您的位置：山东大学 -> 科技期刊社 -> 《山东大学学报（工学版）》

山东大学学报 (工学版) ›› 2023, Vol. 53 ›› Issue (3): 60-68.doi: 10.6040/j.issn.1672-3961.0.2021.598

• 土木工程 • 上一篇    下一篇

围压作用下土-结构接触渗流特性

刘健1(),杨浩2,崔晓琳3   

  1. 1. 山东大学齐鲁交通学院, 山东 济南 250061
    2. 山东大学土建与水利学院, 山东 济南 250002
    3. 黄河水利委员会山东黄河河务局, 山东 济南 250011
  • 收稿日期:2021-12-07 出版日期:2023-06-20 发布日期:2023-07-07
  • 作者简介:刘健(1975—)，男，山东梁山人，博士，教授，博导，主要研究方向为结构计算分析。E-mail：lj75@sdu.edu.cn

Seepage characteristics of soil-structure contact under confining pressure

Jian LIU1(),Hao YANG2,Xiaolin CUI3   

  1. 1. School of Qilu Transportation, Shandong University, Jinan 250061, Shandong, China
    2. School of Civil Engineering, Shandong University, Jinan 250002, Shandong, China
    3. Yellow River Shandong Bureau of Yellow River Conservancy Commission of the Ministry of Water Resources, Jinan 250011, Shandong, China
  • Received:2021-12-07 Online:2023-06-20 Published:2023-07-07

RichHTML

4

PDF (PC)

81

摘要：

针对土与结构接触渗流过程中颗粒流失问题, 基于渗流和围压联合作用下接触渗流破坏试验装置, 试验研究黏粒质量分数、围压、接触面粗糙程度3种因素对该条件下颗粒冲蚀过程的影响效果。渗流和围压联合作用下土-结构接触面颗粒冲蚀呈现渗流稳定阶段、颗粒迁移阶段、颗粒冲蚀阶段3个阶段。通过多因素方差分析计算3种因素对土-结构接触面颗粒冲蚀各条件指标的影响, 在95%置信区间内黏粒质量分数的影响性最大, 围压次之, 粗糙度最小; 采用准牛顿法进行公式拟合后, 提出接触面颗粒冲蚀条件影响公式。本研究成果可为含接触面基础设施设计提供数据支撑。

关键词: 接触渗流, 围压, 影响分析, 颗粒冲蚀, 破坏条件

Abstract:

To study the problem of particle loss in the process of contact seepage between soil-structure, a contact seepage failure test device under the combined action of seepage and pressure was designed. The effects of clay mass fraction, confining pressure and roughness of contact surface on particle erosion process under this condition were studied by experimental research. Under the combined action of seepage and pressure, three-stage phenomenon of particle erosion in contact seepage were appeared, which was seepage stability stage, particle migration stage and particle erosion stage respectively. The influence parameters of roughness, clay mass fraction and confining pressure on the particle erosion conditions of soil-structure interface were analyzed by multifactor analysis of variance. Considering the 95% confidence interval, the degree of influence, from large to small, was as follows: clay mass fraction, confining pressure, roughness. After fitting the formula by Quasi-Newton method, the formula of hydraulic conditions of particle erosion was put forward. The results could provide data support for infrastructure design with contact surface.

Key words: contact seepage, confining pressure, effect analysis, particle erosion, failure condition

中图分类号: 

  • TU43

图1

土-结构接触面渗透试验装置"

图2

试样及加载示意图"

表1

土样材料配比"

黏粒质量分数/% 不同颗粒粒径的石英粉质量分数/%
5 μm≤r＜7.5 μm 7.5 μm≤r＜12 μm 12 μm≤r＜18 μm 18 μm≤r＜35 μm 35 μm≤r＜75 μm
5 45 20 10 10 10
9 41 20 10 10 10
12 38 20 10 10 10
15 35 20 10 10 10

表2

各类配比土样材料参数表"

土样编号 黏粒质量分数/% 塑限/% 液限/% 塑性指数 液性指数(含水率20%)
1-1 5 20.85 31.47 10.62 -0.08
1-2 9 20.66 32.18 11.52 -0.06
1-3 12 20.29 33.23 12.94 -0.02
1-4 15 19.88 34.46 14.57 0.01

