渗透破坏作用下管涌土强度劣化机制及预测模型

doi:10.11988/ckyyb.20230931

长江科学院院报 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 186-193.DOI: 10.11988/ckyyb.20230931

渗透破坏作用下管涌土强度劣化机制及预测模型

邱松楠¹(), 黎晓冬²(), 周鹏展³

¹ 国家开放大学中职学院,北京 100039
² 南京理工大学机械工程学院,南京 210094
³ 北京工业大学城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室,北京 100124

收稿日期:2023-08-25 修回日期:2023-11-03 出版日期:2025-01-01 发布日期:2025-01-01
通信作者:
黎晓冬(1996-),女,山东菏泽人,博士研究生,主要从事岩土力学方面的研究。E-mail:378162084@qq.com
作者简介:
邱松楠(1997-),男,山东聊城人,助教,硕士,主要从事渗透破坏与土体力学性质方面的研究。E-mail:qiusn@ouchn.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重点项目(52130905); 国家重点研发计划项目(2018YFC1505001)

Strength Degradation Mechanism and Predictive Model of Piping Soils under Seepage Failure

QIU Song-nan¹(), LI Xiao-dong²(), ZHOU Peng-zhan³

¹ Faculty of Secondary Vocational Education,The Open University of China, Beijing 100039, China
² School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
³ Key Laboratory of Urban and Engineering Safety and Disaster Reduction of Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China

Received:2023-08-25 Revised:2023-11-03 Published:2025-01-01 Online:2025-01-01

摘要/Abstract

摘要：

由于发展过程的隐蔽性和破坏后果的严重性,渗透破坏问题往往对涉水工程具有较大威胁。为研究管涌土在渗透作用下渗透破坏前后强度劣化特性,研发了土工内部冲蚀应力路径三轴仪。利用该装置围绕细颗粒含量、固结压力、水力梯度三种因素下强度劣化机制开展渗透破坏试验和三轴劣化试验。结果表明:细颗粒含量、固结压力和水力梯度因素对渗透破坏过程存在较大影响,从而影响管涌土的强度劣化性质,细颗粒含量和固结压力因素会降低管涌土的劣化度,而水力梯度因素则会显著提高管涌土的劣化度;采用双曲线函数对管涌土强度劣化度进行拟合,并通过数值模拟软件建立了渗透破坏强度劣化模型。研究成果可为涉水建筑物内部结构的强度分析以及溃坝等灾害的预测提供参考。

关键词: 渗透破坏, 管涌土, 劣化度, 累计涌砂量, 数值模拟

Abstract:

Due to its concealed development process and severe consequences, seepage failure poses a significant threat to hydraulic engineering projects. To investigate the strength degradation characteristics of piping soils before and after seepage failure, an internal erosion stress path triaxial apparatus was developed for geotechnical testing. Seepage failure tests and triaxial degradation tests were conducted using this apparatus, considering the influences of three critical factors: fine particle content, consolidation pressure, and hydraulic gradient. Results revealed that: 1)These three factors significantly impact the seepage failure process, thereby affecting the strength degradation behavior of piping soils. Specifically, higher fine particle content and consolidation pressure tend to mitigate the degree of degradation, while a higher hydraulic gradient significantly amplifies it. 2)A hyperbolic curve function was used to model the degradation degree of piping soils, and a seepage failure strength degradation model was established through numerical simulation software. These findings provide valuable insights for the structural integrity analysis of hydraulic constructions and the prediction of seepage-related disasters.

Key words: seepage failure, piping soil, deterioration degree, cumulative sand inflow, numerical simulation

中图分类号:

TV16

邱松楠, 黎晓冬, 周鹏展. 渗透破坏作用下管涌土强度劣化机制及预测模型[J]. 长江科学院院报, 2025, 42(1): 186-193.

QIU Song-nan, LI Xiao-dong, ZHOU Peng-zhan. Strength Degradation Mechanism and Predictive Model of Piping Soils under Seepage Failure[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025, 42(1): 186-193.

