一種砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水利水電工程堤壩的設(shè)計、研究及控制的技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種 砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，主要用于堤壩在滲流作用下管涌侵蝕動態(tài)模 擬，及其對堤壩滲流和應(yīng)力變形及安全性的影響分析。
【背景技術(shù)】
[0002] 部分江河大堤和一些水庫大壩，都不可避免地坐落于滲流作用下內(nèi)部不穩(wěn)定的砂 礫石覆蓋層上，這些堤壩在高水頭滲流作用下可能發(fā)生內(nèi)部管涌侵蝕，進(jìn)而威脅堤壩的安 全。砂礫石土的管涌侵蝕，會改變土體的滲透性、強(qiáng)度和應(yīng)力變形關(guān)系，導(dǎo)致壩基及壩體發(fā) 生變形和應(yīng)力調(diào)整。因此，亟需能夠定量地分析管涌侵蝕對壩基及壩體應(yīng)力變形和安全性 的影響程度，而這就需要一個可以描述土體在管涌侵蝕過程中及侵蝕完成后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系 的方法，用于模擬侵蝕造成的壩基和壩體應(yīng)力變形。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種砂礫石土在管涌侵 蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其能夠定量地描述土體在管涌侵蝕過程中及侵蝕完成后的應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系，用于堤壩在滲流作用下管涌侵蝕動態(tài)模擬，及其對堤壩滲流和應(yīng)力變形及 安全性的影響分析。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：這種砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，該 方法以顆粒流失量為自變量，以本構(gòu)模型的強(qiáng)度和變形參數(shù)為因變量，通過建立模型參數(shù) 與這個自變量的關(guān)系來模擬對砂爍石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形。
[0005] 由于在滲流作用下，內(nèi)部不穩(wěn)定的砂礫石土，由粗顆粒構(gòu)成土體的骨架，因此，在 滲流作用下部分細(xì)顆粒流失后的應(yīng)力應(yīng)變特性與未侵蝕時基本相同，可以用相同的模型來 模擬，侵蝕改變的是模型參數(shù)，這些參數(shù)的改變可以用顆粒流失量作為自變量，通過建立起 模型參數(shù)與這個自變量的關(guān)系實現(xiàn)對砂礫石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形關(guān)系， 從而能夠定量地描述土體在管涌侵蝕過程中及侵蝕完成后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，用于堤壩在滲流 作用下管涌侵蝕動態(tài)模擬，及其對堤壩滲流和應(yīng)力變形及安全性的影響分析。
【附圖說明】
[0006] 圖Ia示出了覆蓋層鄧肯E-B模型的體變參數(shù)Kb與侵蝕率的關(guān)系，圖Ib示出了體 變參數(shù)m與侵蝕率的關(guān)系。
[0007] 圖2a示出了覆蓋層鄧肯E-B模型的剪切變形參數(shù)K與侵蝕率的關(guān)系，圖2b示出 了剪切變形參數(shù)n與侵蝕率的關(guān)系。
[0008] 圖3示出了覆蓋層鄧肯E-B模型的應(yīng)力水平對剪切模量的影響參數(shù)Rf與侵蝕率 的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0009] 這種砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，該方法以顆粒流失量為自變 量，以本構(gòu)模型的強(qiáng)度和變形參數(shù)為因變量，通過建立模型參數(shù)與這個自變量的關(guān)系來模 擬對砂爍石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形。
[0010] 由于在滲流作用下，內(nèi)部不穩(wěn)定的砂礫石土，由粗顆粒構(gòu)成土體的骨架，因此，在 滲流作用下部分細(xì)顆粒流失后的應(yīng)力應(yīng)變特性與未侵蝕時基本相同，可以用相同的模型來 模擬，侵蝕改變的是模型參數(shù)，這些參數(shù)的改變可以用顆粒流失量作為自變量，通過建立起 模型參數(shù)與這個自變量的關(guān)系實現(xiàn)對砂礫石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形關(guān)系， 從而能夠定量地描述土體在管涌侵蝕過程中及侵蝕完成后應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，用于堤壩在滲流 作用下管涌侵蝕動態(tài)模擬，及其對堤壩滲流和應(yīng)力變形及安全性的影響分析。
