒的沖刷平衡,主要運動形態為滾動,已屬于泥沙運動力學范疇。

            集中滲流通道對于通道內的水、砂而言是過水運砂的管道,對于周邊砂土而言,是臨空的邊界,對土中的水而言是滲流的出口。集中滲流通道本身應滿足水力學關系,通道以外的土中水應滿足滲流控制方程,通道的邊界由水壓連續、水量平衡、砂土量平衡等關系控制。

            通道界面的2個判斷依據滲透破壞發展包括在滲流作用下土體結構的破壞和在集中水流作用下,土體表面砂粒的沖刷平衡2個過程。以下給出相應的判斷依據。

            (1)土體強度破壞的判據堤基滲透破壞終形式是流土破壞,其實質是土體骨架不能承受荷載。大多數研究者基于水力學角度研究滲透破壞現象,破壞判斷準則一般采用臨界水力坡降,其值多為經驗值,也過于簡單。事實上,土體受多種作用力控制,臨界水力坡降描述的僅為滲透力的大小與重力的關系,不能涵蓋復雜的應力分布。采用考慮滲透力作用的土體有效應力強度更為合適。本文僅考慮土體特性滿足莫爾?庫侖條件,故土體應力必須滿足的強度條件為式中:′分別為沿單元滲流方向的剪切力和正應力;c′為有效黏聚力;′為有效內摩擦角;′為土體小主應力。

            只要式(1)中任一個條件不滿足,且具有臨空面的土體即破壞。式(1)中判據第二式′≥,即要求土體不能受拉,適用于臨空面接近水平時。例如,當臨空面為水平時,滲流方向向上,采用判據第二式,即為太沙基公式;而臨空面傾斜,沒有滲流時,對于砂土,由式控制,穩定條件是傾角小于休巖石力學與工程學報止角;有滲流時,正應力減小,穩定角會小于休止角。因此,采用式(1)考慮滲透力作用下沿滲流方向土體應力強度公式,能準確地反映了滲透破壞的本質,體現了土體性質和應力環境對堤基滲透破壞發展的影響。

            (2)集中水流作用下,砂顆粒運移的平衡判據從試驗現象觀察,“水中土”在集中滲流通道中其運動形式是沿通道與下臥砂層接觸面在水流帶動下滾動前進。砂粒已脫離土體骨架。因此,此時砂粒平衡條件已不能通過應力平衡關系推導。但可以運用泥沙水力學方法進行推導。考慮到砂顆粒滾動往往位于底面砂層頂部,而此處滲透力較小,故忽略其作用。假設土體顆粒是圓形(見圖4),由顆粒滾動力矩平衡條件有式中:F為流體拖曳力,為阻力系數;F為流體上舉力,u為作用于集中滲流通道與穩定土體接觸面上砂粒的流速,C為上舉力系數;W′為顆粒浮重力;為滲流通道橫剖面與水平方向的夾角,取圖中方向為正值;為土顆粒接觸角,可采用土體摩擦角計算。

            C取值與集中滲流通道和土體接觸面砂土顆粒的繞流流態有關,C取值分別為0.1~2.0和0.5~10.0.因此,式(1),(2)分別為土體顆粒和水中土顆粒的極限平衡條件,兩者只要有一個滿足,土顆粒是平衡的,不會運動。只有這2個條件同時不滿足,集中滲流通道才開始擴展。

            數值模擬方法堤基滲透破壞是三維問題,但從現場和試驗觀察,堤基滲透破壞區域在整個堤基所占比例較小,若采用三維方法進行模擬,就比較難以集中關注于較小的集中滲流通道區域。若采用二維平面應變方式計算,則擴大了集中滲流通道影響范圍,需要對計算進行修正根據堤基在滲透破壞過程的應力特性,以無滲透時的應力場作為初始應力場,滲流引起的應力變化作為附加應力疊加到初始應力場,而滲流場的計算可通過軸對稱模式進行,這樣就可以較好地解決計算分析問題。

            關鍵的問題是解決好滲流通道的水力學關系與砂土中的滲流關系的界面協調和平衡。

            集中滲流通道內的水頭流量關系集中滲流通道內的水流沿程變化較復雜,水由砂中滲出到通道,流向出口,沿程流量增大,截面積也變大。在試驗中觀察到通道斷面形狀近似為稍偏淺的半圓,為便于分析,假定通道截面形狀為半圓形。

            通道外砂土體中的應力分布和滲流場根據雙層堤基土層結構滲流場的特點,將砂層土體應力分解為3個部分:(1)砂層本身的自重應力,按等厚度均勻分布覆蓋層通道與穩定土體接觸面水流方向周紅星等:雙層堤基滲透破壞機制和數值模擬方法研究考慮,實際是側限條件的應力;(2)覆蓋層壓重在砂層中產生的應力,按平面應變條件考慮,可利用土力學中條形基礎的相關公式計算應力;這2個部分經一次計算即可作為初始應力,以后不再變動。


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