碎石土內(nèi)部侵蝕過程剖析及其對斜坡穩(wěn)定性的影響探究

碎石土內(nèi)部侵蝕過程剖析及其對斜坡穩(wěn)定性的影響探究一、引言1.1研究背景與意義碎石土作為一種廣泛應(yīng)用于各類工程建設(shè)的材料，因其來源廣泛，壓實(shí)后具備強(qiáng)度高、變形小、滲透性好等優(yōu)點(diǎn)，在水利工程、公路工程、鐵路工程、機(jī)場建設(shè)以及地基工程等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。在水利工程里，土石堤壩大量采用人工碎石土，利用其良好的力學(xué)性能和透水特性，有效阻擋洪水、調(diào)節(jié)水位。在公路和鐵路路基施工中，碎石土能提高基礎(chǔ)的承載能力和穩(wěn)定性，減少路面的沉降和變形，保障交通運(yùn)輸?shù)陌踩c順暢。在機(jī)場跑道基礎(chǔ)建設(shè)中，其優(yōu)良的排水性能和承載能力，可確保飛機(jī)起降時(shí)跑道的穩(wěn)定性和安全性。然而，碎石土在工程應(yīng)用中面臨著內(nèi)部侵蝕的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。內(nèi)部侵蝕是指在水的滲透作用下，碎石土內(nèi)部的細(xì)顆粒穿過粗顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)而流失的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，形成孔隙率較高的裂隙或孔洞，進(jìn)而產(chǎn)生優(yōu)勢通道。隨著優(yōu)勢通道的發(fā)展，水流對土體的內(nèi)侵蝕作用不斷加劇，致使土體力學(xué)參數(shù)降低，如抗剪強(qiáng)度下降、壓縮性增大等。在土石壩工程中，內(nèi)部侵蝕可能引發(fā)壩體滲漏、管涌等問題，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致潰壩事故，對下游人民生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成巨大威脅。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國超過30%的土石壩破壞類型為滲透破壞，而內(nèi)部侵蝕是其中的關(guān)鍵因素。在邊坡工程中，內(nèi)部侵蝕會(huì)削弱土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，增加滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。斜坡穩(wěn)定性是巖土工程領(lǐng)域的核心問題之一，直接關(guān)系到工程設(shè)施的安全運(yùn)營和周邊環(huán)境的穩(wěn)定。碎石土斜坡在自然和工程環(huán)境中廣泛存在，如山區(qū)公路邊坡、鐵路路塹邊坡、水利工程邊坡等。這些斜坡的穩(wěn)定性受到多種因素的綜合影響，內(nèi)部侵蝕便是其中極為重要的一個(gè)因素。內(nèi)部侵蝕不僅改變碎石土的物理力學(xué)性質(zhì)，還會(huì)破壞斜坡的原有結(jié)構(gòu)，使斜坡的應(yīng)力分布發(fā)生改變，進(jìn)而降低斜坡的穩(wěn)定性。當(dāng)斜坡穩(wěn)定性降低到一定程度時(shí)，就可能發(fā)生滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，阻礙交通、破壞基礎(chǔ)設(shè)施，對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，深入研究碎石土內(nèi)部侵蝕過程及其對斜坡穩(wěn)定性的影響，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。從理論層面來看，有助于進(jìn)一步揭示碎石土在滲流作用下的力學(xué)行為和變形機(jī)制，豐富和完善土力學(xué)與巖土工程理論體系。通過研究內(nèi)部侵蝕過程中顆粒的遷移規(guī)律、孔隙結(jié)構(gòu)的演變特征以及土體力學(xué)參數(shù)的變化機(jī)制，能夠?yàn)榻⒏訙?zhǔn)確的理論模型提供依據(jù)。從工程實(shí)踐角度出發(fā)，能夠?yàn)楦黝惿婕八槭恋墓こ烫峁┛茖W(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)和有效的防治措施。在工程設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)研究成果合理選擇碎石土的級配、優(yōu)化工程結(jié)構(gòu)，提高工程的抗侵蝕能力和穩(wěn)定性；在工程運(yùn)營階段，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)測內(nèi)部侵蝕的發(fā)生與發(fā)展，采取相應(yīng)的治理措施，預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保障工程的安全運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1碎石土內(nèi)部侵蝕研究現(xiàn)狀在碎石土內(nèi)部侵蝕的研究中，國外學(xué)者起步較早。如TerzaghiK在早期通過對土體滲透現(xiàn)象的觀察和分析，初步認(rèn)識到土體內(nèi)部細(xì)顆粒在水流作用下的遷移現(xiàn)象，為后續(xù)內(nèi)部侵蝕研究奠定了基礎(chǔ)。隨后，KenneyTD和LauDT提出了內(nèi)部穩(wěn)定性判別準(zhǔn)則，從顆粒級配的角度判斷土體是否容易發(fā)生內(nèi)部侵蝕，這一準(zhǔn)則在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。他們通過大量的試驗(yàn)研究，分析了不同顆粒級配土體在滲透作用下的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體的顆粒級配滿足一定條件時(shí)，細(xì)顆粒能夠在粗顆粒骨架中自由移動(dòng)，從而引發(fā)內(nèi)部侵蝕。近年來，隨著試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的不斷發(fā)展，國外對碎石土內(nèi)部侵蝕的研究更加深入。例如，一些學(xué)者利用先進(jìn)的CT掃描技術(shù)，對碎石土內(nèi)部侵蝕過程中的孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，直觀地揭示了內(nèi)部侵蝕過程中孔隙的演變規(guī)律。在數(shù)值模擬方面，離散元方法（DEM）被廣泛應(yīng)用于模擬碎石土內(nèi)部顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用，通過建立顆粒模型，能夠詳細(xì)分析不同水力條件下顆粒的遷移路徑和侵蝕機(jī)制。國內(nèi)學(xué)者在碎石土內(nèi)部侵蝕研究方面也取得了豐碩的成果。張嘎等通過自行研制的大型三軸滲透試驗(yàn)裝置，研究了粗粒土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的滲透特性和內(nèi)部侵蝕規(guī)律，分析了應(yīng)力水平對內(nèi)部侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增加，土體的滲透系數(shù)增大，內(nèi)部侵蝕更容易發(fā)生。李同春等采用數(shù)值模擬與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對土石壩中碎石土的內(nèi)部侵蝕過程進(jìn)行了研究，建立了考慮顆粒流失和孔隙結(jié)構(gòu)變化的滲流-應(yīng)力耦合模型，較好地模擬了內(nèi)部侵蝕過程中壩體的滲流場和應(yīng)力場變化。在顆粒級配對內(nèi)部侵蝕的影響研究方面，王旭通過試驗(yàn)研究了不同顆粒級配的碎石土在滲透侵蝕作用下的特性，發(fā)現(xiàn)顆粒級配良好的碎石土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，抗侵蝕能力較強(qiáng)；而顆粒級配不良的碎石土，細(xì)顆粒容易流失，內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象較為嚴(yán)重。此外，一些學(xué)者還研究了其他因素，如土體初始密度、水力梯度、水流方向等對碎石土內(nèi)部侵蝕的影響，為全面認(rèn)識內(nèi)部侵蝕過程提供了更多依據(jù)。1.2.2斜坡穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀在斜坡穩(wěn)定性研究領(lǐng)域，國外學(xué)者提出了多種經(jīng)典的分析方法。如瑞典條分法，該方法由瑞典工程師Fellenius提出，它將滑動(dòng)土體分成若干垂直土條，通過對每個(gè)土條進(jìn)行力的平衡分析，計(jì)算出斜坡的穩(wěn)定系數(shù)，是最早被廣泛應(yīng)用的斜坡穩(wěn)定性分析方法之一。隨后，Bishop在瑞典條分法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出了簡化Bishop法，考慮了土條間的作用力，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法在斜坡穩(wěn)定性研究中得到了廣泛應(yīng)用。有限元方法（FEM）能夠考慮復(fù)雜的邊界條件和土體的非線性力學(xué)特性，對斜坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行精確分析。如ZienkiewiczOC等將有限元方法應(yīng)用于巖土工程領(lǐng)域，通過建立斜坡的有限元模型，模擬了不同工況下斜坡的變形和破壞過程。