图/表 11

图1 颗粒级配曲线

Fig.1 Particle size distribution curves

图2 试验流程

Fig.2 Experimental procedures

表1 试验概况

Table 1 Test parameters

试样编号	FC/%	固结压力/kPa	渗透压/kPa	渗透时间/s
1	10	500	100	100~600
2	15	500	100	100~600
3	20	500	100	100~600
4	25	500	100	100~600
5	30	500	100	100~600
6	10	500	0	0
7	15	500	0	0
8	20	500	0	0
9	25	500	0	0
10	30	500	0	0
11	30	100	100	100~600
12	30	200	100	100~600
13	30	300	100	100~600
14	30	400	100	100~600
15	30	500	100	100~600
16	30	100	0	0
17	30	200	0	0
18	30	300	0	0
19	30	400	0	0
20	30	500	0	0
21	30	500	100	100~600
22	30	500	200	100~600
23	30	500	300	100~600
24	30	500	400	100~600
25	30	500	500	100~600
26	30	500	0	0

图3 累计涌砂量的变化

Fig.3 Variation of cumulative sand inflow

表2 峰值强度试验结果

Table 2 Test results of peak strength

试样编号	不同渗透时间的峰值强度/kPa
试样编号	0 s	100 s	200 s	300 s	400 s	500 s	600 s
1	2 217.0	1 562.9	1 433.5	1 395.6	1 370.6	1 329.8	1 303.3
2	2 171.2	1 578.5	1 534.6	1 495.4	1 469.9	1 425.5	1 367.3
3	2 117.8	1 775.6	1 704.1	1 648.7	1 566.6	1 477.9	1 370.7
4	2 056.3	1 776.1	1 715.1	1 602.9	1 584.7	1 509.2	1 460.9
5	2 050.1	1 851.9	1 675.9	1 594.0	1 552.6	1 527.8	1 482.9
11	581.5	314.4	312.2	294.9	287.8	284.7	264.5
12	978.2	860.4	821.1	734.7	703.4	678.8	589.5
13	1 335.6	1 065.8	1 039.6	982.7	950.3	868.5	857.7
14	1 678.4	1 479.8	1 327.9	1 325.8	1 239.8	1211.1	1 156.7
15	2 050.1	1 851.9	1 675.9	1 594.0	1 552.6	1 527.8	1 482.9
21	2 050.1	1 851.9	1 675.9	1 594.0	1 552.6	1 527.8	1 482.9
22	2 050.1	1 815.7	1 639.3	1 528.0	1 473.9	1 395.2	1 338.9
23	2 050.1	1 606.7	1 502.4	1 428.9	1 420.4	1 238.2	1 169.5
24	2 050.1	1 659.7	1 400.3	1 178.4	1 072.2	1 009.4	1 004.4
25	2 050.1	1 499.5	1 205.8	1 126.5	999.5	936.7	935.5

图4 渗透劣化后典型试件的应力-应变

Fig.4 Stress-strain curves of typical specimens degraded by seepage

图5 峰值强度-渗流时间关系曲线

Fig.5 Curves of peak strength versus seepage time

图6 不同因素影响下极限峰值强度差和最终劣化度变化

Fig.6 Curves of limit peak strength difference Δqmax and final degradation degree DRfin affected by different factors

表3 劣化参数及拟合结果

Table 3 Deterioration parameters and fitting results

试样编号	参数 $a$	参数 $b$	决定系数 $R^{2}$
1	0.44	49.2	0.998
2	0.43	140.1	0.879
3	0.41	184.9	0.854
4	0.40	223.2	0.969
5	0.39	257.3	0.992
11	0.54	20.3	0.991
12	0.44	154.0	0.809
13	0.43	154.8	0.958
14	0.43	253.7	0.982
15	0.39	257.3	0.992
21	0.39	257.3	0.992
22	0.44	205.1	0.978
23	0.52	178.8	0.948
24	0.65	169.0	0.974
25	0.69	149.7	0.996

表3 劣化参数及拟合结果

Table 3 Deterioration parameters and fitting results

试样编号	参数 $a$	参数 $b$	决定系数 $R^{2}$
1	0.44	49.2	0.998
2	0.43	140.1	0.879
3	0.41	184.9	0.854
4	0.40	223.2	0.969
5	0.39	257.3	0.992
11	0.54	20.3	0.991
12	0.44	154.0	0.809
13	0.43	154.8	0.958
14	0.43	253.7	0.982
15	0.39	257.3	0.992
21	0.39	257.3	0.992
22	0.44	205.1	0.978
23	0.52	178.8	0.948
24	0.65	169.0	0.974
25	0.69	149.7	0.996

图7 劣化参数关系曲线

Fig.7 Curves of deterioration parameters under the influence of different factors

图8 SFDM模型预测结果

Fig.8 Prediction results of SFDM

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Strength Degradation Mechanism and Predictive Model of Piping Soils under Seepage Failure

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