碎石土內(nèi)侵蝕演化特性及作用機(jī)理研究項目摘要

針對碎石土邊（滑）坡、堰塞壩、土石壩等堆積體中普遍存在的內(nèi)侵蝕現(xiàn)象，圍繞碎石土內(nèi)侵蝕演化特性以及作用機(jī)理的問題開展研究。鑒于當(dāng)前內(nèi)侵蝕模擬試驗設(shè)備無法滿足大粒徑寬級配碎石土內(nèi)侵蝕試驗?zāi)M的需要，擬研制適用于大粒徑寬級配碎石土內(nèi)侵蝕模擬設(shè)備，并開展應(yīng)力及水力條件下碎石土內(nèi)侵蝕演化試驗?zāi)M。以大量試驗成果為基礎(chǔ)，結(jié)合理論分析及數(shù)值模擬，解決碎石土幾何條件與內(nèi)侵蝕演化特征關(guān)系、應(yīng)力及水力條件作用下碎石土內(nèi)侵蝕演化規(guī)律、不同內(nèi)侵蝕階段碎石土剛度及強(qiáng)度的損傷演化機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題。構(gòu)建碎石土內(nèi)侵作用下力學(xué)和水力特性的損傷演化分析模型及計算方法，并運用在典型工程變形破壞及穩(wěn)定性分析中。利用現(xiàn)場監(jiān)測與反饋信息，不斷完善分析模型。最終形成適用于內(nèi)侵蝕作用下的碎石土變形破壞分析的理論模型及計算方法，為碎石土邊（滑）坡、堰塞壩、土石壩等堆積體變形破壞機(jī)制分析、工程治理設(shè)計等提供科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)侵蝕作用是導(dǎo)致潰壩等工程事故及滑坡等自然災(zāi)害的主要誘發(fā)因素之一。在內(nèi)侵蝕過程中，土體內(nèi)部細(xì)顆粒在水的滲透力作用下穿過粗顆粒形成的骨架而流失，進(jìn)而在土體內(nèi)部形成孔隙率較高的裂隙或孔洞，產(chǎn)生優(yōu)勢通道，導(dǎo)致水流對土體的內(nèi)侵蝕作用進(jìn)一步加劇，造成土體力學(xué)參數(shù)的降低。因此，認(rèn)識和掌握土體內(nèi)侵蝕特性及作用機(jī)理，對于揭示土石壩、堤防和滑坡、泥石流等工程事故和地質(zhì)災(zāi)害的破壞機(jī)理，以及防范、預(yù)警和治理由滲透破壞引起的土石壩破壞或邊坡失穩(wěn)，具有十分重要的理論意義和工程價值。 本研究工作綜合運用理論分析、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對上述幾個問題進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，提出了適用于天然碎石土內(nèi)部穩(wěn)定性預(yù)測的判定準(zhǔn)則；研制了滿足天然碎石土滲透侵蝕及剪切試驗要求的應(yīng)力應(yīng)變雙控制式三軸試驗設(shè)備；提出了考慮變形條件下天然碎石土侵蝕量變化本構(gòu)模型；推導(dǎo)了同時考慮變形和細(xì)顆粒流失的多孔介質(zhì)孔隙度方程，并提出了內(nèi)侵蝕作用下天然碎石土理論分析模型和數(shù)值方法；量化了內(nèi)侵蝕作用對天然碎石土堆積體滑坡整體變形及穩(wěn)定性的影響。該研究研究的主要創(chuàng)新性成果如下： 1.分析了土體顆粒組成特征與內(nèi)部穩(wěn)定性的相關(guān)性，提出適用于預(yù)測天然碎石土的內(nèi)部穩(wěn)定性的判定準(zhǔn)則。 2.研制了可模擬大粒徑寬級配碎石土內(nèi)侵蝕過程的應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗設(shè)備。采用此設(shè)備，模擬了天然碎石土在變形前后的滲透侵蝕過程，分析了內(nèi)侵蝕作用機(jī)理及對土體性狀的影響，提出了描述變形條件下天然碎石土滲透侵蝕量變化本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型充分考慮的巖土體變形后的侵蝕量變化規(guī)律，更加符合工程實際。 3.通過理論分析和推導(dǎo)，提出了以侵蝕顆粒流失與土體變形雙向作用為耦合機(jī)制的多場流固耦合模型。 4.以三峽庫區(qū)典型碎石土堆積層滑坡為模擬對象，采用數(shù)值分析的方法，模擬了長期穩(wěn)定庫水位工況和庫水位漲落條件下滑坡體內(nèi)侵蝕作用過程，量化了內(nèi)侵蝕作用對堆積體滑坡整體變形和穩(wěn)定性的影響。 2100433B