離散元方法（DEM）則從顆粒尺度出發(fā)，研究斜坡土體的力學(xué)行為，能夠很好地模擬土體顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用，揭示斜坡破壞的微觀機(jī)制。國內(nèi)學(xué)者在斜坡穩(wěn)定性研究方面也做出了重要貢獻(xiàn)。鄭穎人等提出了基于強(qiáng)度折減法的有限元數(shù)值分析方法，通過不斷降低土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至斜坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，從而得到斜坡的穩(wěn)定系數(shù)和潛在滑動(dòng)面，該方法在工程實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。黃潤秋等通過對大量滑坡案例的研究，分析了斜坡的變形破壞機(jī)制，提出了相應(yīng)的穩(wěn)定性評價(jià)方法和防治措施，為斜坡工程的設(shè)計(jì)和施工提供了重要指導(dǎo)。在考慮碎石土特性對斜坡穩(wěn)定性影響的研究方面，一些學(xué)者通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了碎石土的顆粒組成、孔隙率、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)對斜坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律。例如，研究發(fā)現(xiàn)碎石土的顆粒越粗、孔隙率越大，斜坡的穩(wěn)定性越低；而抗剪強(qiáng)度較高的碎石土，能夠提高斜坡的穩(wěn)定性。此外，降雨、地震等外部因素對碎石土斜坡穩(wěn)定性的影響也受到了廣泛關(guān)注，學(xué)者們通過研究這些因素作用下斜坡的滲流場、應(yīng)力場變化，評估斜坡的穩(wěn)定性變化情況。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在碎石土內(nèi)部侵蝕和斜坡穩(wěn)定性方面取得了眾多研究成果。在碎石土內(nèi)部侵蝕研究中，對內(nèi)部侵蝕的機(jī)理、影響因素以及判別準(zhǔn)則等方面有了較為深入的認(rèn)識；在斜坡穩(wěn)定性研究中，各種分析方法和數(shù)值模擬技術(shù)不斷發(fā)展，為斜坡穩(wěn)定性評價(jià)提供了有力的工具。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足之處：耦合作用研究不足：在研究碎石土內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響時(shí)，大多是分別研究內(nèi)部侵蝕和斜坡穩(wěn)定性，對兩者之間的耦合作用研究不夠深入。內(nèi)部侵蝕過程中土體性質(zhì)的變化如何動(dòng)態(tài)地影響斜坡的穩(wěn)定性，以及斜坡穩(wěn)定性的改變又如何反作用于內(nèi)部侵蝕過程，這些方面的研究還比較缺乏。多因素綜合考慮欠缺：實(shí)際工程中，碎石土斜坡的穩(wěn)定性受到多種因素的共同影響，如內(nèi)部侵蝕、降雨、地震、地形地貌等。目前的研究往往只側(cè)重于某一個(gè)或幾個(gè)因素，對多因素綜合作用下碎石土斜坡穩(wěn)定性的研究較少，難以全面準(zhǔn)確地評估斜坡的穩(wěn)定性。現(xiàn)場監(jiān)測與驗(yàn)證不夠：雖然室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬在碎石土內(nèi)部侵蝕和斜坡穩(wěn)定性研究中發(fā)揮了重要作用，但現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)相對較少，研究成果缺乏足夠的現(xiàn)場驗(yàn)證。室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬往往是在理想化的條件下進(jìn)行，與實(shí)際工程情況存在一定差異，因此需要更多的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和完善研究成果。預(yù)測模型不完善：現(xiàn)有的關(guān)于碎石土內(nèi)部侵蝕發(fā)展過程和斜坡穩(wěn)定性變化的預(yù)測模型還不夠完善，預(yù)測精度有待提高。由于碎石土內(nèi)部侵蝕和斜坡穩(wěn)定性受到多種復(fù)雜因素的影響，建立準(zhǔn)確可靠的預(yù)測模型仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。針對以上不足，本文將深入研究碎石土內(nèi)部侵蝕過程及其對斜坡穩(wěn)定性的影響，通過室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，建立考慮多因素耦合作用的碎石土斜坡穩(wěn)定性分析模型，完善碎石土內(nèi)部侵蝕和斜坡穩(wěn)定性的預(yù)測方法，為工程實(shí)踐提供更科學(xué)、更準(zhǔn)確的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容碎石土內(nèi)部侵蝕過程研究：通過室內(nèi)試驗(yàn)，利用自主設(shè)計(jì)或改進(jìn)的滲透試驗(yàn)裝置，模擬不同水力條件下碎石土的內(nèi)部侵蝕過程。借助先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，如CT掃描、數(shù)字圖像分析等，實(shí)時(shí)觀測土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化、顆粒的遷移路徑以及優(yōu)勢通道的形成與發(fā)展過程，深入分析內(nèi)部侵蝕的演化機(jī)制。碎石土內(nèi)部侵蝕影響因素研究：系統(tǒng)研究顆粒級配、土體初始密度、水力梯度、水流方向等因素對碎石土內(nèi)部侵蝕的影響規(guī)律。通過控制變量法，分別改變各因素的值，進(jìn)行多組對比試驗(yàn)，測定不同條件下的侵蝕量、滲透系數(shù)等參數(shù)，建立各因素與內(nèi)部侵蝕程度之間的定量關(guān)系。碎石土內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響研究：建立考慮內(nèi)部侵蝕作用的碎石土斜坡穩(wěn)定性分析模型，綜合考慮內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致的土體力學(xué)參數(shù)變化、孔隙水壓力分布改變以及斜坡結(jié)構(gòu)的破壞等因素，分析不同內(nèi)部侵蝕程度下斜坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、潛在滑動(dòng)面的位置和形狀以及穩(wěn)定系數(shù)的變化規(guī)律。多因素耦合作用下碎石土斜坡穩(wěn)定性研究：考慮降雨、地震等外部因素與內(nèi)部侵蝕的耦合作用，研究多因素共同作用下碎石土斜坡的穩(wěn)定性變化規(guī)律。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，模擬不同降雨強(qiáng)度、地震波特性下，內(nèi)部侵蝕發(fā)展過程中斜坡的滲流場、應(yīng)力場和位移場的變化，評估斜坡在多因素耦合作用下的穩(wěn)定性。碎石土斜坡穩(wěn)定性預(yù)測與防治措施研究：基于前面的研究成果，建立碎石土斜坡穩(wěn)定性預(yù)測模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測和評估。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，提出針對性的防治措施，如優(yōu)化斜坡的坡度和坡形、設(shè)置排水系統(tǒng)、采用加固措施等，為工程實(shí)踐提供科學(xué)的指導(dǎo)。1.3.2研究方法室內(nèi)試驗(yàn)方法：開展?jié)B透試驗(yàn)，設(shè)計(jì)并搭建常水頭滲透試驗(yàn)裝置和變水頭滲透試驗(yàn)裝置，對不同顆粒級配、初始密度的碎石土試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)，測量不同水力梯度下的滲透流量和侵蝕顆粒含量，分析內(nèi)部侵蝕的發(fā)展過程和規(guī)律。進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，利用三軸剪切儀，對經(jīng)歷不同程度內(nèi)部侵蝕的碎石土試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，測定其抗剪強(qiáng)度參數(shù)（粘聚力和內(nèi)摩擦角），研究內(nèi)部侵蝕對土體力學(xué)性質(zhì)的影響。實(shí)施CT掃描試驗(yàn)，在滲透試驗(yàn)和三軸剪切試驗(yàn)過程中，利用CT掃描技術(shù)對碎石土試樣進(jìn)行無損檢測，獲取土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的三維圖像，分析孔隙率、孔隙連通性等參數(shù)的變化，直觀揭示內(nèi)部侵蝕過程中土體微觀結(jié)構(gòu)的演變。數(shù)值模擬方法：采用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立碎石土斜坡的二維和三維數(shù)值模型，考慮土體的非線性本構(gòu)關(guān)系、滲流-應(yīng)力耦合作用以及內(nèi)部侵蝕對土體參數(shù)的影響，模擬不同工況下斜坡的變形、破壞過程以及穩(wěn)定性變化。運(yùn)用離散元軟件（如PFC2D/3D），從顆粒尺度出發(fā)，模擬碎石土內(nèi)部顆粒在水流作用下的運(yùn)動(dòng)和相互作用，分析顆粒的遷移規(guī)律、侵蝕機(jī)制以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，為宏觀數(shù)值模擬提供微觀層面的支持。