表3

表面粗糙度处理标定参数"

编号 砂径/μm 压力/kPa 粗糙度/μm
1 1 000~1 250 600 75
2 630~800 600 65
3 630~800 400 55
4 500~630 400 45
5 1 000~1 250 300 35
6 630~800 300 20

表4

渗流和围压联合作用下渗透试验工况"

工况 试验因素
粗糙度/μm 黏粒质量分数/% 围压/kPa
1 55 5 50
2 55 5 80
3 55 5 120
4 55 5 150
5 55 9 50
6 55 9 80
7 55 9 120
8 55 9 150
9 55 12 50
10 55 12 80
11 55 12 120
12 55 12 150
13 55 15 50
14 55 15 80
15 55 15 120
16 55 15 150
17 35 15 120
18 65 15 120
19 75 15 120

图3

工况3、15、19试验结果"

表5

各条件指标对应试验结果"

工况 迁移水力/kPa 冲蚀水力/kPa 切向变形/mm 法向变形/mm
1 15 29 0.49 31.69
2 27 32 0.53 26.35
3 30 42 0.47 23.38
4 35 40 0.51 21.86
5 17 50 0.03 1.40
6 32 69 0.10 7.96
7 33 71 0.24 14.98
8 42 77 0.42 15.98
9 32 58 0.00 0.46
10 50 70 0.01 0.08
11 57 77 0.20 8.22
12 62 80 0.32 11.54
13 37 58 0.00 0.13
14 57 86 0.05 0.32
15 72 109 0.17 6.09
16 100 126 0.26 10.10
17 62 107 0.18 9.41
18 87 113 0.08 2.18
19 106 115 0.04 0.92

表6

迁移水力条件各因素方差分析表"

来源 偏差平方和 自由度 均方和 F
因素A 4 658.60 3 1 552.87 2.52
因素B 1 504.03 3 501.34 0.81
因素C 802.29 3 267.43 0.43
误差 5 547.61 9 616.40
总偏差 12 512.53 18

表7

冲蚀水力条件各因素方差分析表"

来源 偏差平方和 自由度 均方和 F
因素A 4 304.85 3 1 434.95 1.58
因素B 2 313.68 3 771.23 0.85
因素C 740.74 3 246.91 0.27
误差 8 165.26 9 907.25
总偏差 15 524.53 18

表8

切向变形条件各因素方差分析表"

来源 偏差平方和 自由度 均方和 F
因素A 0.054 3 0.018 0.35
因素B 0.100 3 0.033 0.65
因素C 0.030 3 0.010 0.19
误差 0.465 9 0.052
总偏差 0.650 18

表9

法向变形条件各因素方差分析表"

来源 偏差平方和 自由度 均方和 F
因素A 150.94 3 28.260 0.37
因素B 307.03 3 176.301 0.76
因素C 63.29 3 127.449 0.16
误差 1 219.71 9 40.317
总偏差 1 740.97 18

图4

黏粒质量分数对各条件指标影响趋势"

图5

围压对各条件指标影响趋势"

图6

粗糙度对各条件指标影响趋势σ=120 kPa、wC=15%时"

