碎石土内侵蚀演化特性及作用机理研究

内侵蚀作用是导致溃坝等工程事故及滑坡等自然灾害的主要诱发因素之一。在内侵蚀过程中，土体内部细颗粒在水的渗透力作用下穿过粗颗粒形成的骨架而流失，进而在土体内部形成孔隙率较高的裂隙或孔洞，产生优势通道，导致水流对土体的内侵蚀作用进一步加剧，造成土体力学参数的降低。因此，认识和掌握土体内侵蚀特性及作用机理，对于揭示土石坝、堤防和滑坡、泥石流等工程事故和地质灾害的破坏机理，以及防范、预警和治理由渗透破坏引起的土石坝破坏或边坡失稳，具有十分重要的理论意义和工程价值。 本研究工作综合运用理论分析、室内试验和数值模拟相结合的方法对上述几个问题进行系统深入的研究，提出了适用于天然碎石土内部稳定性预测的判定准则；研制了满足天然碎石土渗透侵蚀及剪切试验要求的应力应变双控制式三轴试验设备；提出了考虑变形条件下天然碎石土侵蚀量变化本构模型；推导了同时考虑变形和细颗粒流失的多孔介质孔隙度方程，并提出了内侵蚀作用下天然碎石土理论分析模型和数值方法；量化了内侵蚀作用对天然碎石土堆积体滑坡整体变形及稳定性的影响。该研究研究的主要创新性成果如下： 1.分析了土体颗粒组成特征与内部稳定性的相关性，提出适用于预测天然碎石土的内部稳定性的判定准则。 2.研制了可模拟大粒径宽级配碎石土内侵蚀过程的应力应变控制式三轴剪切渗透试验设备。采用此设备，模拟了天然碎石土在变形前后的渗透侵蚀过程，分析了内侵蚀作用机理及对土体性状的影响，提出了描述变形条件下天然碎石土渗透侵蚀量变化本构模型。该本构模型充分考虑的岩土体变形后的侵蚀量变化规律，更加符合工程实际。 3.通过理论分析和推导，提出了以侵蚀颗粒流失与土体变形双向作用为耦合机制的多场流固耦合模型。 4.以三峡库区典型碎石土堆积层滑坡为模拟对象，采用数值分析的方法，模拟了长期稳定库水位工况和库水位涨落条件下滑坡体内侵蚀作用过程，量化了内侵蚀作用对堆积体滑坡整体变形和稳定性的影响。 2100433B

针对碎石土边（滑）坡、堰塞坝、土石坝等堆积体中普遍存在的内侵蚀现象，围绕碎石土内侵蚀演化特性以及作用机理的问题开展研究。鉴于当前内侵蚀模拟试验设备无法满足大粒径宽级配碎石土内侵蚀试验模拟的需要，拟研制适用于大粒径宽级配碎石土内侵蚀模拟设备，并开展应力及水力条件下碎石土内侵蚀演化试验模拟。以大量试验成果为基础，结合理论分析及数值模拟，解决碎石土几何条件与内侵蚀演化特征关系、应力及水力条件作用下碎石土内侵蚀演化规律、不同内侵蚀阶段碎石土刚度及强度的损伤演化机制等关键科学问题。构建碎石土内侵作用下力学和水力特性的损伤演化分析模型及计算方法，并运用在典型工程变形破坏及稳定性分析中。利用现场监测与反馈信息，不断完善分析模型。最终形成适用于内侵蚀作用下的碎石土变形破坏分析的理论模型及计算方法，为碎石土边（滑）坡、堰塞坝、土石坝等堆积体变形破坏机制分析、工程治理设计等提供科学依据。

本项目提出面向知识单元交互设计的设计知识演化的理论、方法，针对典型产品，在深入研究设计知识的获取、建模的内在规律的基础上，通过基于分类学习的设计知识多层次获取建模、基于模糊推理的设计知识柔性化递归演化、基于符号导航的设计知识自组织映射演化和基于虚拟感知的设计知识交互式动态演化研究，开发面向领域知识单元交互设计的软件原型系统，实现以知识单元为交互工具、以设计知识的互相映射为内容的设计过程，从而为基于知识的设计提供理论基础，为设计过程中的知识互相映射、互相作用、互相转化提供方法技术，为设计过程中基于知识单元的交互提供工具支持。 2100433B

本项目围绕热交换桩，采用室内试验、模型试验、理论和数值方法，开展了长期热循环下桩土力学特性及作用机理研究。首先采用温控静动三轴仪，开展了不同温度（25℃、45℃和65℃）、不同围压（100kPa、150kPa、200kPa）及先加温后剪切、先剪切后加温条件下宁波软黏土的热力学特性，分析了温度对土的应力~应变及抗剪强度等指标的影响。其次，研制了大型温控固结仪，开展了循环温度下土的固结试验，获得土的e~p、e~logp曲线及压缩系数等指标；在广义三元件模型、西原模型基础上，引入考虑温度影响的元件参数，建立了耦合温度的三元件流变模型和西原模型，探讨了的热流变固结性状。第三，以宁波软黏土为对象，开展预制热交换桩桩-土模型试验，研究了温度对桩身轴力、桩侧摩阻力、桩顶位移、桩身应力应变、土体孔压、地表沉降等的影响规律，揭示了长期热循环作用对桩基承载特性的影响。最后，考虑能源桩桩土界面法向温度应力增量对初始剪切刚度的影响，对传统桩土界面荷载传递双曲线模型进行修正，建立了考虑温度影响的桩土界面荷载传递模型，分析了温度对能源桩侧摩阻力的影响；并基于上负荷面、tij和温度等价应力概念，提出了可考虑超固结比、结构性、温度效应和中间主应力的黏土热弹塑性本构模型，并进行二次开发，在Abaqus程序中开展热交换桩基承载特性数值模拟，计算获得不加热(室温30℃)、加热至45℃(60℃)、先加热至45℃(60℃)再自然降温至30℃、先加热至45℃再自然降温至30℃(进行两次循环加热)六种工况及30℃→45℃→30℃(两次循环)工况下桩土温度、应力、孔压时程曲线，荷载沉降、桩侧阻力、桩身轴力，进一步阐明长期热循环作用对桩基承载特性的影响机理；利用有限元模型，计算分析了长期热循环作用下热交换桩有承载力特性，评价了长期热循环作用对热交换桩基础承载力设计的影响，并提出了长期热循环作用下桩端和桩侧后注浆对热交换桩附加沉降的控制措施。 2100433B