式表明，无黏性土临界水力梯度受两个因素的影响：一是土体有效容重（浮容重）；二是作用在土体上的附加应力。一般说来，土体的有效容重相对是个不变量，即式中的第一项为常数；而土体中的附加应力则是一个不断变化的量，表明无黏性土体的临界水力梯度随附加应力的增加而增加。......
2023-06-28
充填岩体应力相关性对抗渗强度的影响
【摘要】：以下探讨裂隙岩体渗透变形的临界水力梯度理论分析方法。图5.2充填裂隙颗粒受力图假定土体内部颗粒间紧密接触，作用在土体上的力通过土颗粒相互作用进行传递。同时由于破碎岩体存在一定黏聚力，因此临界水力梯度将随黏聚力的变化而改变。式表明裂隙冲蚀的临界水力梯度主要取决于以下因素：充填颗粒与裂隙岩体之间的摩擦角，岩体应力，颗粒与裂隙面接触面积，裂隙水压力，裂隙面的倾角。
高压引水隧洞或高坝坝基中的裂隙岩体一般具有较强胶结性能，或者说黏聚力一般较大。裂隙中的颗粒在渗透力的作用下必须要克服颗粒间的黏聚力作用。同时，坝基岩体在坝体应力作用下，其应力水平较高（本书中应力水平指围压绝对值大小，不是应力与破坏值之比，下同）。因此裂隙岩体渗透变形需要同时考虑这两个因素的影响。
水电工程中涉及的破碎岩体一般都是断层破碎带岩体或裂隙发育岩体。破碎岩体的渗透变形形式主要表现为管涌、裂隙充填颗粒的冲蚀以及断层颗粒与岩体之间的接触冲刷。注意，根据渗透变形的定义，岩体水力劈裂不属于渗透变形的概念范畴。
以下探讨裂隙岩体渗透变形的临界水力梯度理论分析方法。充填裂隙颗粒受力见图5.2。
图5.2 充填裂隙颗粒受力图
假定土体内部颗粒间紧密接触，作用在土体上的力通过土颗粒相互作用进行传递。作用在无黏性土颗粒上的作用力有：铅直方向力G（G=γ′+σs，颗粒自重应力γ′、颗粒上的铅直附加力σs）；土颗粒之间的摩擦力f=Gcosθtanψ′；颗粒上的渗透力Jcγw，摩擦力Gcosθtanψ。根据图5.2，破碎岩体中的颗粒渗流方向上处于平衡状态时有
式中：A为颗粒接触面面积。
将G=γ′+σs和F=Jcγw代入上式，整理得
当渗流方向铅直向上时，颗粒间的侧压力可由侧压力系数K0计算，式（5.28）改写为
式（5.28）和式（5.29）即为考虑附加应力作用下的破碎岩体临界水力梯度理论计算公式。影响破碎岩体临界水力梯度的因素有体有效容重（浮容重）、作用在土体上的附加应力、土体内摩擦角、土体的黏聚力、土颗粒形状（或接触面面积）和渗流方向。
一般说来，破碎岩体有效容重是一个相对不变量，而附加应力则是一个不断变化的量，表明破碎岩体临界水力梯度随附加应力的增加而增加。同时由于破碎岩体存在一定黏聚力，因此临界水力梯度将随黏聚力的变化而改变。
由于式（5.28）和式（5.29）中的变量A值的确定存在困难，因此不能通过上述理论公式来确定破碎岩体临界水力梯度。
当充填裂隙中的颗粒在渗流方向发生移动时，渗透力F必须大于裂隙中颗粒两侧的岩体作用在颗粒上的摩擦力。临界状态下，渗透力满足F=fA，即
假定颗粒直径d等于裂缝宽度b，其体积V=4πd3/3；而颗粒与裂缝面接触面积一般很小，假定接触长度为颗粒直径的1/m，接触面近似看做一个圆，则A=πd2/4m2。考虑到σn=（σ1+σ3）/2-（σ1-σ3）cos2θ/2-p，于是可得充填裂隙中颗粒冲蚀的临界水力梯度为
式中：ψ为充填颗粒与裂隙岩体之间的有效摩擦角；θ为裂隙倾角；p为裂隙中的水压力。
式（5.31）表明裂隙冲蚀的临界水力梯度主要取决于以下因素：充填颗粒与裂隙岩体之间的摩擦角，岩体应力，颗粒与裂隙面接触面积，裂隙水压力，裂隙面的倾角。
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2023-06-28
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