1 夏红春, 周国庆. 土-结构接触面剪切力学特性及其影响因素试验[J]. 中国矿业大学学报, 2010, 39 (6): 831- 836.
XIA Chunhong , ZHOU Guoqing . Experimental study of the shear mechanical characteristics at a soil-structure interface and the factors affecting them[J]. Journal of China University of Mining Technology, 2010, 39 (6): 831- 836.
2 张嘎, 张建民. 粗粒土与结构接触面的可逆性与不可逆性剪胀规律[J]. 岩土力学, 2005, (5): 699- 704.
doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2005.05.005
ZHANG Ga , ZHANG Jianmin . Reversible and irreversible dilatancy of soil-structure interface[J]. Rock and Soil Mechanics, 2005, (5): 699- 704.
doi: 10.3969/j.issn.1000-7598.2005.05.005
3 DESAI S , PRADHAN K , COHEN D . Cyclic testing and constitutive modeling of satu-rated sand-concrete interfaces using the disturbed state concept[J]. International Journal of Geomechanics, 2005, 5 (4): 286- 294.
doi: 10.1061/(ASCE)1532-3641(2005)5:4(286)
4 周爱兆, 卢廷浩, 丁明武, 等. 接触面等应力增量比路径单剪试验及模型研究[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2009, 41 (4): 76- 81.
ZHOU Aizhao , LU Tinghao , DING Mingwu , et al. Simple shear test and model study of interface under constant stress increment ratio stress paths[J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2009, 41 (4): 76- 81.
5 YOSHIMI Y , KISHIDA T . A ring torsion apparatus for evaluating friction between soil and metal surfaces[J]. Geotechnical Testing Journal, 1981, 4 (4): 145- 452.
doi: 10.1520/GTJ10783J
6 REBOUL N , VINCENS E , CAMBOU B . A computational procedure to assess the distribution of constriction sizes for an assembly of spheres[J]. Computers & Geotechnics, 2010, 37 (1): 195- 206.
7 BEGUIN R , PHILIPPE P , FAURE Y H . Pore-scale flow measurements at the interface between a sandy layer and a model porous medium: application to statistical modeling of contact erosion[J]. Journal of Hydraulic Engineering ASCE, 2013, 139 (1): 1- 11.
doi: 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000641
8 朱亚军, 彭君, 陈群. 砂砾石与黏土的接触冲刷试验研究[J]. 岩土工程学报, 2016, 38 (增刊2): 92- 97.
ZHU Yajun , PENG Jun , CHEN Qun . Contact scouring tests on sandy gravel and cohesive soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2016, 38 (Suppl.2): 92- 97.
9 陈群, 彭君, 朱分清. 砂砾石与砂接触冲刷试验研究[J]. 岩土力学, 2016, 37 (增刊1): 295- 300.
CHEN Qun , PENG Jun , ZHU Fenqing . Experimental study of contact scouring between sandy gravel and sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2016, 37 (Suppl.1): 295- 300.
10 KIM H , PARK J , SHIN J . Flow behavior and piping potential at the soil-structure interface[J]. Geotechnique, 2018, 69 (1): 1- 6.
11 岳秀丽. 土与混凝土接触渗流破坏试验及数值模拟研究[D]. 济南: 山东大学, 2017.
YUE Xiuli. Tests and numerical simulation on seepage failure of contact surface between soil and concrete[D]. Jinan: Shandong University, 2017.
12 XIE Quanyi , LIU Jian , HAN Bo , et al. Experimental and numerical investigation of bottom outlet leakage in earth-fill dams[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2019, 33 (3): 1- 12.
13 陈建生, 刘建刚, 焦月红. 接触冲刷发展过程模拟研究[J]. 中国工程科学, 2003, 5 (7): 33- 39.
CHEN Jiansheng , LIU Jiangang , JIAO Yuehong . Simulation study of contact scour development process[J]. Engineering Science, 2003, 5 (7): 33- 39.
14 雷红军, 刘中阁, 于玉贞, 等. 黏土-结构接触面大剪切变形后渗流特性试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32 (4): 1040- 1044.
LEI Hongjun , LIU Zhongge , YU Yuzhen , et al. Experimental study of seepage characteristics of clayey soil-structure interface under large shear deformation[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32 (4): 1040- 1044.