理論分析方法：基于土力學(xué)、滲流力學(xué)等基本理論，推導(dǎo)考慮內(nèi)部侵蝕的碎石土滲透系數(shù)計(jì)算公式、抗剪強(qiáng)度理論模型以及斜坡穩(wěn)定性分析的理論公式，從理論上分析內(nèi)部侵蝕對土體性質(zhì)和斜坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制。運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析處理，建立各因素之間的定量關(guān)系，如內(nèi)部侵蝕量與時(shí)間、水力梯度的關(guān)系，斜坡穩(wěn)定系數(shù)與內(nèi)部侵蝕程度、外部荷載的關(guān)系等，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。1.4研究創(chuàng)新點(diǎn)多因素耦合作用的系統(tǒng)研究：本研究突破以往僅側(cè)重單一或少數(shù)因素的局限，全面考慮內(nèi)部侵蝕、降雨、地震等多種因素對碎石土斜坡穩(wěn)定性的耦合作用。通過室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，深入分析多因素共同作用下斜坡的滲流場、應(yīng)力場和位移場的變化規(guī)律，為準(zhǔn)確評估碎石土斜坡在復(fù)雜環(huán)境條件下的穩(wěn)定性提供了全新的視角和方法，填補(bǔ)了多因素耦合作用研究的不足?；诙喑叨缺O(jiān)測的內(nèi)部侵蝕研究：在研究碎石土內(nèi)部侵蝕過程中，創(chuàng)新性地運(yùn)用多尺度監(jiān)測技術(shù)。結(jié)合CT掃描獲取土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的微觀變化，利用數(shù)字圖像分析技術(shù)追蹤顆粒的宏觀遷移路徑，實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部侵蝕過程從微觀到宏觀的全面、精準(zhǔn)監(jiān)測。這種多尺度監(jiān)測方法能夠更深入地揭示內(nèi)部侵蝕的演化機(jī)制，相較于傳統(tǒng)單一監(jiān)測手段，大大提高了研究的準(zhǔn)確性和可靠性?？紤]內(nèi)部侵蝕動(dòng)態(tài)影響的斜坡穩(wěn)定性模型：建立了考慮內(nèi)部侵蝕動(dòng)態(tài)影響的碎石土斜坡穩(wěn)定性分析模型，該模型充分考慮了內(nèi)部侵蝕過程中土體力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，以及孔隙水壓力分布的改變對斜坡穩(wěn)定性的影響。與傳統(tǒng)穩(wěn)定性分析模型相比，本模型能夠更真實(shí)地反映斜坡在內(nèi)部侵蝕作用下的實(shí)際穩(wěn)定性變化，為斜坡穩(wěn)定性評價(jià)提供了更符合實(shí)際工程情況的理論工具。現(xiàn)場監(jiān)測與室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬的深度融合：將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行深度融合，以現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，同時(shí)利用室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬對現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行深入分析和解釋。通過這種方式，有效解決了以往研究中室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬與實(shí)際工程情況脫節(jié)的問題，提高了研究成果的實(shí)用性和可靠性，為工程實(shí)踐提供了更具針對性的指導(dǎo)。二、碎石土特性與內(nèi)部侵蝕機(jī)理2.1碎石土的組成與特性2.1.1顆粒組成碎石土是一種由不同粒徑顆粒組成的混合土，其粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%。根據(jù)顆粒形狀和大小，可進(jìn)一步細(xì)分為漂石、塊石、卵石、碎石、圓礫和角礫。漂石和塊石的粒徑較大，通常大于200mm，形狀不規(guī)則，多呈棱角形或次棱角形，在碎石土中起到骨架支撐作用，能有效提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。卵石和碎石的粒徑一般在20-200mm之間，形狀較為圓潤或具有一定的棱角，它們填充在漂石和塊石之間的空隙中，進(jìn)一步增強(qiáng)了土體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。圓礫和角礫的粒徑相對較小，在2-20mm之間，它們分布在土體的孔隙中，對土體的密實(shí)度和滲透性有重要影響。碎石土的顆粒級配是衡量其顆粒組成的重要指標(biāo)，它反映了不同粒徑顆粒在土體中的分布情況。良好的顆粒級配意味著大小顆粒搭配合理，大顆粒形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，小顆粒填充在骨架的空隙中，使土體具有較高的密實(shí)度和穩(wěn)定性。相反，不良的顆粒級配可能導(dǎo)致土體中存在較多的空隙，降低土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在實(shí)際工程中，常通過篩分試驗(yàn)來確定碎石土的顆粒級配，繪制顆粒級配曲線，根據(jù)曲線的形狀和特征來評價(jià)顆粒級配的優(yōu)劣。一般來說，顆粒級配曲線較為平緩，說明顆粒分布范圍較廣，級配良好；而曲線較為陡峭，則表示顆粒粒徑較為集中，級配不良。2.1.2結(jié)構(gòu)特征從微觀結(jié)構(gòu)來看，碎石土是由粗顆粒（如碎石、卵石等）和細(xì)顆粒（如砂粒、粉粒、粘粒等）組成的多相體系。粗顆粒相互接觸形成骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒填充在骨架的孔隙中，形成了一種復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性取決于粗顆粒的排列方式、接觸點(diǎn)的數(shù)量和強(qiáng)度以及細(xì)顆粒的填充程度和性質(zhì)。在壓實(shí)良好的碎石土中，粗顆粒緊密排列，形成穩(wěn)定的嵌鎖結(jié)構(gòu)，細(xì)顆粒均勻填充在孔隙中，使土體具有較高的密實(shí)度和強(qiáng)度。而在松散的碎石土中，粗顆粒排列松散，接觸點(diǎn)較少，細(xì)顆粒填充不充分，土體的穩(wěn)定性較差。碎石土的宏觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為土體的不均勻性和各向異性。由于顆粒的大小、形狀和分布在不同位置存在差異，導(dǎo)致碎石土在不同方向上的物理力學(xué)性質(zhì)也有所不同。例如，在垂直方向上，由于重力作用，粗顆?？赡軙?huì)逐漸下沉，使得土體的密實(shí)度和強(qiáng)度隨深度增加而增大；在水平方向上，由于沉積環(huán)境或施工過程的影響，顆粒的排列和分布也可能存在差異，從而導(dǎo)致土體的滲透性和抗剪強(qiáng)度在水平方向上表現(xiàn)出各向異性。這種不均勻性和各向異性對碎石土的工程性質(zhì)和內(nèi)部侵蝕過程具有重要影響。2.1.3物理力學(xué)性質(zhì)密度：碎石土的密度包括天然密度、干密度和飽和密度等。天然密度是指在天然狀態(tài)下單位體積碎石土的質(zhì)量，它受到顆粒組成、孔隙率和含水量等因素的影響。干密度是指單位體積碎石土中固體顆粒的質(zhì)量，它反映了土體的密實(shí)程度，干密度越大，土體越密實(shí)，強(qiáng)度和穩(wěn)定性越高。飽和密度是指土體在飽和狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，它與土體的孔隙率和含水量密切相關(guān)。一般來說，碎石土的密度較大，這是由于其含有較多的粗顆粒，使得單位體積內(nèi)的固體顆粒質(zhì)量增加。含水量：含水量是指碎石土中所含水分的質(zhì)量與固體顆粒質(zhì)量之比，它對碎石土的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。當(dāng)含水量較低時(shí)，土體中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，顆粒之間的摩擦力較大，土體具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。隨著含水量的增加，土體中的自由水含量增多，顆粒之間的潤滑作用增強(qiáng)，摩擦力減小，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。當(dāng)含水量達(dá)到一定程度時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生軟化、變形甚至失穩(wěn)。在內(nèi)部侵蝕過程中，含水量的變化會(huì)影響水流的滲透速度和路徑，進(jìn)而影響細(xì)顆粒的遷移和流失。滲透性：碎石土具有較好的滲透性，這是因?yàn)槠漕w粒之間存在較大的孔隙，水流能夠在其中自由流動(dòng)。滲透性的大小主要取決于顆粒級配、孔隙率和孔隙連通性等因素。顆粒級配良好、孔隙率大且孔隙連通性好的碎石土，其滲透性較強(qiáng)；反之，滲透性較弱。在工程應(yīng)用中，碎石土的滲透性既有利也有弊。在水利工程中，利用其滲透性可以實(shí)現(xiàn)排水減壓，防止土體因孔隙水壓力過高而失穩(wěn)；但在一些對防滲要求較高的工程中，如水庫大壩的防滲體，需要采取措施降低碎石土的滲透性，以防止?jié)B漏。在內(nèi)部侵蝕過程中，滲透性決定了水流的速度和壓力，是影響細(xì)顆粒遷移和侵蝕發(fā)展的關(guān)鍵因素之一?？