管道破损引发渗流侵蚀过程的模型试验

城市道路下方埋设的市政管道发生破损后会引发渗流侵蚀并最终导致道路沉陷。针对此问题,本文建立了模拟管道破损引发渗流侵蚀的模型试验。试验结果表明,从地表以下由浅至深,土体受侵蚀区域可分为流动区域,粗粒化区域与空洞区域,其中前两者的范围大于第三者。水流失量与砂土流失量呈对数关系;空洞区域面积与砂土流失量呈线性关系,且低水位工况下单位砂土流失量所诱发的空洞区域面积大于高水位工况。同时,受不饱和区域及粗粒化区域中流失通道堵塞的影响,变水位工况中受侵蚀区域面积及水土流失量均小于相同水头高度下的恒水位工况。受侵蚀区域的土体贯入强度大幅降低(60%~80%),且其降低幅度受流动区域及粗粒化区域影响较大,受空洞区域影响较小。     

宽级配粗粒土的内部侵蚀试验及其稳定性判别

强降雨入渗条件下宽级配粗粒土中的细颗粒会由于孔隙流体的作用发生内部侵蚀。细颗粒的运移改变了土体的微观结构,土体的水力、力学性质随之变化。利用自行研发的刚性壁渗流侵蚀实验装置,对颗粒粒径介于0.002～10 mm的9种间断及连续颗粒级配粗粒土试样进行渗流侵蚀试验,提出一种新的基于试验的内部稳定性判别标准。实验结果表明:对于宽级配粗颗粒土,内部侵蚀改变了土体的渗透系数,最终导致渗透系数下降;粗颗粒的缺失导致内部稳定性降低,渗流作用下,连续颗粒级配土也可能是内部不稳定土;侵蚀土颗粒累计质量可以度量土体内部稳定性,在容许水力梯度范围内侵蚀量超过总质量5%的土体可划分为内部不稳定土;Kezdi几何标准更适用于评价宽级配粗粒土的内部稳定性。     

交通荷载下城市路面塌陷问题的试验研究

地下管线渗漏与交通荷载是引起城市道路塌陷的重要原因。本文采用8组室内缩尺模型试验,考虑了荷载类型、管线埋深、管线与流失通道间距、管线与流失通道相对位置和流失通道形成时间等因素,研究了管线渗漏引起的路面坍塌问题。试验结果表明:当流失通道形成较晚时下伏侵蚀空洞呈球形,其余情况下侵蚀空洞形状皆为漏斗形;仅有静荷载作用时,达到最终破坏的时间比仅有动荷载作用时要长;较小的动荷载,能增加渗漏管线上方土体的稳定性,而较大的动荷载则加快了路面塌陷过程;随着流失通道形成时间的增加,形成侵蚀空洞尺寸就越大,地表越容易塌陷;随着流失通道与管线的间距增加,最终路面破坏时长也增加;位于管线上方的土层厚度越大,地下空洞尺寸和地表沉降就越小。     

堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀试验与分析

堤(坝)基中往往存在局部浅层强透水层,其削减水头能力较弱,易发生管涌等侵蚀破坏,其破坏机理仍需深入探究。文中采用砂槽模拟堤(坝)基中浅层强透水层上覆砂层侵蚀情况,通过改变水位来观测堤(坝)基中砂土细颗粒流失现象,获取渗流量、渗透坡降、土体颗粒级配、锥头阻力等参数。试验表明,水位增至48 cm时浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,破坏过程分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段、较细颗粒流失阶段、管涌破坏扩大阶段。此外还发现,随着砂土中细颗粒砂土的流失,堤(坝)基的锥头阻力降低而发生沉降;细颗粒砂土流失导致其孔隙率和渗透系数增大,渗流场和应力场发生较大变化,研究成果能为堤(坝)基中浅层强透水层情况提供理论支撑。     