15 张力, 梁发云, 王琛. 水平渗流作用下无黏性土接触冲刷细颗粒起动机理分析[J]. 工程力学, 2021, 38 (5): 143- 150.
ZHANG Li , LIANG Fayun , WANG Chen . Fine soil particle entrainment induced by contact erosion between cohesionless soil layers under horizontal seepage condition[J]. Strategic Study of CAE, 2021, 38 (5): 143- 150.
16 崔晓琳. 压力渗流耦合作用下土与结构接触面渗流破坏条件研究[D]. 济南: 山东大学, 2020.
CUI Xiaolin. Study on seepage failure criteria of soil-structure interface under pressure-seepage coupling[D]. Jinan: Shandong University, 2020.
17 高文静. 细粒土渗透特性的影响因素试验研究[D]. 西安: 西安理工大学, 2018.
GAO Wenjing. Influence of clay particles on soil permeability[D]. Xi'an: Xi'an University of Technology, 2018.
18 焦浩然. 应力状态下细粒土的渗透性试验研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2020.
JIAO Haoran. Experimental study on permeability of fine-grained soil under different stress states[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2020.
19 谈家诚, 沈振中, 张宏伟, 等. 考虑黏土-结构接触变形的剪切-渗流耦合试验[J]. 岩土工程学报, 2022, 44 (9): 1679- 1688.
TAN Jiacheng , SHEN Zhenzhong , ZHANG Hongwei , et al. Shear-seepage coupling experimental study on clayey soil-structure interface under contact deformation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2022, 44 (9): 1679- 1688.
20 成浩, 王晅, 张家生, 等. 考虑粗糙度影响的不同土与混凝土界面大型直剪试验研究[J]. 工程科学与技术, 2019, 51 (5): 117- 125.
CHENG Hao , WANG Xuan , ZHANG Jiasheng , et al. Large-scale direct shear tests of interfaces between different soils and concrete considering roughness effect[J]. Advanced Engineering Sciences, 2019, 51 (5): 117- 125.
21 陆勇, 周国庆, 夏红春, 等. 中、高压下粗粒土-结构接触面特性受结构面形貌尺度影响的试验研究[J]. 岩土力学, 2013, 34 (12): 3491- 3499.
[1] 郑卫琴,许杰,孙杰,武科. 复合地层TBM隧道管片受力特征[J]. 山东大学学报 (工学版), 2022, 52(4): 210-213.
[2] 孙杰,武科,郑扬,李树忱,袁超,王修伟. 城市地铁TBM隧道掘进诱发既有建筑物变形的空间属性效应[J]. 山东大学学报 (工学版), 2021, 51(1): 32-38.
[3] 宫嘉辰,陈士海. 高地应力下砂岩力学参数和波速变化规律试验研究[J]. 山东大学学报 (工学版), 2020, 50(3): 82-87, 97.
[4] 刘明才. 大断面小净距公路隧道施工影响分析[J]. 山东大学学报 (工学版), 2019, 49(4): 78-85.
[5] 张伟,李海涛,王剑,王莉. 砂浆模拟裂隙岩体在动静组合荷载下的SHPB试验研究[J]. 山东大学学报(工学版), 2016, 46(6): 97-104.
[6] 付昌, 蒋明镜, 申志福, 王华宁, 吴晓峰. 非饱和土动剪模量与阻尼比影响因素试验[J]. 山东大学学报(工学版), 2014, 44(5): 35-41.
[7] 孙秀玲,马惠群,项传慧,刘建生 . 拟建跨河桥梁对河道堤防的影响分析[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(4): 44-47 .
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 王素玉,艾兴,赵军,李作丽,刘增文 . 高速立铣3Cr2Mo模具钢切削力建模及预测[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 1 -5 .
[2] 张永花,王安玲,刘福平 . 低频非均匀电磁波在导电界面的反射相角[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 22 -25 .
[3] 李 侃 . 嵌入式相贯线焊接控制系统开发与实现[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 37 -41 .
[4] 施来顺,万忠义 . 新型甜菜碱型沥青乳化剂的合成与性能测试[J]. 山东大学学报(工学版), 2008, 38(4): 112 -115 .
[5] 孔祥臻,刘延俊,王勇,赵秀华 . 气动比例阀的死区补偿与仿真[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 99 -102 .
[6] 来翔 . 用胞映射方法讨论一类MKdV方程[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(1): 87 -92 .
[7] 余嘉元1 , 田金亭1 , 朱强忠2 . 计算智能在心理学中的应用[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 1 -5 .
[8] 李梁，罗奇鸣，陈恩红. 对象级搜索中基于图的对象排序模型（英文）[J]. 山东大学学报(工学版), 2009, 39(1): 15 -21 .
[9] 陈瑞,李红伟,田靖. 磁极数对径向磁轴承承载力的影响[J]. 山东大学学报(工学版), 2018, 48(2): 81 -85 .
[10] 王波,王宁生 . 机电装配体拆卸序列的自动生成及组合优化[J]. 山东大学学报(工学版), 2006, 36(2): 52 -57 .
版权所有 © 2018 《山东大学学报(工学版)》编辑部　
地址: 济南市山大南路27号（250100）　 电话: 0531-88366735　 E-mail: xbgxb@sdu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发