地下管线泄漏引起粉土地基渗流破坏的机理研究

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近年来,粉土地区城市路面塌陷事故频繁发生,不仅损坏了城市路面结构,而且对周边建筑及居民生命财产安全造成了严重威胁。在所有的路面塌陷事故中,由管线泄漏引起土体渗流破坏进而导致的路面塌陷占较大比重。然而,现阶段针对管线泄漏引起土体渗流破坏的系统性试验研究相对较少,土体的渗流破坏机理和关键影响因素仍不明晰。因此,研究管线渗漏引起粉土地层渗流破坏的机理具有重要的意义。本文以管线泄漏引起粉土地层路面塌陷事故为研究背景,以郑州典型粉土及其调配土(添加矿物土改变其塑性指数)为研究对象,利用自行研制的管线泄漏试验装置开展了粉土的渗流破坏试验,分析了含水率、压实度和塑性指数对土体渗流破坏的影响,深入研究了因管线泄漏引起的粉土渗流破坏的机理。本文的主要工作及研究结论如下:(1)通过颗分试验、液塑限试验和击实试验,确定了郑州典型粉土的基本物性指标参数;通过扫描电镜试验明确了粉土的颗粒形态和接触方式;通过室内渗透试验探明了郑州典型粉土渗透系数随压实度的变化规律,并对已有渗透系数经验公式进行验证;通过掺加矿物土对郑州典型粉土进行调配,得到了不同塑性指数的调配土土样(粉土-粉质黏土范围)。(2)设计了土体的静水崩解试验装置并开展了土体崩解试验,对郑州典型粉土及其调配土的平均崩解速率、崩解率和相关影响因素进行了分析;设计了抗冲试验装置并进行了抗冲试验,分析了不同压实度、含水率和塑性指数对其抗冲性的影响。试验结果表明:随着土体压实度和塑性指数的增大,土体的崩解性能逐渐减弱,抗冲性能则逐渐增强;随着含水率的增加,土体的崩解性逐渐减小,抗冲性也随之减弱。(3)设计了室内管线泄漏条件下土体渗流破坏的试验装置,通过试验研究了土体压实度、含水率和塑性指数对土体渗流破坏临界条件和破坏规律的影响,分析了土体崩解性、抗冲性与土体渗流破坏发生条件之间的关联性。试验结果表明:(1)粉土到粉质黏土范围内的土体主要发生流土破坏;其中,粉土一般发生局部流土破坏,而对于粉质黏土,随着塑性指数的增大,其渗流破坏形式逐渐由局部流土转化为整体流土;(2)粉土的临界破坏水力梯度与压实度、含水率、塑性指数密切相关,临界破坏水力梯度随着压实度和塑性指数的增大而增大,随着含水率的增大而减小;压实度、含水率和塑性指数越高,土体完全破坏水力梯度与临界水力梯度的差值越大;(3)土体的临界水力梯度随其抗冲性的增强而逐渐增大,实际工程中可采用土体抗冲性来评价土体抗渗流破坏能力;(4)土体崩解性与临界水力梯度的关系较为复杂:因压实度和塑性指数改变引起土体崩解性改变时,临界水力梯度随土体崩解性的增强而减小;因含水率改变引起土体崩解性改变时,土体的临界水力梯度随崩解性的增强而增大。
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