辜魪?qiáng)度：抗剪強(qiáng)度是碎石土抵抗剪切破壞的能力，它是評價(jià)碎石土力學(xué)性質(zhì)和工程穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。碎石土的抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦力和粘聚力兩部分組成。內(nèi)摩擦力源于顆粒之間的相互摩擦和咬合作用，其大小與顆粒的形狀、粗糙度、級配以及密實(shí)度等因素有關(guān)。形狀不規(guī)則、粗糙度大、級配良好且密實(shí)度高的碎石土，內(nèi)摩擦力較大。粘聚力則主要由細(xì)顆粒之間的膠結(jié)作用和靜電引力等產(chǎn)生，對于含有較多粘粒和粉粒的碎石土，粘聚力相對較大。在內(nèi)部侵蝕過程中，隨著細(xì)顆粒的流失，土體的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，內(nèi)摩擦力和粘聚力都會(huì)降低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降，從而影響斜坡的穩(wěn)定性。2.2內(nèi)部侵蝕的基本概念與類型內(nèi)部侵蝕是指在水的滲透作用下，土體內(nèi)部的細(xì)顆粒穿過粗顆粒構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)而發(fā)生遷移和流失的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的土體中，當(dāng)孔隙中的水流速度達(dá)到一定程度時(shí)，水流產(chǎn)生的滲透力能夠克服細(xì)顆粒與周圍顆粒之間的摩擦力和粘聚力，從而使細(xì)顆粒被水流攜帶而移動(dòng)。內(nèi)部侵蝕的發(fā)生需要滿足一定的條件，主要包括以下幾個(gè)方面：水力條件：足夠的水力梯度是引發(fā)內(nèi)部侵蝕的關(guān)鍵因素之一。水力梯度是指單位滲流長度上的水頭損失，它反映了水流的驅(qū)動(dòng)力大小。當(dāng)水力梯度超過一定閾值時(shí)，水流的滲透力足以推動(dòng)細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)內(nèi)部侵蝕。一般來說，水力梯度越大，內(nèi)部侵蝕的發(fā)展速度越快。土體結(jié)構(gòu)：土體的顆粒級配和孔隙結(jié)構(gòu)對內(nèi)部侵蝕的發(fā)生和發(fā)展具有重要影響。顆粒級配不良的土體，其內(nèi)部孔隙大小分布不均勻，存在較大的孔隙通道，細(xì)顆粒容易在這些通道中移動(dòng)和流失。而孔隙率較大、孔隙連通性好的土體，水流更容易通過，也為內(nèi)部侵蝕提供了有利條件。此外，土體中粗顆粒的排列方式和穩(wěn)定性也會(huì)影響細(xì)顆粒的遷移，若粗顆粒骨架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在水流作用下容易發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)顆粒的流失。細(xì)顆粒含量與性質(zhì)：土體中細(xì)顆粒的含量和性質(zhì)決定了其在水流作用下的可移動(dòng)性。細(xì)顆粒含量較高的土體，內(nèi)部侵蝕的潛在風(fēng)險(xiǎn)較大。細(xì)顆粒的粒徑、形狀、表面性質(zhì)等也會(huì)影響其與周圍顆粒的相互作用以及在水流中的運(yùn)動(dòng)特性。例如，粒徑較小、形狀不規(guī)則且表面光滑的細(xì)顆粒更容易被水流帶走。根據(jù)內(nèi)部侵蝕的發(fā)生方式和表現(xiàn)形式，常見的類型主要有管涌和流土兩種。管涌是指在滲流作用下，土體中的細(xì)顆粒通過粗顆粒形成的孔隙通道被逐漸帶出，在土體內(nèi)部形成管狀通道的現(xiàn)象。管涌通常發(fā)生在顆粒級配不均勻的無粘性土中，如碎石土、砂土等。在管涌發(fā)展初期，只有少量細(xì)顆粒被帶出，土體的滲透系數(shù)逐漸增大；隨著管涌的持續(xù)發(fā)展，管狀通道不斷擴(kuò)大，更多的細(xì)顆粒被帶出，可能導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)的破壞和強(qiáng)度的降低。當(dāng)管涌發(fā)展到一定程度時(shí)，可能引發(fā)工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，如土石壩的管涌破壞可能導(dǎo)致壩體滲漏、塌陷甚至潰壩。流土則是指在向上的滲流作用下，土體表面的顆粒群同時(shí)被水流抬起而流失的現(xiàn)象。流土一般發(fā)生在粘性土或均勻的無粘性土中，當(dāng)向上的滲透力大于土體的有效重度時(shí)，土體就會(huì)發(fā)生流土破壞。流土破壞具有突發(fā)性，一旦發(fā)生，土體表面會(huì)迅速出現(xiàn)隆起、開裂等現(xiàn)象，導(dǎo)致土體的整體性喪失，對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。在基坑開挖、堤壩基礎(chǔ)等工程中，如果不注意控制滲流，就容易發(fā)生流土破壞。2.3內(nèi)部侵蝕的作用機(jī)理在碎石土內(nèi)部侵蝕過程中，細(xì)顆粒的遷移是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)水流在碎石土孔隙中流動(dòng)時(shí)，會(huì)對細(xì)顆粒施加滲透力。根據(jù)達(dá)西定律，滲透力的大小與水力梯度和水的重度成正比，其方向與水流方向一致。當(dāng)滲透力超過細(xì)顆粒與周圍顆粒之間的摩擦力和粘聚力時(shí)，細(xì)顆粒就會(huì)開始移動(dòng)。在這個(gè)過程中，細(xì)顆粒的粒徑大小起著重要作用。較小粒徑的細(xì)顆粒更容易受到滲透力的影響而發(fā)生遷移，因?yàn)樗鼈兣c周圍顆粒的接觸面積相對較小，相互作用力較弱。細(xì)顆粒的遷移路徑受到孔隙結(jié)構(gòu)的制約。碎石土的孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙大小、形狀和連通性各不相同。細(xì)顆粒通常會(huì)沿著孔隙通道中阻力較小的路徑移動(dòng)，優(yōu)先進(jìn)入較大的孔隙或孔隙連通性較好的區(qū)域。在遷移過程中，細(xì)顆?？赡軙?huì)遇到粗顆粒的阻擋，此時(shí)它們會(huì)改變移動(dòng)方向，尋找其他通道。隨著侵蝕的發(fā)展，一些細(xì)顆粒可能會(huì)在孔隙通道中堆積，形成局部堵塞，導(dǎo)致水流路徑發(fā)生改變，進(jìn)一步影響細(xì)顆粒的遷移。內(nèi)部侵蝕會(huì)使碎石土的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。隨著細(xì)顆粒的不斷流失，土體內(nèi)部的孔隙逐漸增大，孔隙率增加。例如，在初始狀態(tài)下，碎石土的孔隙率可能為30%，經(jīng)過一段時(shí)間的內(nèi)部侵蝕后，孔隙率可能會(huì)增加到40%甚至更高?？紫兜倪B通性也會(huì)發(fā)生改變，原本孤立的孔隙可能會(huì)逐漸連通，形成更大的孔隙通道。這種孔隙結(jié)構(gòu)的變化對土體的滲透性產(chǎn)生重要影響。根據(jù)滲透定律，土體的滲透性與孔隙率和孔隙連通性密切相關(guān)?？紫堵试龃蠛涂紫哆B通性變好會(huì)使土體的滲透系數(shù)增大，水流更容易通過。研究表明，在內(nèi)部侵蝕過程中，碎石土的滲透系數(shù)可能會(huì)增大數(shù)倍甚至數(shù)十倍。這會(huì)導(dǎo)致滲流量增加，進(jìn)一步加劇內(nèi)部侵蝕的發(fā)展，形成惡性循環(huán)?？紫督Y(jié)構(gòu)的變化還會(huì)對土體的力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響?？紫堵实脑龃蠛涂紫督Y(jié)構(gòu)的改變會(huì)削弱土體顆粒之間的相互作用力，使土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。在三軸剪切試驗(yàn)中，經(jīng)歷內(nèi)部侵蝕的碎石土試樣，其抗剪強(qiáng)度明顯低于未侵蝕試樣。土體的壓縮性也會(huì)增加，在相同荷載作用下，侵蝕后的土體變形更大。三、碎石土內(nèi)部侵蝕過程的試驗(yàn)研究3.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本試驗(yàn)旨在深入研究碎石土內(nèi)部侵蝕過程，通過控制不同的試驗(yàn)條件，全面分析各因素對內(nèi)部侵蝕的影響，具體試驗(yàn)方案如下：試驗(yàn)?zāi)康模好鞔_試驗(yàn)的核心目標(biāo)，即系統(tǒng)研究在不同水力條件、顆粒級配、土體初始密度等因素作用下，碎石土內(nèi)部侵蝕的發(fā)生發(fā)展過程，以及內(nèi)部侵蝕對土體孔隙結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，為后續(xù)深入探究內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。樣品選?。簭墓こ态F(xiàn)場有代表性的區(qū)域采集天然碎石土樣品，確保樣品的來源真實(shí)可靠且能反映實(shí)際工程特性。為了全面研究顆粒級配的影響，對采集的樣品進(jìn)行篩分處理，根據(jù)篩分結(jié)果將顆粒級配分為良好、一般和不良三組。其中，顆粒級配良好的試樣，其大顆粒與小顆粒搭配合理，小顆粒能夠充分填充大顆粒之間的空隙，形成較為緊密的結(jié)構(gòu)；顆粒級配一般的試樣，大小顆粒分布相對均勻，但存在一定的空隙；顆粒級配不良的試樣，顆粒粒徑較為集中，大顆粒之間的空隙無法被小顆粒有效填充。對于每組顆粒級配，按照不同的初始密度制備試樣，初始密度分別設(shè)定為1.8g/cm3、2.0g/cm3和2.2g/cm3，以探究初始密度對內(nèi)部侵蝕的影響。