一种砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水利水电工程堤坝的设计、研究及控制的技术领域，具体地涉及一种 砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，主要用于堤坝在渗流作用下管涌侵蚀动态模 拟，及其对堤坝渗流和应力变形及安全性的影响分析。
【背景技术】
[0002] 部分江河大堤和一些水库大坝，都不可避免地坐落于渗流作用下内部不稳定的砂 砾石覆盖层上，这些堤坝在高水头渗流作用下可能发生内部管涌侵蚀，进而威胁堤坝的安 全。砂砾石土的管涌侵蚀，会改变土体的渗透性、强度和应力变形关系，导致坝基及坝体发 生变形和应力调整。因此，亟需能够定量地分析管涌侵蚀对坝基及坝体应力变形和安全性 的影响程度，而这就需要一个可以描述土体在管涌侵蚀过程中及侵蚀完成后应力应变关系 的方法，用于模拟侵蚀造成的坝基和坝体应力变形。
【发明内容】
[0003] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的缺陷，提供一种砂砾石土在管涌侵 蚀中的本构关系描述方法，其能够定量地描述土体在管涌侵蚀过程中及侵蚀完成后的应 力-应变关系，用于堤坝在渗流作用下管涌侵蚀动态模拟，及其对堤坝渗流和应力变形及 安全性的影响分析。
[0004] 本发明的技术解决方案是：这种砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，该 方法以颗粒流失量为自变量，以本构模型的强度和变形参数为因变量，通过建立模型参数 与这个自变量的关系来模拟对砂烁石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形。
[0005] 由于在渗流作用下，内部不稳定的砂砾石土，由粗颗粒构成土体的骨架，因此，在 渗流作用下部分细颗粒流失后的应力应变特性与未侵蚀时基本相同，可以用相同的模型来 模拟，侵蚀改变的是模型参数，这些参数的改变可以用颗粒流失量作为自变量，通过建立起 模型参数与这个自变量的关系实现对砂砾石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形关系， 从而能够定量地描述土体在管涌侵蚀过程中及侵蚀完成后应力应变关系，用于堤坝在渗流 作用下管涌侵蚀动态模拟，及其对堤坝渗流和应力变形及安全性的影响分析。
【附图说明】
[0006] 图Ia示出了覆盖层邓肯E-B模型的体变参数Kb与侵蚀率的关系，图Ib示出了体 变参数m与侵蚀率的关系。
[0007] 图2a示出了覆盖层邓肯E-B模型的剪切变形参数K与侵蚀率的关系，图2b示出 了剪切变形参数n与侵蚀率的关系。
[0008] 图3示出了覆盖层邓肯E-B模型的应力水平对剪切模量的影响参数Rf与侵蚀率 的关系。
【具体实施方式】
[0009] 这种砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，该方法以颗粒流失量为自变 量，以本构模型的强度和变形参数为因变量，通过建立模型参数与这个自变量的关系来模 拟对砂烁石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形。
[0010] 由于在渗流作用下，内部不稳定的砂砾石土，由粗颗粒构成土体的骨架，因此，在 渗流作用下部分细颗粒流失后的应力应变特性与未侵蚀时基本相同，可以用相同的模型来 模拟，侵蚀改变的是模型参数，这些参数的改变可以用颗粒流失量作为自变量，通过建立起 模型参数与这个自变量的关系实现对砂砾石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形关系， 从而能够定量地描述土体在管涌侵蚀过程中及侵蚀完成后应力应变关系，用于堤坝在渗流 作用下管涌侵蚀动态模拟，及其对堤坝渗流和应力变形及安全性的影响分析。
[0011] 另外，所述模型参数通过侵蚀前土样和侵蚀后细颗粒减少的土样的常规三轴试验 和侧限压缩试验来获得。
[0012] 另外，当采用邓肯E-B模型时，参数与自变量的关系的描述方式为：
[0013] C=a(l-0)b
[0014] 其中a、b为参数，P为砂砾石土颗粒侵蚀率，C是模型中的参数的统称，不同的模 型参数，以上公式中的a、b参数不相同。
[0015] 另外，管涌侵蚀流失后的土样，在未侵蚀试样配料表的基础上，扣减掉细颗粒的流 失重量制样获得。
[0016] 下面以某砂砾石土管涌过程中的应力应变关系的情况，用邓肯E-B模型为例来举 例说明。
[0017] 邓肯模型的变形参数有5个，包括体变参数kjPm，初始剪切模量参数k、n，应力 水平影响参数Rf。
[0018] 如图la、Ib所示，邓肯E-B模型的两个体变参数M5Pm用如下公式描述：
[0019] kb^a.{\-^f
[0020] m^a2{\-p)h
[0021] 其中ai、Va2、b#参数，0为砂砾石土颗粒侵蚀率。
[0022] 邓肯E-B模型的剪切模量参数与侵蚀率之间的关系无法直接建立。如图2a、2b所 示，由于初始剪切模量公式中k、n参数随着侵蚀率变化的公式如下：
[0023] k^=a.，X\-Pt'
[0024] n^aA{\-pfA
[0025] a3、b3、a4、b4S参数。
[0026] 参数Rf主要反映应力水平对剪切模量的影响。如图3所示，侵蚀量增加，Rf也是 下降的。同样假定满足如下公式：
[0027] R1
[0028] 其中a5、b5为参数，P为砂砾石土颗粒侵蚀率。
[0029] 模型参数的获得可以通过侵蚀前土样和侵蚀后细颗粒减少的土样的常规三轴试 验和侧限压缩试验来获得。
[0030] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案的保护范围。
【主权项】
1. 一种砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，其特征在于：该方法以颗粒流失 量为自变量，以本构模型的强度和变形参数为因变量，通过建立模型参数与这个自变量的 关系来模拟对砂砾石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形。2. 根据权利要求1所述的砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，其特征在于： 所述模型参数通过侵蚀前土样和侵蚀后细颗粒减少的土样的常规三轴试验和侧限压缩试 验来获得。3. 根据权利要求1或2所述的砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，其特征在 于：当采用邓肯E-B模型时，参数与自变量的关系的描述方式为： C=a(I- 0)b 其中a、b为参数，P为砂砾石土颗粒侵蚀率，C是模型中的参数的统称，不同的模型参 数，以上公式中的a、b参数不相同。4. 根据权利要求2所述的砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，其特征在于： 管涌侵蚀流失后的土样，在未侵蚀试样配料表的基础上，扣减掉细颗粒的流失重量制样获 得。
【专利摘要】本发明公开了一种砂砾石土在管涌侵蚀中的本构关系描述方法，其能够定量地描述土体在管涌侵蚀过程中及侵蚀完成后的应力-应变关系，用于堤坝在渗流作用下管涌侵蚀动态模拟，及其对堤坝渗流和应力变形及安全性的影响分析。该方法以颗粒流失量为自变量，以本构模型的强度和变形参数为因变量，通过建立模型参数与这个自变量的关系来模拟对砂砾石土不同大小的颗粒流失量时的应力变形。
【IPC分类】E02B1/00, E02B7/02
【公开号】CN105133547
【申请号】CN201510303591
【发明人】吴梦喜, 姜媛媛, 余挺, 叶发明, 张琦, 杨怀德, 王党在
【申请人】中国科学院力学研究所
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年6月5日