多层砂土渗透破坏过程试验分析

摘要

【目的】渗透破坏严重威胁工程安全，研究多层砂土渗透破坏过程对于灾害预测与优化防治工程具有重要的现实意义。由于目前对多层砂土渗透破坏过程的研究仍不够深入，拟采用试验方法对多层砂土渗透破坏过程开展研究，旨在得到砂土层排布顺序对渗透破坏形成条件、破坏形式及水砂运移过程的影响规律，并进一步分析多层砂土渗透破坏的形成机理以及水砂两相的运移特征。【方法】采用自主研发的水砂两相高速渗流试验设备对多层砂土渗透破坏过程进行室内试验研究，并提出了水砂分离的渗透破坏试验方法。通过对不同砂层排列下的试样进行渗透破坏试验，测定了多层砂土渗透破坏的发生条件和破坏形式，并在水砂两相流过程中揭示水砂运移特征。【结果】多层砂土的砂层分布会对渗透破坏的形式和条件产生影响。粒径较小的砂层承受较大的局部水力梯度，当其与下游砂层粒径差别较大时，临界水力梯度较小。当各砂层按粒径由细到粗顺序排列时，试样具有反滤特性，此时临界水力梯度较大。多层砂土的砂层分布会对渗透破坏的水砂运移流量产生影响。缺乏下游砂层保护的细砂层可能会发生流土破坏，在渗流发展过程中迅速形成较大的涌砂量。在细砂层下游设有保护砂层时，涌砂量则会明显减少。多层砂土的砂层分布会对水砂运移流量过程产生影响。在多层砂土管涌过程中，砂土结构逐渐被破坏，流量随之增加。水砂流量过程曲线因砂层的压缩和膨胀交替而呈现规律性的波动变化。【结论】在合理反滤设置下的多层砂土能承受较大水力梯度。细砂层相比其他砂层承担更大的水力梯度，在缺乏下游砂层保护时易发生流土破坏，在下游保护砂层粒径较大时易发生管涌破坏。流土发生时会迅速产生较大的涌砂量，管涌发生时水砂两相流过程呈现规律性波动变化，所得到的渗透破坏临界条件及水砂运移过程数据可作为进一步试验研究及数值模拟正确性验证的参考。

关键词

多层砂土 / 渗透破坏 / 水砂两相流 / 水力梯度 / 流土破坏 / 管涌破坏 / 水砂运移特征 / 涌砂量