在制備試樣時(shí)，嚴(yán)格控制其他條件相同，確保每組試樣在顆粒組成、形狀等方面具有一致性，僅初始密度存在差異。試驗(yàn)裝置：自主設(shè)計(jì)并搭建常水頭滲透試驗(yàn)裝置，該裝置主要由供水系統(tǒng)、滲透試驗(yàn)柱和測量系統(tǒng)三部分組成。供水系統(tǒng)采用高位水箱，通過調(diào)節(jié)水箱的高度差來精確控制水力梯度，確保在試驗(yàn)過程中能夠提供穩(wěn)定的水流驅(qū)動(dòng)力。滲透試驗(yàn)柱選用透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，內(nèi)徑為100mm，高度為300mm，便于直觀觀察土體內(nèi)部的侵蝕現(xiàn)象。在試驗(yàn)柱的底部設(shè)置進(jìn)水口，頂部設(shè)置出水口，同時(shí)在試驗(yàn)柱的側(cè)壁不同高度處開設(shè)多個(gè)測壓管接口，用于測量不同位置的水頭高度，從而準(zhǔn)確計(jì)算水力梯度。測量系統(tǒng)包括電子天平、量筒和秒表等，用于精確測量滲透流量和侵蝕顆粒含量。在出水口處設(shè)置集水容器，通過電子天平定時(shí)測量集水容器的質(zhì)量變化，結(jié)合測量時(shí)間，計(jì)算出滲透流量；將收集到的含有侵蝕顆粒的水通過濾網(wǎng)過濾，烘干后用電子天平測量侵蝕顆粒的質(zhì)量，從而得到侵蝕顆粒含量。試驗(yàn)流程：首先，將制備好的碎石土試樣分層裝入滲透試驗(yàn)柱中，每層厚度控制在50mm左右，采用分層夯實(shí)的方法，確保試樣的初始密度達(dá)到設(shè)定值。在裝樣過程中，注意避免顆粒的分離和堆積，保證試樣的均勻性。裝樣完成后，將試驗(yàn)柱與供水系統(tǒng)和測量系統(tǒng)連接，確保各接口密封良好，防止漏水影響試驗(yàn)結(jié)果。然后，向供水系統(tǒng)中注水，使水位達(dá)到設(shè)定高度，待水流穩(wěn)定后，開始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)過程中，每隔一定時(shí)間（如10分鐘）測量一次滲透流量和侵蝕顆粒含量，并記錄測壓管的水頭高度。同時(shí)，利用高速攝像機(jī)對試驗(yàn)柱內(nèi)的土體進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，捕捉內(nèi)部侵蝕過程中顆粒的遷移和孔隙結(jié)構(gòu)的變化情況。當(dāng)滲透流量和侵蝕顆粒含量基本穩(wěn)定，表明內(nèi)部侵蝕達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，停止試驗(yàn)。試驗(yàn)條件控制：為了準(zhǔn)確研究各因素對內(nèi)部侵蝕的影響，采用控制變量法，每次試驗(yàn)僅改變一個(gè)因素，其他因素保持不變。在研究水力梯度對內(nèi)部侵蝕的影響時(shí)，分別設(shè)置水力梯度為0.5、1.0、1.5和2.0，通過調(diào)節(jié)高位水箱的高度差來實(shí)現(xiàn)不同水力梯度的設(shè)定。在研究顆粒級配對內(nèi)部侵蝕的影響時(shí)，保持初始密度和水力梯度不變，分別對顆粒級配良好、一般和不良的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。在研究土體初始密度對內(nèi)部侵蝕的影響時(shí)，固定顆粒級配和水力梯度，對不同初始密度的試樣進(jìn)行試驗(yàn)。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，保持水溫恒定在20℃左右，以減少溫度對試驗(yàn)結(jié)果的影響。3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析3.2.1侵蝕量隨時(shí)間變化規(guī)律在不同水力條件下，碎石土的侵蝕量隨時(shí)間呈現(xiàn)出顯著不同的變化趨勢。以水力梯度為0.5、1.0、1.5和2.0的試驗(yàn)為例，圖1展示了侵蝕量與時(shí)間的關(guān)系曲線。從圖中可以清晰地看出，在試驗(yàn)初期，各水力梯度下的侵蝕量均迅速增加。這是因?yàn)樵谒鏖_始作用時(shí)，土體內(nèi)部的細(xì)顆粒在滲透力的作用下，迅速從粗顆粒骨架中脫離并被水流帶走。隨著時(shí)間的推移，侵蝕量的增長速率逐漸減緩。當(dāng)水力梯度為0.5時(shí)，侵蝕量在試驗(yàn)開始后的前30分鐘內(nèi)迅速增加，隨后增長速率逐漸降低，在120分鐘左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終穩(wěn)定侵蝕量約為5g。這是由于較小的水力梯度提供的滲透力相對較弱，隨著細(xì)顆粒的流失，剩余細(xì)顆粒與周圍顆粒的相互作用力逐漸增大，使得細(xì)顆粒的遷移變得困難，從而導(dǎo)致侵蝕量增長逐漸停止。而當(dāng)水力梯度增大到1.0時(shí)，侵蝕量在前20分鐘內(nèi)急劇增加，隨后增長趨勢變緩，在90分鐘左右達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定侵蝕量約為8g。這表明水力梯度的增大使得水流的驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)，能夠更快速地帶動(dòng)細(xì)顆粒遷移，導(dǎo)致侵蝕量在更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高水平。當(dāng)水力梯度進(jìn)一步增大到1.5和2.0時(shí)，侵蝕量的增長速度更快，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間更短，且穩(wěn)定侵蝕量分別約為12g和15g。這充分說明水力梯度對侵蝕量的影響十分顯著，水力梯度越大，侵蝕量越大，且侵蝕達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短。不同顆粒級配的碎石土侵蝕量也存在明顯差異。顆粒級配良好的碎石土，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，細(xì)顆粒填充在粗顆粒的孔隙中，不易被水流帶走。在相同水力梯度下，顆粒級配良好的碎石土侵蝕量明顯低于顆粒級配一般和不良的碎石土。例如，在水力梯度為1.0時(shí)，顆粒級配良好的碎石土最終侵蝕量約為6g，而顆粒級配一般的碎石土侵蝕量約為9g，顆粒級配不良的碎石土侵蝕量則高達(dá)11g。這是因?yàn)轭w粒級配不良的碎石土中，粗顆粒之間的孔隙較大，細(xì)顆粒在其中的約束較弱，容易受到水流的作用而流失。土體初始密度對侵蝕量也有重要影響。初始密度較大的碎石土，其顆粒之間的接觸更為緊密，孔隙較小，細(xì)顆粒難以移動(dòng)。在試驗(yàn)中，初始密度為2.2g/cm3的碎石土，其侵蝕量明顯小于初始密度為1.8g/cm3的碎石土。在水力梯度為1.5時(shí)，初始密度為1.8g/cm3的碎石土最終侵蝕量約為14g，而初始密度為2.2g/cm3的碎石土侵蝕量約為10g。這表明提高土體的初始密度可以有效抑制內(nèi)部侵蝕的發(fā)生，減少侵蝕量。3.2.2孔隙率變化分析在內(nèi)部侵蝕過程中，碎石土的孔隙率發(fā)生了顯著變化。通過CT掃描技術(shù)，對試驗(yàn)前后的碎石土試樣進(jìn)行孔隙結(jié)構(gòu)分析，得到了孔隙率隨內(nèi)部侵蝕發(fā)展的變化情況。圖2為不同水力梯度下孔隙率隨時(shí)間的變化曲線。在試驗(yàn)開始時(shí)，由于水流的作用，土體內(nèi)部的細(xì)顆粒開始流失，孔隙率迅速增大。當(dāng)水力梯度為0.5時(shí)，孔隙率在試驗(yàn)開始后的前60分鐘內(nèi)從初始的30%增加到35%，隨后增長速度逐漸減緩，在180分鐘左右基本穩(wěn)定在37%。這是因?yàn)殡S著細(xì)顆粒的流失，孔隙逐漸擴(kuò)大，但同時(shí)粗顆粒之間的結(jié)構(gòu)也在逐漸調(diào)整，對孔隙的進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)生一定的限制。當(dāng)水力梯度增大到1.0時(shí)，孔隙率在更短的時(shí)間內(nèi)快速增大，前40分鐘內(nèi)從30%增加到38%，在150分鐘左右穩(wěn)定在40%。水力梯度的增大使得水流對細(xì)顆粒的沖刷作用更強(qiáng)，更多的細(xì)顆粒被帶走，從而導(dǎo)致孔隙率更快地增大。隨著水力梯度繼續(xù)增大到1.5和2.0，孔隙率的增長速度進(jìn)一步加快，且最終穩(wěn)定值更高，分別穩(wěn)定在43%和45%左右。這充分說明水力梯度越大，對孔隙率的影響越顯著，孔隙率增大的速度越快，最終達(dá)到的穩(wěn)定值也越高。顆粒級配和土體初始密度對孔隙率變化同樣有重要影響。顆粒級配良好的碎石土，在內(nèi)部侵蝕過程中孔隙率的增加幅度相對較小。這是因?yàn)槠鋬?nèi)部結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，細(xì)顆粒流失相對較少，對孔隙結(jié)構(gòu)的破壞程度較低。在相同水力梯度下，顆粒級配良好的碎石土最終孔隙率比顆粒級配不良的碎石土低約5%-8%。土體初始密度較大時(shí)，孔隙率的初始值較小，在內(nèi)部侵蝕過程中，由于顆粒之間的緊密接觸，細(xì)顆粒流失困難，孔隙率的增加幅度也較小。初始密度為2.2g/cm3的碎石土在侵蝕后的孔隙率比初始密度為1.8g/cm3的碎石土低約3%-5%。3.2.3優(yōu)勢通道的形成與發(fā)展在試驗(yàn)過程中，通過高速攝像機(jī)和CT掃描技術(shù)，對優(yōu)勢通道的形成與發(fā)展過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析。在內(nèi)部侵蝕初期，水流在土體孔隙中隨機(jī)流動(dòng)，細(xì)顆粒開始逐漸從粗顆粒骨架中脫離并被水流帶走。隨著侵蝕的進(jìn)行，部分區(qū)域的細(xì)顆粒流失較為集中，這些區(qū)域的孔隙逐漸擴(kuò)大并相互連通，開始形成優(yōu)勢通道的雛形。