三向受压状态下土体的渗流－侵蚀－应力耦合管涌机理研究

管涌是涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、土体变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。本项目首先利用自行设计的三向受压状态下土体的渗流－侵蚀－应力耦合管涌试验，建立管涌耦合本构方程：细颗粒流失量与孔隙率演变的关系；土体刚度、抗剪强度分别与初始孔隙率、初始细颗粒含量、应力状态、细颗粒流失量的关系，揭示管涌发展的渗流－侵蚀－应力耦合机理。然后基于固液混合物连续介质理论和溶质运移的思想，把土体分成骨架相，水相和可动细颗粒相，将可动细颗粒相作为一种特殊溶质，建立三相质量守恒方程，结合管涌耦合本构方程、有效应力原理及固体力学基本微分方程，提出预报原状地基土体管涌发展的渗流－侵蚀－应力耦合数学模型。该模型考虑了管涌发展过程中孔隙率、渗透性、应力状态及渗流场的动态变化，反映了管涌的非稳态、渐进性破坏等重要特征。本研究为认识管涌机理提供了一种新的角度，研究成果对堤坝管涌险情的预报和有效治理具有重要意义。

项目已按照预定研究计划顺利完成，项目取得如下重要研究成果：.(1)提出了对管涌的新认识：管涌是一种涉及孔隙水渗流、可动细颗粒侵蚀运移、多孔介质变形等众多复杂力学行为的多相多场耦合现象。相关成果发表在2011年的《岩土工程学报》上。.(2)研制了渗流－侵蚀－应力耦合管涌试验装置，通过多组可重复试验验证了装置的可靠性。并对装置进行了改造，扩展了该装置的使用范围，使得该装置能够研究管涌、接触冲刷等渗透破坏现象。相关研究成果发表在2013年的《Geotechnical Testing Journal》《岩石力学与工程学报》上。.(3)利用新型试验装置开展了不同水力条件、不同围压、不同偏压、不同细颗粒料含量等一系列耦合管涌试验，研究表明，应力状态对管涌的发展过程影响巨大。围压越大，管涌临界坡降、破坏坡降越大；同一围压下，当偏压小于某一临界值时，偏压越大，管涌临界坡降、破坏坡降越大；当偏压大于某一临界值后，偏压越大，管涌临界坡降、破坏坡降越小。相关研究成果发表在2013年的《Natural Hazards》上。.(4)基于试验结果建立了渗流－侵蚀－应力耦合管涌本构方程，该方程描述了管涌发展过程中土体几何、水力及力学特性的演变规律，量化了三向受压状态下土体的渗流－侵蚀－应力耦合管涌机理。目前正在撰写相关科研论文。.(5)基于管涌耦合本构方程，土骨架相、可动细颗粒相、水相三相质量守恒方程开发了反映原状地基土体管涌发展特点的堤坝土水耦合管涌数学模型。该模型可以较真实地模拟原状地基土管涌发生－发展－破坏的全过程，为堤坝管涌险情地有效治理提供了重要的理论依据。相关研究成果发表在2013年的《International Journal of Civil Engineering》上。.通过本项目的研究，一方面，加深了对管涌发展机理的认识，为实际工程中防治管涌提供了有效的工具，另一方面，在管涌相关理论研究方面取得了一系列成果，申请人以第一作者身份发表了6篇SCI论文，4篇EI论文。申请了5项国家发明专利，获得授权一项。部分成果作为支撑材料，申请获得2011年教育部科技进步一等奖一项。