基本信息
- 项目名称：
- 地下水的扰动作用对地基土体的渗透破坏研究--以“天坑”为研究对象
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 2010年1月份以来，我国四川、湖南、浙江多地频繁发生“天坑”，引起了群众恐慌并给城市安全带来了巨大的隐患。本项目研究从渗流破坏理论出发，通过自主设计循环变水压渗透试验装置模拟天然环境下地下水扰动过程，研究了地下水扰动作用下路基土体的变形破坏原因，阐明“天坑”的形成机制。通过研究最终提出新的、造成地基渗透破坏的原因，项目研究成果也丰富相关学科的教科书（《土力学》）内容。
- 详细介绍：
- 1.对成都周边地区发生的地基“天坑”进行现场实践调查，了解当地的岩土体性质、工程地质条件和水文地质条件，掌握“天坑”的地质环境条件，为正确判断“天坑”形成原因提供可靠数据。 2.通过现场取样，测定土的不均匀系数Cu和渗透系数k，掌握当地路基土壤的基本物理性质。开展相关的渗透破坏试验，在地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室提供的非饱和土标准三轴测试系统上进行渗透破坏试验，获得土体发生渗透破坏的条件。 3.自主设计制造实验装置，对土体破坏前后的物理化学力学性质进行对比分析，得出土体破坏的实质。 4.根据试验结果和现场条件的综合分析，对地基“天坑”的形成现象进行合理解释，总结路基“天坑”中地基发生渗透破坏的特征。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 目的：为分析中国西南地区近两年频繁发生的“天坑”形成原因，消除天坑给基础设施工程建设带来的巨大隐患，以及消除群众恐慌，阐明“天坑”的形成机制。 基本思路：1.地基“天坑”现场调查分析→2.土样常规物理化学分析实验→3.自行设计研制试验装置→4.土样渗透破坏试验→5.“天坑”现象形成机理解释
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：立足于“地下水扰动对地基土体渗透破坏”这一问题，查明“天坑”成因之一，为了更好的达到实验目的，自主设计了先进的实验装置。将研究方法建立在物理基础之上，抓住了科学问题的本质和关键。 先进性：常见的渗透破坏主要为水平破坏，而“天坑”现象须从地下水扰动作用下土体的竖向破坏来研究。 独特之处：由于现有的实验装备不能完美的实现实验目的，我们自主设计了实验装置。装置已申请专利。
应用价值和现实意义
- 由于西南地区路基“天坑”现象频发，研究成果可为合理解释“天坑”现象提供理论和实验依据，揭示成都周边地区路基“天坑”形成机制。且此地区处于高度发展之中，选择最安全的道路线路。提出新的土体渗透破坏类型，丰富教科书内容。
学术论文摘要
- 为分析中国西南地区近两年频繁发生的“天坑”形成原因，从渗流破坏理论出发，通过自主设计循环变水压渗透试验装置模拟天然环境下地下水扰动过程，研究了地下水扰动作用下路基土体的变形破坏机制。首先利用常规土力学试验获得了土样的基本物理化学性质，在此基础上，为模拟地下水扰动作用下土体的渗透破坏特征，采用了饱和土渗流理论，设计了一种变压型常水头渗透试验装置，通过水头大小的自动循环改变模拟地下水对天然土体的扰动影响，并考虑了真空吸蚀作用对土体塌陷的影响。通过分析破坏实验前后土样级配组成、水头变化和土样变形破坏特性，获得土样在地下水扰动作用下细颗粒明显减少，土体承载力降低。通过变压型常水头渗透试验研究，表明该方法较好地阐明了西南地区“天坑”形成机制。 关 键 词：土力学；天坑；渗透破坏；地下水扰动
获奖情况
- 2011年成都理工大学科技立项比赛 一等奖 学术论文已投稿（《岩土力学》编辑部）
鉴定结果
- 研究小组创新性地设计了试验装置，并申请了专利，通过分析破坏实验，获得土样在地下水扰动作用下“天坑”形成机制。研究内容特色显著，创新点明确，研究过程表明该小组在科研方面具有较大的潜力。
参考文献
- [1]万志清，秦四清，李志刚，等. 土洞形成的机理及起始条件[J].岩石力学与工程学报,2003,22(8) [2]隋旺华，董青红. 近松散层开采孔隙水压力变化及其对水砂突涌的前兆意义[J].岩石力学与工程学报. 2008,27(9):1908-1916. [3]姚鑫，文冬光，戴福初，王献礼，熊探宇. “5.12”汶川地震震后龙门山山前地表塌陷成因探讨[J].工程地质学报 ,2008, 16(5): 578-583. [4]蒋小珍. 岩溶塌陷发育条件的试验研究[J].中国地质灾害与防治学报，1998,9(增刊)：187-191. [5]王贤能，邹辉，柳书秋. 岩溶塌陷区刚性桩复合地基技术应用[J].中国地质灾害与防治学报2007, 18(4)：61-65. [6]谢忠球，万志清，钱海涛. 人工抽水引起土洞扩展条件的分析[J].吉林大学学报(地球科学版).2007,37(4): 778-772.
同类课题研究水平概述
- 地表塌陷类型主要可分为两种：构造性塌陷和土体工程性塌陷。构造性塌陷主要强调下覆碳酸盐岩层遭地下水侵蚀后形成隐伏洞穴导致对上覆土体缺乏有效的承载力而导致的地表塌陷。土体工程性塌陷主要是从土力学角度出发，强调由于土体本身结构特性和地下水位变动导致的地表塌陷。 针对以上两种塌陷类型，目前主要的形成机理主要有：自重效应、振动致塌效应、酸液效应等、荷载效应、潜蚀作用论。在众多引起地表塌陷的原因中，地下水扰动对地基土体稳定性的影响成为重要因素。万志清认为超静孔隙水压力或真空吸力使土的结构产生破坏。隋旺华在突砂模型试验中发现，一旦抽冒或形成水砂突涌后，含水层内孔隙水压力表现为剧烈下降并形成瞬时负压。谢忠球研究了人工抽水引起的岩溶地面塌陷的机理，认为土洞的扩展条件是剥落力大于土体抗拉强度。覃羡安认为大气降水渗入土层后产生超静孔隙水压力和动水压力，使得土洞形成和扩大。 这些塌陷成因多由相关的学科理论分析获得，而通过相关物理模型现场模拟地表塌陷成因的研究还较少。