當(dāng)水力梯度較大時(shí)，優(yōu)勢通道的形成速度更快。在水力梯度為2.0的試驗(yàn)中，優(yōu)勢通道在試驗(yàn)開始后的30分鐘內(nèi)就開始出現(xiàn)明顯的跡象，而在水力梯度為0.5的試驗(yàn)中，優(yōu)勢通道在60分鐘后才較為明顯。這是因?yàn)檩^大的水力梯度提供了更強(qiáng)的水流驅(qū)動(dòng)力，能夠更快速地帶走細(xì)顆粒，促進(jìn)孔隙的擴(kuò)大和連通。隨著時(shí)間的推移，優(yōu)勢通道不斷發(fā)展壯大，其直徑逐漸增大，長度逐漸延伸。在試驗(yàn)后期，優(yōu)勢通道貫穿整個(gè)試樣，形成了穩(wěn)定的水流通道。顆粒級配和土體初始密度對優(yōu)勢通道的形成也有影響。顆粒級配不良的碎石土，由于其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不均勻，更容易形成優(yōu)勢通道。在相同水力條件下，顆粒級配不良的碎石土中優(yōu)勢通道的形成時(shí)間比顆粒級配良好的碎石土提前約20-30分鐘。土體初始密度較小的碎石土，其內(nèi)部孔隙較大，細(xì)顆粒更容易移動(dòng)，也有利于優(yōu)勢通道的形成。初始密度為1.8g/cm3的碎石土中優(yōu)勢通道的發(fā)展速度比初始密度為2.2g/cm3的碎石土更快，優(yōu)勢通道的直徑更大。優(yōu)勢通道的形成和發(fā)展對內(nèi)部侵蝕的進(jìn)一步發(fā)展起到了促進(jìn)作用，使得水流能夠更集中地通過優(yōu)勢通道，加大對通道周圍土體的沖刷，導(dǎo)致更多的細(xì)顆粒流失，從而加速內(nèi)部侵蝕的進(jìn)程。3.3案例分析以某山區(qū)公路建設(shè)項(xiàng)目中的碎石土邊坡為案例，深入分析碎石土內(nèi)部侵蝕的具體過程和影響因素。該公路邊坡高度為15m，坡度為1:1.5，采用碎石土作為填筑材料。在公路運(yùn)營過程中，發(fā)現(xiàn)邊坡局部出現(xiàn)了塌陷和裂縫等異?，F(xiàn)象，經(jīng)初步調(diào)查，懷疑是內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性下降。通過現(xiàn)場鉆孔取樣，對不同深度的碎石土進(jìn)行顆粒級配分析，發(fā)現(xiàn)表層碎石土的細(xì)顆粒含量明顯低于深層。這表明在長期的降雨和水流作用下，表層碎石土的細(xì)顆粒發(fā)生了流失。對取回的試樣進(jìn)行室內(nèi)滲透試驗(yàn)，結(jié)果顯示，隨著深度的增加，滲透系數(shù)逐漸減小，這與內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致孔隙率增大、滲透系數(shù)增大的理論相符。在深度為0-2m的范圍內(nèi)，滲透系數(shù)為5×10?3cm/s，而在深度為8-10m的范圍內(nèi)，滲透系數(shù)減小到1×10?3cm/s。通過對該邊坡的長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)降雨對內(nèi)部侵蝕有顯著影響。在雨季，降雨量較大，地下水位上升，水力梯度增大，內(nèi)部侵蝕加劇。在一次連續(xù)降雨后，監(jiān)測到邊坡的滲流量明顯增加，同時(shí)侵蝕顆粒含量也有所上升。在連續(xù)降雨3天后，滲流量從平時(shí)的5L/min增加到10L/min，侵蝕顆粒含量從0.5g/L增加到1.2g/L。運(yùn)用數(shù)值模擬軟件對該邊坡的內(nèi)部侵蝕過程進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測和試驗(yàn)結(jié)果基本一致。通過模擬，直觀地展示了內(nèi)部侵蝕過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化、優(yōu)勢通道的形成以及邊坡穩(wěn)定性的降低。在模擬中，隨著內(nèi)部侵蝕的發(fā)展，邊坡的潛在滑動(dòng)面逐漸向淺層移動(dòng)，穩(wěn)定系數(shù)從初始的1.5降低到1.2，接近邊坡失穩(wěn)的臨界狀態(tài)。該案例充分驗(yàn)證了前面理論分析和試驗(yàn)研究的結(jié)果，即顆粒級配、水力條件、降雨等因素對碎石土內(nèi)部侵蝕有重要影響，內(nèi)部侵蝕會(huì)導(dǎo)致土體孔隙結(jié)構(gòu)改變、強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響斜坡的穩(wěn)定性。四、影響碎石土內(nèi)部侵蝕的因素4.1顆粒級配的影響顆粒級配是影響碎石土內(nèi)部侵蝕的關(guān)鍵因素之一，它對碎石土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和細(xì)顆粒遷移特性有著顯著影響。不同顆粒級配的碎石土，其內(nèi)部侵蝕過程存在明顯差異。顆粒級配良好的碎石土，細(xì)顆粒能夠較好地填充在粗顆粒形成的骨架孔隙中，使得土體結(jié)構(gòu)相對緊密。在這種情況下，水流在孔隙中流動(dòng)時(shí)，細(xì)顆粒受到粗顆粒的約束作用較強(qiáng)，難以被水流帶走。在常水頭滲透試驗(yàn)中，選取顆粒級配良好的碎石土試樣，當(dāng)水力梯度為1.0時(shí)，經(jīng)過120分鐘的試驗(yàn)，侵蝕量僅為6g。這是因?yàn)榱己玫念w粒級配使得土體內(nèi)部的孔隙大小分布較為均勻，細(xì)顆粒在孔隙中的嵌固作用較好，水流的滲透力難以克服細(xì)顆粒與周圍顆粒之間的摩擦力和粘聚力，從而抑制了內(nèi)部侵蝕的發(fā)生。相比之下，顆粒級配不良的碎石土，粗顆粒之間的孔隙較大，細(xì)顆粒在其中的約束較弱。當(dāng)水流通過時(shí)，細(xì)顆粒容易在滲透力的作用下發(fā)生遷移和流失。在相同的水力梯度1.0條件下，對顆粒級配不良的碎石土試樣進(jìn)行試驗(yàn)，120分鐘后的侵蝕量達(dá)到了11g，明顯高于顆粒級配良好的碎石土。這是由于顆粒級配不良導(dǎo)致土體內(nèi)部存在較大的孔隙通道，水流能夠更順暢地通過，對細(xì)顆粒的沖刷作用更強(qiáng)，使得細(xì)顆粒更容易被帶走，加劇了內(nèi)部侵蝕的程度。通過對不同顆粒級配碎石土的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒級配與侵蝕敏感性之間存在密切關(guān)系。通常采用不均勻系數(shù)C_u和曲率系數(shù)C_c來衡量顆粒級配的特征。不均勻系數(shù)C_u=d_{60}/d_{10}，其中d_{60}是指小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總質(zhì)量60%的粒徑，d_{10}是指小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總質(zhì)量10%的粒徑；曲率系數(shù)C_c=(d_{30})^2/(d_{60}\timesd_{10})，其中d_{30}是指小于該粒徑的土粒質(zhì)量占總質(zhì)量30%的粒徑。當(dāng)不均勻系數(shù)C_u較小，說明顆粒粒徑分布較為集中，級配不良，這種情況下碎石土的侵蝕敏感性較高。因?yàn)榱郊袑?dǎo)致粗顆粒之間的孔隙大小相近，缺乏細(xì)顆粒的有效填充，水流容易在孔隙中形成較大的流速和壓力，從而帶動(dòng)細(xì)顆粒流失。而當(dāng)不均勻系數(shù)C_u較大，且曲率系數(shù)C_c在合理范圍內(nèi)（一般認(rèn)為1\leqC_c\leq3）時(shí)，顆粒級配良好，侵蝕敏感性較低。此時(shí)，大小顆粒搭配合理，細(xì)顆粒能夠填充在粗顆粒的孔隙中，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，抵抗水流的侵蝕作用。研究還表明，顆粒級配不僅影響侵蝕量，還對孔隙率變化和優(yōu)勢通道的形成有重要影響。顆粒級配不良的碎石土在內(nèi)部侵蝕過程中，孔隙率增加的速度更快，更容易形成優(yōu)勢通道。在試驗(yàn)中，顆粒級配不良的碎石土在侵蝕2小時(shí)后，孔隙率從初始的30%增加到38%，而顆粒級配良好的碎石土孔隙率僅增加到33%。同時(shí)，顆粒級配不良的碎石土在試驗(yàn)開始后的40分鐘就出現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢通道跡象，而顆粒級配良好的碎石土在60分鐘后才出現(xiàn)較為明顯的優(yōu)勢通道。這進(jìn)一步說明了顆粒級配對碎石土內(nèi)部侵蝕過程的重要影響，良好的顆粒級配有助于提高碎石土的抗侵蝕能力，保障工程的穩(wěn)定性。4.2水力條件的作用水力條件是影響碎石土內(nèi)部侵蝕的重要因素，其中水力梯度和流速對內(nèi)部侵蝕的發(fā)生和發(fā)展起著關(guān)鍵作用，其作用機(jī)制和影響規(guī)律值得深入研究。水力梯度是單位滲流長度上的水頭損失，它直接決定了水流對土體的滲透力大小。當(dāng)水力梯度較小時(shí)，水流的滲透力不足以克服細(xì)顆粒與周圍顆粒之間的摩擦力和粘聚力，內(nèi)部侵蝕難以發(fā)生。在常水頭滲透試驗(yàn)中，當(dāng)水力梯度為0.2時(shí)，經(jīng)過長時(shí)間的試驗(yàn)觀察，幾乎沒有細(xì)顆粒被侵蝕帶走，侵蝕量趨近于零。這是因?yàn)榇藭r(shí)水流的驅(qū)動(dòng)力較弱，無法破壞細(xì)顆粒在土體中的穩(wěn)定狀態(tài)。隨著水力梯度的增大，滲透力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)水力梯度達(dá)到一定閾值時(shí)，滲透力能夠克服細(xì)顆粒與周圍顆粒之間的相互作用力，細(xì)顆粒開始被水流帶動(dòng)而發(fā)生遷移。在水力梯度為0.5的試驗(yàn)中，細(xì)顆粒開始逐漸從土體中脫離并被水流帶走，侵蝕量開始逐漸增加。這表明水力梯度的增大為細(xì)顆粒的遷移提供了足夠的動(dòng)力，使得內(nèi)部侵蝕得以啟動(dòng)。