基于水力劈裂的粘土基坑突涌机理研究

高水头水压力可导致土石坝粘土心墙水力劈裂，也可导致粘土基坑突涌，本项目基于水力劈裂理论，结合两学科发展前沿，研究粘土基坑承压水突涌机理。.开展中型模型试验和围压卸载条件下的三轴仪中空圆柱土样水力劈裂试验，模型试验偏于宏观研究，三轴仪水力劈裂试验侧重微观分析。中型模型试验可减小时空效应影响，试验中监测水压变化、土体变形、突涌水头和突涌破坏现象，试验模型的含水砂层内灌注红墨水，每组试验完成后剖切土层，观测裂缝位置和形态。三轴仪中空圆柱土样水力劈裂试验可较好控制土体应力状态，按基坑开挖卸荷，对土样进行中孔水压恒定、围压卸载条件下的初始起裂压力和裂缝扩展研究。基于水力劈裂理论，对试验结果进行理论分析和有限元数值模拟，确定突涌土体破坏类型、初始起裂压力和临界突涌水头，揭示粘土基坑突涌机理。.研究成果可为工程地下水控制与粘土基坑突涌事故防治提供新的设计和分析方法。

项目针对粘土基坑突涌现象，基于水力劈裂破坏机理，开展了小、中、大三种类型共5组室内模型试验，结合粘土试样钻孔注水水力劈裂试验，试验结果都表明水力劈裂是致粘土基坑突涌破坏的一种主要方式。基于水力劈裂的力学分析可以阐明粘土基坑突涌破坏机理，创新性的补充了除剪切破坏之外的另一种基坑突涌破坏方式：水力劈裂破坏。.对因水力劈裂致粘土基坑突涌破坏机理的理论分析研究，突破以往基于圆孔扩张理论、球孔扩张理论和真三轴应力状态开展水力劈裂起始压力研究的方式，建立普遍适用的偏微分方程控制体系，包括有效应力表达方程、应力平衡方程、稳态时孔隙水压力满足的Laplace方程、弹塑性本构方程、剪切破坏和拉伸破坏时的屈服法则、相关联及非相关联的流动法则。按照以上普遍适用的控制方程，运用复变势函数和Muskhelishvili提出的方法可以得到稳定状态时的应力通解，根据边界条件和保形映射理论，最终可得到不同边界条件下的起始水力劈裂压力及水力劈裂破坏方式。.对粘土基坑因水力劈裂致突涌的室内模型试验，应用Plaxis-3D进行了数值分析，数值模拟结果可以反映出应力场的变化，基本符合试验现象。探索了应用有限差分方法，基于以上建立的偏微分方程控制体系，用Matlab编写数值计算程序，进行数值分析，针对某一点处水压力升高时产生的破坏现场，可以得到较好的计算结果。.在项目资助下，通过以上研究，目前已发表文章5篇，其中4篇被EI检索，还有4篇文章已投稿及2篇文章在撰写。获得国家发明专利4项，申请发明专利和实用新型专利6项。参加国内学术会议2次。项目负责人在研期间晋升副教授职称，协助培养1名硕士研究生毕业，目前培养2名硕士研究生在读。