邻近管线的类矩形盾构隧道施工室内模型试验研究

关于盾构隧道施工引起管线变形和土层沉降的影响,相对于传统圆形盾构,类矩形盾构施工的研究较为少见,具有一定的新颖性。针对类矩形盾构隧道施工对邻近地下管线及土体沉降的影响,采用室内缩尺寸模型试验,考虑正常管线,非连续管线,非连续破损管线以及4种不同深度处的土体沉降的因素,分析砂土地层中,在管隧垂直工况下,类矩形盾构隧道开挖对地下管线变形及土体沉降的影响。试验结果表明:几种形式的地下管线沉降变形规律一致,均关于隧道轴线对称,呈"V"型分布;非连续管线最大沉降小于连续管线,管线两端在隧道宽度范围外的沉降大于连续管线;非连续管线弯矩变化趋势比连续管线缓和,最大正负弯矩值均小于连续管线;非连续破损管线在管线两侧负向弯矩变化较大;深层土体沉降符合高斯分布,土体最大沉降随土层埋深增加呈正比关系增大。     

盾构隧道施工对近接管线影响参数研究

城市地铁隧道盾构施工过程中,由于地层损失引起周围土体变形,从而造成既有近接管线中产生附加应力。过大的附加应力会导致管线破坏,对城市运行造成较大影响。本文采用ABAQUS有限元计算平台,建立了不同工况下隧道与既有近接管线垂直情况下有限元计算模型,对管隧距离、管线材料以及管线直径进行研究,探索其对周围地下管线及其土体变形特性的影响规律。结果表明随着管隧距离的减小,管线及其周围土体的沉降量逐渐增大;随着管线弹性模量的增加,管线及其周围土体的沉降量逐渐减小;随着管线直径的增大,管线及其周围土体的沉降量亦逐渐减小。     

地下渗漏条件下地基与隧洞响应的离心模型试验研究

地下管线的渗漏会导致路面发生沉降，威胁着周围土体和相邻结构的安全。采用离心模型试验方法探究了地下渗漏条件下周围土体与结构的响应。通过测定土体含水率变化以获取渗流场信息，通过应变片测量隧洞的应力应变响应。随着渗漏量的积累，土体含水率先上升后达到稳定，而应变与沉降持续增长。渗漏对沉降产生影响的土体局限在一定范围内，沉降影响区增长速度随渗漏积累逐渐放缓。初期影响区形状呈现倒锥形。随着渗漏量的增大，影响区基本充满隧洞上部并扩散至下部，影响区的面积在隧道下部增长缓慢，且边界面接近水平。土体的不均匀沉降导致临近的隧洞产生弯矩，弯矩的增长先快后慢，与土体的沉降变化规律相近。     

循环荷载下染色标定砂土内部侵蚀试验研究

内部侵蚀是造成堤防、大坝、路基等诸多结构失稳的主要原因之一。现有对土体内部侵蚀特性的研究大多基于静态加载,且无法定量描述细颗粒迁移的相关规律。为此,采用自主研发的土体渗透试验装置,对2组不同级配的染色标定砂土开展循环荷载作用下的内部侵蚀试验,探究循环荷载下砂土内部侵蚀过程中的水力响应机制,并定量描述流失颗粒的粒径组成及成分来源。试验结果表明:循环荷载–水头作用下,在现有土体稳定性判别方法中表现为稳定土体的试样A仍发生了一定质量的颗粒流失,之后又会达到新的平衡状态;而表现为不稳定土体的试样B则会发生持续且显著的颗粒流失,渗透系数显著增加。随着外部水头的提升,流失颗粒平均粒径逐渐增大、且流失颗粒所来源于土层逐渐加深。循环荷载–水头作用下,砂土试样间产生上下波动的孔隙水压力,在各层位间形成振荡的水力梯度,从而影响土体内部稳定性。研究结果加深了对内部侵蚀特性的认识,为完善相关病害的发展机制研究提供理论与试验支撑。     