本項目提出面向知識單元交互設(shè)計的設(shè)計知識演化的理論、方法，針對典型產(chǎn)品，在深入研究設(shè)計知識的獲取、建模的內(nèi)在規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過基于分類學(xué)習(xí)的設(shè)計知識多層次獲取建模、基于模糊推理的設(shè)計知識柔性化遞歸演化、基于符號導(dǎo)航的設(shè)計知識自組織映射演化和基于虛擬感知的設(shè)計知識交互式動態(tài)演化研究，開發(fā)面向領(lǐng)域知識單元交互設(shè)計的軟件原型系統(tǒng)，實現(xiàn)以知識單元為交互工具、以設(shè)計知識的互相映射為內(nèi)容的設(shè)計過程，從而為基于知識的設(shè)計提供理論基礎(chǔ)，為設(shè)計過程中的知識互相映射、互相作用、互相轉(zhuǎn)化提供方法技術(shù)，為設(shè)計過程中基于知識單元的交互提供工具支持。 2100433B

本項目圍繞熱交換樁，采用室內(nèi)試驗、模型試驗、理論和數(shù)值方法，開展了長期熱循環(huán)下樁土力學(xué)特性及作用機(jī)理研究。首先采用溫控靜動三軸儀，開展了不同溫度（25℃、45℃和65℃）、不同圍壓（100kPa、150kPa、200kPa）及先加溫后剪切、先剪切后加溫條件下寧波軟黏土的熱力學(xué)特性，分析了溫度對土的應(yīng)力~應(yīng)變及抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)的影響。其次，研制了大型溫控固結(jié)儀，開展了循環(huán)溫度下土的固結(jié)試驗，獲得土的e~p、e~logp曲線及壓縮系數(shù)等指標(biāo)；在廣義三元件模型、西原模型基礎(chǔ)上，引入考慮溫度影響的元件參數(shù)，建立了耦合溫度的三元件流變模型和西原模型，探討了的熱流變固結(jié)性狀。第三，以寧波軟黏土為對象，開展預(yù)制熱交換樁樁-土模型試驗，研究了溫度對樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁頂位移、樁身應(yīng)力應(yīng)變、土體孔壓、地表沉降等的影響規(guī)律，揭示了長期熱循環(huán)作用對樁基承載特性的影響。最后，考慮能源樁樁土界面法向溫度應(yīng)力增量對初始剪切剛度的影響，對傳統(tǒng)樁土界面荷載傳遞雙曲線模型進(jìn)行修正，建立了考慮溫度影響的樁土界面荷載傳遞模型，分析了溫度對能源樁側(cè)摩阻力的影響；并基于上負(fù)荷面、tij和溫度等價應(yīng)力概念，提出了可考慮超固結(jié)比、結(jié)構(gòu)性、溫度效應(yīng)和中間主應(yīng)力的黏土熱彈塑性本構(gòu)模型，并進(jìn)行二次開發(fā)，在Abaqus程序中開展熱交換樁基承載特性數(shù)值模擬，計算獲得不加熱(室溫30℃)、加熱至45℃(60℃)、先加熱至45℃(60℃)再自然降溫至30℃、先加熱至45℃再自然降溫至30℃(進(jìn)行兩次循環(huán)加熱)六種工況及30℃→45℃→30℃(兩次循環(huán))工況下樁土溫度、應(yīng)力、孔壓時程曲線，荷載沉降、樁側(cè)阻力、樁身軸力，進(jìn)一步闡明長期熱循環(huán)作用對樁基承載特性的影響機(jī)理；利用有限元模型，計算分析了長期熱循環(huán)作用下熱交換樁有承載力特性，評價了長期熱循環(huán)作用對熱交換樁基礎(chǔ)承載力設(shè)計的影響，并提出了長期熱循環(huán)作用下樁端和樁側(cè)后注漿對熱交換樁附加沉降的控制措施。 2100433B