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高土石坝粘性土大剪切变形条件下渗透特性研究

雷红军  
【摘要】:高土石坝心墙粘性土中应力状态复杂、存在大剪切变形区,可能对其渗透性和大坝安全产生不利影响。本文通过室内试验、理论分析和数值模拟,对高土石坝粘性土大剪切变形条件下的渗透特性展开研究。主要工作和成果如下: (1)研制了三轴渗透试验装置,进行了系列的试验研究了不同条件下粘性土大剪切变形后的渗透性变化规律。结果表明:所研制的三轴渗透试验装置可应用于试样大剪切变形后不同方向的渗透试验;土体渗透性随应力变形状态发生变化;周围压力和剪切变形对土体渗透性的变化特征具有显著的影响;在很大渗透坡降范围内,土体中渗流仍遵循达西定律。 (2)对粘性土大剪切变形条件下渗透性变化规律进行了机理分析,提出了相应的数学模型,并与试验结果进行了对比分析。结果表明:土体孔隙比和结构变化是导致土体渗透性变化的主要原因;所提出的数学模型可反映土体大剪切变形后孔隙比和结构变化的影响,在等向固结条件下退化为“等向固结k线”;与试验结果的对比分析表明该数学模型是实用有效的。 (3)研制了剪切接触渗流联合试验装置,进行了系列的粘性土-结构接触面剪切渗流试验,并对试验结果及机理进行了分析。结果表明:研制的剪切接触渗流联合试验装置可有效应用于粘性土-结构接触面大剪切变形后的接触渗流试验;不同的应力变形、水力坡降、接触类型及粗糙程度等条件均会对粘性土的接触渗流特性产生影响;表面缺陷及粗粒土存在时,接触面渗透性增强;对粘性土-结构接触面,当发生大剪切变形时可在临近的粘性土中产生“大剪切变形区”,从而影响粘性土-结构接触面的渗流特性。 (4)将所提出的数学模型与Biot固结理论相结合,建立了土石坝应力变形及渗流场相互作用的计算方法,并编入有限元计算程序。结合两河口高心墙堆石坝工程,进行了心墙及接触粘性土的应力变形及渗流固结分析,结果表明:所提出的数学模型和计算方法可有效地用于高心墙土石坝应力变形及渗流场相互作用的数值模拟。


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