當(dāng)水力梯度進(jìn)一步增大時(shí)，滲透力急劇增加，細(xì)顆粒的遷移速度加快，內(nèi)部侵蝕加劇。在水力梯度為1.5的試驗(yàn)中，侵蝕量迅速上升，孔隙率增大速度加快，優(yōu)勢通道形成的時(shí)間也明顯提前。這是因?yàn)檩^大的水力梯度使得水流對土體的沖刷作用更強(qiáng)，能夠更快速地將細(xì)顆粒帶走，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)破壞加劇，內(nèi)部侵蝕的發(fā)展速度顯著提高。流速與水力梯度密切相關(guān)，在其他條件相同的情況下，水力梯度越大，流速越快。流速對內(nèi)部侵蝕的影響主要體現(xiàn)在對細(xì)顆粒的攜帶能力上。流速較小時(shí)，水流攜帶細(xì)顆粒的能力有限，即使有細(xì)顆粒被滲透力松動(dòng)，也難以被遠(yuǎn)距離搬運(yùn)，內(nèi)部侵蝕的范圍和程度相對較小。在流速為5cm/s的試驗(yàn)中，細(xì)顆粒主要在局部區(qū)域內(nèi)遷移，侵蝕范圍局限在靠近進(jìn)水口的部分土體。當(dāng)流速增大時(shí)，水流能夠攜帶更多的細(xì)顆粒，并且可以將細(xì)顆粒帶到更遠(yuǎn)的地方，從而擴(kuò)大了內(nèi)部侵蝕的范圍。在流速為15cm/s的試驗(yàn)中，細(xì)顆粒不僅在進(jìn)水口附近被侵蝕，還隨著水流擴(kuò)散到整個(gè)試樣，侵蝕范圍明顯擴(kuò)大。此外，流速的增大還會(huì)加大水流對土體的沖刷作用，進(jìn)一步破壞土體結(jié)構(gòu)，促進(jìn)內(nèi)部侵蝕的發(fā)展。流速的增加會(huì)導(dǎo)致水流對土體孔隙壁的沖擊力增大，使得孔隙壁上的顆粒更容易被沖刷下來，從而加速孔隙的擴(kuò)大和連通，形成更大的優(yōu)勢通道，進(jìn)一步加劇內(nèi)部侵蝕。水力條件不僅影響內(nèi)部侵蝕的初始發(fā)生和發(fā)展速度，還對侵蝕的最終穩(wěn)定狀態(tài)產(chǎn)生影響。在較低的水力梯度和流速下，內(nèi)部侵蝕經(jīng)過一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)侵蝕量不再明顯增加，土體結(jié)構(gòu)也相對穩(wěn)定。而在較高的水力梯度和流速下，內(nèi)部侵蝕可能會(huì)持續(xù)發(fā)展，直至土體結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，甚至導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。在高水力梯度和流速條件下，優(yōu)勢通道不斷擴(kuò)大，土體的滲透系數(shù)持續(xù)增大，滲流量不斷增加，最終可能導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度大幅降低，引發(fā)滑坡、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。4.3其他因素探討除了顆粒級配和水力條件外，土體初始狀態(tài)、外部荷載等因素也對碎石土內(nèi)部侵蝕有著重要影響。土體初始狀態(tài)中的初始密度和初始含水量對內(nèi)部侵蝕的影響較為顯著。初始密度較大的碎石土，其顆粒之間的接觸更為緊密，孔隙較小且分布相對均勻。在這種情況下，細(xì)顆粒在土體中的移動(dòng)空間受限，水流也難以在其中形成較大的流速和壓力，從而抑制了內(nèi)部侵蝕的發(fā)生。在常水頭滲透試驗(yàn)中，當(dāng)土體初始密度為2.2g/cm3時(shí)，侵蝕量明顯低于初始密度為1.8g/cm3的情況。在相同的水力梯度1.0條件下，初始密度為1.8g/cm3的碎石土，經(jīng)過120分鐘試驗(yàn)后的侵蝕量為10g，而初始密度為2.2g/cm3的碎石土侵蝕量僅為7g。這表明較高的初始密度能夠有效減少細(xì)顆粒的流失，降低內(nèi)部侵蝕的程度。初始含水量同樣對內(nèi)部侵蝕有重要作用。當(dāng)初始含水量較低時(shí)，土體中的水分主要以結(jié)合水的形式存在，顆粒之間的摩擦力較大，細(xì)顆粒與周圍顆粒的結(jié)合較為緊密，不易被水流帶走。隨著初始含水量的增加，土體中的自由水含量增多，顆粒之間的潤滑作用增強(qiáng)，摩擦力減小，細(xì)顆粒更容易在滲透力的作用下發(fā)生遷移。在初始含水量為5%的試驗(yàn)中，侵蝕量相對較??；而當(dāng)初始含水量增加到15%時(shí)，侵蝕量明顯增大。這是因?yàn)檩^高的初始含水量使得水流在土體中的滲透更加順暢，增加了對細(xì)顆粒的沖刷作用，從而加劇了內(nèi)部侵蝕。外部荷載對碎石土內(nèi)部侵蝕的影響也不容忽視。在實(shí)際工程中，碎石土斜坡往往承受著各種外部荷載，如建筑物的自重、交通荷載、地震荷載等。當(dāng)受到外部荷載作用時(shí)，土體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，孔隙結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之變形。在建筑物自重作用下，碎石土可能會(huì)被壓實(shí)，孔隙率減小，但同時(shí)也可能導(dǎo)致顆粒之間的接觸點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)或破壞，形成新的孔隙通道。這些孔隙通道的變化會(huì)影響水流的滲透路徑和流速，進(jìn)而對內(nèi)部侵蝕產(chǎn)生影響。地震荷載具有瞬時(shí)性和強(qiáng)烈的動(dòng)力作用，對碎石土內(nèi)部侵蝕的影響更為復(fù)雜。在地震作用下，土體受到強(qiáng)烈的震動(dòng)，顆粒之間的相對位置發(fā)生快速變化，原本穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)被破壞。這種結(jié)構(gòu)的破壞會(huì)導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)的急劇改變，形成大量的裂縫和孔洞，為水流的滲透和細(xì)顆粒的遷移提供了更有利的條件。在地震模擬試驗(yàn)中，當(dāng)施加一定強(qiáng)度的地震波后，發(fā)現(xiàn)碎石土的侵蝕量迅速增加，孔隙率也大幅增大。這表明地震荷載能夠在短時(shí)間內(nèi)加劇內(nèi)部侵蝕的發(fā)展，對碎石土的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅。土體初始狀態(tài)和外部荷載等因素與顆粒級配、水力條件相互作用，共同影響著碎石土內(nèi)部侵蝕的過程。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮這些因素，全面評估碎石土的內(nèi)部侵蝕風(fēng)險(xiǎn)，采取有效的防治措施，確保工程的安全穩(wěn)定。五、碎石土內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響分析5.1斜坡穩(wěn)定性分析方法概述在巖土工程領(lǐng)域，斜坡穩(wěn)定性分析是評估斜坡在各種工況下是否穩(wěn)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，常用的分析方法包括極限平衡法、有限元法等，這些方法各有其原理和適用范圍。極限平衡法是一種經(jīng)典的斜坡穩(wěn)定性分析方法，其理論基礎(chǔ)是摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則。該方法假定斜坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)，滑體上的抗滑力與下滑力滿足靜力平衡條件。以瑞典條分法為例，它將滑動(dòng)土體沿滑動(dòng)面分成若干垂直土條，對每個(gè)土條進(jìn)行受力分析。作用在土條上的力主要有土條的自重、滑動(dòng)面上的法向力和切向力、土條間的作用力等。通過對這些力進(jìn)行平衡分析，建立力的平衡方程。假設(shè)土條的自重為W_i，滑動(dòng)面的法向力為N_i，切向力為T_i，土條間的法向力為E_i和切向力為X_i，滑動(dòng)面的長度為l_i，粘聚力為c_i，內(nèi)摩擦角為\varphi_i，則根據(jù)力的平衡條件，在垂直方向上有N_i=W_i+X_{i+1}-X_i，在水平方向上有T_i=E_{i+1}-E_i。同時(shí)，根據(jù)摩爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則，滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度S_i=c_il_i+N_i\tan\varphi_i。通過對所有土條的力進(jìn)行累加和平衡分析，最終可以計(jì)算出斜坡的穩(wěn)定系數(shù)F_s，公式為F_s=\frac{\sum_{i=1}^{n}(c_il_i+N_i\tan\varphi_i)}{\sum_{i=1}^{n}T_i}，當(dāng)F_s\geq1時(shí)，認(rèn)為斜坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)F_s\lt1時(shí)，斜坡可能發(fā)生滑動(dòng)破壞。簡化Bishop法是在瑞典條分法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，它考慮了土條間的作用力，假定土條間的切向力為零，從而對瑞典條分法進(jìn)行了改進(jìn)，使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。極限平衡法適用于分析均質(zhì)或?qū)訝钔馏w的斜坡穩(wěn)定性，以及簡單巖體結(jié)構(gòu)的斜坡，在工程實(shí)踐中應(yīng)用廣泛，尤其是對于一些初步設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性評估要求不是特別高的項(xiàng)目，因其計(jì)算相對簡單、概念清晰，能夠快速給出斜坡穩(wěn)定性的大致評估結(jié)果。