含浅层强透水层堤基的上覆砂层管涌破坏试验研究

堤基中往往存在局部浅层强透水层并形成渗流优先通道,该通道不能大幅度削减流体的水头势能,易引起堤基管涌破坏,此类堤基管涌破坏机理的研究尚不明朗,仍需进一步研究。采用砂槽试验模拟堤基渗流,试验中通过抬升水箱水位,观察砂土中细颗粒流失现象,并分析渗流量、渗透坡降、测压管水头、砂土颗粒级配、锥头阻力、沉降量等关键参数。试验结果表明,水箱水位增大至48cm,浅层强透水层上覆砂层被"击穿"发生管涌破坏,管涌破坏分为稳定渗流阶段、细颗粒流失阶段(0.05d≤0.075粒级砂土流失)、较细颗粒流失阶段(0.075d≤0.1粒级砂土流失)、管涌破坏扩大阶段(0.1d≤0.25粒级砂土流失)。管涌破坏过程中,细颗粒砂土流失,锥头阻力降低,砂土层发生沉降,且较细颗粒流失阶段的沉降较为突出。细颗粒砂土流失导致砂土层孔隙率和渗透系数上升,渗流量和渗透坡降随之增大。     

顶管施工中相邻垂直交叉地下管线变形的三维有限元分析

顶管施工引起的管道周围土体移动会对相邻地下管线造成危害。采用三维有限元分析了顶管施工引起的相邻垂直交叉地下管线变形，研究了离顶管距离的远近、注浆、纠偏、不同管材、地下管线埋深、管线与土体弹性模量比等因素对地下管线位移的影响。研究表明：地下管线产生的竖向位移远大于水平位移，当顶管开挖面通过地下管线2m时，地下管线产生的竖向位移达到最大；顶管向地下管线侧纠偏是引起地下管线变形的主要原因；地下管线弹性模量越小，产生的位移越大。地下管线周围土体的弹性模量大小对位移有很大影响，可以通过注浆等方法加固土体以减小地下管线的位移。     

Strength reduction of cohesionless soil due to internal erosion induced by one-dimensional upward seepage flow

Suffusion, one of the modes of internal erosion, has been widely detected in both natural deposits and filled structures. It is the phenomenon that the fine particles in soil gradually migrate through the voids between the coarse particles, leaving behind the soil skeleton. In this paper, the main focus is on the changes in soil strength due to internal erosion. A series of one-dimensional upward seepage tests at a constant water head is performed to cause internal erosion in a soil sample by controlling the three variable parameters, namely (a) the fine content, (b) the relative density of the soil, and (c) the maximum imposed hydraulic gradient on the specimen. The mechanical consequences of the internal erosion are examined by cone penetration tests. The internal erosion indicated by the loss of fine particles causes changes in the void ratio and a significant increase in hydraulic conductivity, resulting in a decrease in the soil strength from its initial value.     

不同管片张开量下隧道外水土流失规律试验研究

盾构隧道管片接缝漏水并导致管片外土体侵蚀、甚至发生漏水漏砂,是富水砂层中盾构隧道安全的主要风险。设计了一种模拟管片在不同张开量下土体流失状态的试验设备,对福建标准砂和天津典型细砂在不同管片张开量及水压下的土体流失状态进行了试验研究。试验揭示了管片外砂土逐步流失的机理,发现不考虑土颗粒作用的传统水密性试验会高估弹性密封垫的防水性能;提出了临界侵蚀张开量的理论公式,并通过试验结果初步验证了其合理性。研究表明,临界侵蚀张开量与土颗粒竖向所受应力和土层厚度成一次正比关系,与缝隙处水头、土体孔隙率成一次反比关系;当土体通过管片缝隙发生侵蚀后,侵蚀质量与管片张开量和水压成正比,与缝隙周围的有效应力大小成反比,侵蚀使福建标准砂级配曲线变得更加平缓;针对福建标准砂及天津细砂,提出了便于实际应用的考虑水压及管片张开量的土体流失状态评估方法。     

Lateral instability and tunnel erosion of a submarine pipeline: competition mechanism

In submarine geological and hydrodynamic environments, either tunnel erosion or lateral instability could be initiated where there is a shallowly embedded pipeline. Unlike previous studies on the tunnel erosion of sand and the lateral instability of pipelines, in this study we performed correlation analyses on the competition mechanism for these two physical processes. By correlating the critical flow velocities of these two processes, the instability envelope for the pipe–soil interaction system is established, which can be described using three key parameters: the embedment-to-diameter ratio, the dimensionless submerged weight of the pipe, and the corresponding critical flow velocity. The analysis procedure is further proposed to first determine the instability mechanism and then the critical velocity of ocean currents. Our parametric study indicates that tunnel erosion is more prone to emerging than lateral instability with small embedment-to-diameter ratio values. With increasing pipeline embedment, tunnel erosion can be suppressed and lateral instability therefore occurs more frequently. Moreover, for light pipelines, lateral instability is more likely to be triggered than tunnel erosion.     