[0011] 另外，所述模型參數(shù)通過侵蝕前土樣和侵蝕后細(xì)顆粒減少的土樣的常規(guī)三軸試驗 和側(cè)限壓縮試驗來獲得。
[0012] 另外，當(dāng)采用鄧肯E-B模型時，參數(shù)與自變量的關(guān)系的描述方式為：
[0013] C=a(l-0)b
[0014] 其中a、b為參數(shù)，P為砂礫石土顆粒侵蝕率，C是模型中的參數(shù)的統(tǒng)稱，不同的模 型參數(shù)，以上公式中的a、b參數(shù)不相同。
[0015] 另外，管涌侵蝕流失后的土樣，在未侵蝕試樣配料表的基礎(chǔ)上，扣減掉細(xì)顆粒的流 失重量制樣獲得。
[0016] 下面以某砂礫石土管涌過程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的情況，用鄧肯E-B模型為例來舉 例說明。
[0017] 鄧肯模型的變形參數(shù)有5個，包括體變參數(shù)kjPm，初始剪切模量參數(shù)k、n，應(yīng)力 水平影響參數(shù)Rf。
[0018] 如圖la、Ib所示，鄧肯E-B模型的兩個體變參數(shù)M5Pm用如下公式描述：
[0019] kb^a.{\-^f
[0020] m^a2{\-p)h
[0021] 其中ai、Va2、b#參數(shù)，0為砂礫石土顆粒侵蝕率。
[0022] 鄧肯E-B模型的剪切模量參數(shù)與侵蝕率之間的關(guān)系無法直接建立。如圖2a、2b所 示，由于初始剪切模量公式中k、n參數(shù)隨著侵蝕率變化的公式如下：
[0023] k^=a.，X\-Pt'
[0024] n^aA{\-pfA
[0025] a3、b3、a4、b4S參數(shù)。
[0026] 參數(shù)Rf主要反映應(yīng)力水平對剪切模量的影響。如圖3所示，侵蝕量增加，Rf也是 下降的。同樣假定滿足如下公式：
[0027] R1
[0028] 其中a5、b5為參數(shù)，P為砂礫石土顆粒侵蝕率。
[0029] 模型參數(shù)的獲得可以通過侵蝕前土樣和侵蝕后細(xì)顆粒減少的土樣的常規(guī)三軸試 驗和側(cè)限壓縮試驗來獲得。
[0030] 以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依 據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發(fā)明 技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其特征在于：該方法以顆粒流失 量為自變量，以本構(gòu)模型的強(qiáng)度和變形參數(shù)為因變量，通過建立模型參數(shù)與這個自變量的 關(guān)系來模擬對砂礫石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其特征在于： 所述模型參數(shù)通過侵蝕前土樣和侵蝕后細(xì)顆粒減少的土樣的常規(guī)三軸試驗和側(cè)限壓縮試 驗來獲得。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其特征在 于：當(dāng)采用鄧肯E-B模型時，參數(shù)與自變量的關(guān)系的描述方式為： C=a(I- 0)b 其中a、b為參數(shù)，P為砂礫石土顆粒侵蝕率，C是模型中的參數(shù)的統(tǒng)稱，不同的模型參 數(shù)，以上公式中的a、b參數(shù)不相同。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其特征在于： 管涌侵蝕流失后的土樣，在未侵蝕試樣配料表的基礎(chǔ)上，扣減掉細(xì)顆粒的流失重量制樣獲 得。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種砂礫石土在管涌侵蝕中的本構(gòu)關(guān)系描述方法，其能夠定量地描述土體在管涌侵蝕過程中及侵蝕完成后的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，用于堤壩在滲流作用下管涌侵蝕動態(tài)模擬，及其對堤壩滲流和應(yīng)力變形及安全性的影響分析。該方法以顆粒流失量為自變量，以本構(gòu)模型的強(qiáng)度和變形參數(shù)為因變量，通過建立模型參數(shù)與這個自變量的關(guān)系來模擬對砂礫石土不同大小的顆粒流失量時的應(yīng)力變形。
【IPC分類】E02B1/00, E02B7/02
【公開號】CN105133547
【申請?zhí)枴緾N201510303591
【發(fā)明人】吳夢喜, 姜媛媛, 余挺, 葉發(fā)明, 張琦, 楊懷德, 王黨在
【申請人】中國科學(xué)院力學(xué)研究所
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年6月5日