松散砂层中大直径顶管引发塌陷的分析及处置

顶管作为一种良好的非开挖工艺,在各类城市地下管线的实施中越来越常见。各类复杂地质条件往往给顶管的顺利实施形成了制约,特别是高含水松散砂层中的顶管施工,屡屡发生顶管本体事故或对周边环境造成破坏。本文结合某大直径顶管在高含水松散粉细砂层中的顶进时引发地层塌陷的工程实例,分析了地层塌陷产生的原因,并结合地质条件、场地限制和施工技术,采取了有针对性的处置措施,保障了工程的顺利进展。最后针对高含水松散砂层中的顶管设计及施工提出了建议,对类似工程具有一定的借鉴意义。     

黄河水源DN2000给水管线穿越汾河设计简介

通过大管径给水管线穿越河流的工程实例，阐述了给水管线在遇到河道冲刷、地基土液化、高覆土等不良的工程条件下的设计方案；根据高覆土的特殊情况，提出了采用复合管道结构——包封，详细介绍了其做法，并进一步介绍了钢管壁厚的计算、地基土液化处理方法及抗冲刷处理方法。     

地下管道破损诱发沉降的预测模型及试验验证

设计了一套富水砂层中管道破损诱发地面沉降的试验系统,对骨架粒径d90=1.45~8.45 mm的11种土样,在6种渗透比降和管道满流流速下,土体渗流侵蚀诱发地面沉降的规律进行了研究。在此基础上,提出了地下管道破损诱发地面沉降的预测模型。研究表明:(1)富水砂层中管道破损是否会诱发沉降,主要由土体骨架粒径d90、破损口直径D和厚跨比hs/D决定;发生沉降的土体骨架粒径d90最大值,需同时满足破损口直径D和厚跨比hs/D两个条件,并取两者中的较小值;(2)富水砂层中管道破损诱发沉降的区域平面上呈圆形、剖面上呈倒置三角形,坡面角与土体饱和内摩擦角接近;沉降区顶面半径和沉降深度随满流流速u和渗透比降hw/hs的增加而增大,随厚跨比hs/D的增大而减小;(3)在曼宁公式基础上推导出的沉降半径、沉降深度预测公式,规律上与试验结果一致,数值上与试验结果接近,可用于富水砂层中管道破损诱发地面沉降的预测。     

大口径顶管地下T形对接技术

上海市污水治理白龙港区域南线输送干管的某顶管工作坑施工占用道路面积大,决定采用顶管地下T形对接技术。介绍了大口径顶管地下T形对接的工艺流程。通过对大管径顶管南侧、管周双液注浆及对接点侧向封堵等3次加固,基本杜绝了因对接点结合不严密而导致的水土流失对周边道路及构筑物的影响。最后,简单介绍了内衬管节浇筑施工步骤和对接点处沉降观测布置情况。     

砂土对埋设管线约束作用的模型试验研究

屈曲剧变是海底管线失稳破坏的重要形式之一。运营中的高温、高压是导致海底管线发生屈曲剧变的直接条件,而地基土体对管线的约束作用是导致管线屈曲的根本原因。研究表明地基土对管线作用力的大小决定着管线发生屈曲变形的形态。采用取自渤海湾的细砂进行了室内管土相互作用试验,研究不同直径、不同埋深的管线竖直向上运动、水平向运动以及轴向运动时土体抗力的发挥过程。试验结果表明土抗力的发挥过程与管线的埋置率有关;埋深相同的管线水平向运动时受到的抗力比竖直向运动时大2倍以上;结合试验结果提出了适于计算渤海湾砂土地基对埋设管线约束力的经验公式。