有限元法是一種基于數(shù)值計(jì)算的分析方法，它將斜坡視為一個(gè)連續(xù)的介質(zhì)，通過將其離散為有限個(gè)小單元，對每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)特性分析，然后將所有單元的分析結(jié)果組合起來，得到整個(gè)斜坡的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況。在有限元分析中，首先要建立斜坡的幾何模型，根據(jù)斜坡的實(shí)際形狀和尺寸，在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建相應(yīng)的三維或二維模型。然后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將其離散為眾多小單元，單元的形狀可以是三角形、四邊形等。接著，根據(jù)土體的物理力學(xué)性質(zhì)，為每個(gè)單元賦予相應(yīng)的材料參數(shù)，如彈性模量E、泊松比\mu、密度\rho、粘聚力c和內(nèi)摩擦角\varphi等。在加載和邊界條件設(shè)置方面，根據(jù)實(shí)際情況，對斜坡施加各種荷載，如自重、地面荷載、地震荷載等，并確定模型的邊界條件，如固定邊界、自由邊界等。通過求解建立的有限元方程，得到每個(gè)單元的應(yīng)力、應(yīng)變和位移值，進(jìn)而分析斜坡的穩(wěn)定性。有限元法能夠考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件，如土體的非均質(zhì)性、各向異性，以及復(fù)雜的加載條件，如動(dòng)態(tài)荷載、滲流-應(yīng)力耦合作用等。在分析碎石土斜坡時(shí)，它可以很好地模擬內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致的土體力學(xué)參數(shù)變化對斜坡穩(wěn)定性的影響，通過不斷更新土體參數(shù)，動(dòng)態(tài)地分析斜坡在不同侵蝕階段的穩(wěn)定性變化。因此，有限元法在處理復(fù)雜工程問題時(shí)具有明顯優(yōu)勢，在對斜坡穩(wěn)定性要求較高、地質(zhì)條件復(fù)雜的大型工程中得到了廣泛應(yīng)用。5.2內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響機(jī)制內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要通過改變土體的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，具體表現(xiàn)為抗剪強(qiáng)度降低、孔隙水壓力增加以及土體結(jié)構(gòu)破壞等方面。在抗剪強(qiáng)度降低方面，碎石土的抗剪強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦力和粘聚力構(gòu)成。在內(nèi)部侵蝕過程中，細(xì)顆粒的流失對這兩個(gè)因素都產(chǎn)生了負(fù)面影響。隨著細(xì)顆粒的不斷流失，粗顆粒之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，原本由細(xì)顆粒填充的孔隙逐漸增大，使得顆粒之間的相互咬合作用減弱，內(nèi)摩擦力隨之降低。在未發(fā)生內(nèi)部侵蝕的碎石土中，顆粒之間緊密接觸，相互咬合形成較強(qiáng)的摩擦力，能夠有效抵抗剪切力。而當(dāng)內(nèi)部侵蝕發(fā)生后，部分細(xì)顆粒被水流帶走，粗顆粒之間的咬合點(diǎn)減少，摩擦力降低，導(dǎo)致土體抵抗剪切變形的能力下降。細(xì)顆粒的流失還會(huì)導(dǎo)致粘聚力減小。細(xì)顆粒在土體中起到膠結(jié)作用，它們通過表面的電荷和化學(xué)物質(zhì)與其他顆粒相互作用，形成一定的粘聚力。當(dāng)細(xì)顆粒流失后，這種膠結(jié)作用減弱，粘聚力降低。在一些含有粘土顆粒的碎石土中，粘土顆粒的膠結(jié)作用使得土體具有一定的粘聚力。但在內(nèi)部侵蝕過程中，粘土顆粒的流失會(huì)使土體的粘聚力大幅下降，從原來的15kPa降低到8kPa左右。抗剪強(qiáng)度的降低使得斜坡在受到外力作用時(shí)更容易發(fā)生滑動(dòng)破壞，降低了斜坡的穩(wěn)定性。內(nèi)部侵蝕還會(huì)導(dǎo)致孔隙水壓力增加。隨著內(nèi)部侵蝕的發(fā)展，土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，孔隙率增大，孔隙連通性增強(qiáng)。這使得水流在土體中的滲透更加順暢，在斜坡內(nèi)部形成更大的滲流場。當(dāng)滲流遇到相對不透水的層面或區(qū)域時(shí)，水流受阻，孔隙水無法及時(shí)排出，從而導(dǎo)致孔隙水壓力升高。在斜坡的下部，由于地下水的匯集和滲流的影響，孔隙水壓力可能會(huì)顯著增加?？紫端畨毫Φ脑黾訉π逼路€(wěn)定性產(chǎn)生多方面的不利影響。根據(jù)有效應(yīng)力原理，土體的有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力。當(dāng)孔隙水壓力增大時(shí)，有效應(yīng)力減小，而土體的抗剪強(qiáng)度與有效應(yīng)力密切相關(guān)，有效應(yīng)力的減小會(huì)導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低?？紫端畨毫Φ脑黾舆€會(huì)產(chǎn)生向上的浮托力，減小土體顆粒之間的有效接觸力，進(jìn)一步削弱土體的抗滑能力。在飽和的碎石土斜坡中，孔隙水壓力的增加可能使土體處于懸浮狀態(tài)，極大地降低了斜坡的穩(wěn)定性，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。內(nèi)部侵蝕還會(huì)對土體結(jié)構(gòu)造成破壞。在內(nèi)部侵蝕過程中，細(xì)顆粒的流失和優(yōu)勢通道的形成會(huì)改變土體的原有結(jié)構(gòu)。優(yōu)勢通道的形成使得土體內(nèi)部出現(xiàn)了集中的水流通道，這些通道周圍的土體受到水流的沖刷作用，結(jié)構(gòu)逐漸松散。隨著優(yōu)勢通道的不斷發(fā)展，土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變得更加不均勻，局部區(qū)域的強(qiáng)度明顯降低。在一些嚴(yán)重侵蝕的區(qū)域，土體可能會(huì)出現(xiàn)空洞和裂縫，進(jìn)一步破壞了土體的整體性和穩(wěn)定性。土體結(jié)構(gòu)的破壞還會(huì)導(dǎo)致斜坡的應(yīng)力分布發(fā)生改變。原本均勻分布的應(yīng)力由于土體結(jié)構(gòu)的破壞而出現(xiàn)集中現(xiàn)象，在優(yōu)勢通道附近和土體結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)力集中明顯，容易引發(fā)局部的剪切破壞。這些局部破壞會(huì)逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)斜坡的失穩(wěn)。內(nèi)部侵蝕對土體結(jié)構(gòu)的破壞是一個(gè)漸進(jìn)的過程，從微觀層面的顆粒流失到宏觀層面的結(jié)構(gòu)變形和破壞，對斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅。5.3數(shù)值模擬與案例驗(yàn)證為了更深入地研究碎石土內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證。采用有限元軟件ABAQUS建立考慮內(nèi)部侵蝕的斜坡模型。模型尺寸為長50m、寬30m、高10m，斜坡坡度為1:1.5。模型底部設(shè)置為固定邊界，限制其在x、y、z三個(gè)方向的位移；側(cè)面設(shè)置為水平約束邊界，僅允許其在垂直方向上自由變形。在模型中，將碎石土視為彈塑性材料，采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型來描述其力學(xué)行為。根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果，確定未侵蝕狀態(tài)下碎石土的彈性模量為50MPa，泊松比為0.3，密度為2.2×103kg/m3，粘聚力為20kPa，內(nèi)摩擦角為35°。在模擬內(nèi)部侵蝕時(shí)，通過編寫用戶自定義子程序（UMAT）來實(shí)現(xiàn)土體力學(xué)參數(shù)隨內(nèi)部侵蝕的變化。根據(jù)試驗(yàn)得到的侵蝕量與時(shí)間、水力梯度的關(guān)系，以及孔隙率變化與侵蝕量的關(guān)系，建立土體力學(xué)參數(shù)（如彈性模量、粘聚力、內(nèi)摩擦角等）隨內(nèi)部侵蝕程度的變化函數(shù)。隨著侵蝕量的增加，彈性模量按照一定比例降低，粘聚力和內(nèi)摩擦角也相應(yīng)減小。在侵蝕量達(dá)到總質(zhì)量的10%時(shí)，彈性模量降低到原來的80%，粘聚力減小到15kPa，內(nèi)摩擦角減小到30°。模擬不同侵蝕程度下斜坡的穩(wěn)定性變化，設(shè)定侵蝕量分別為總質(zhì)量的0%、5%、10%、15%和20%。在模擬過程中，分析斜坡的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、潛在滑動(dòng)面的位置和形狀以及穩(wěn)定系數(shù)的變化。當(dāng)侵蝕量為0%時(shí)，斜坡的最大主應(yīng)力主要集中在坡腳處，大小約為150kPa，最小主應(yīng)力分布在斜坡的上部，大小約為50kPa。隨著侵蝕量的增加，最大主應(yīng)力逐漸增大，且分布范圍擴(kuò)大，在侵蝕量為20%時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到250kPa，且在斜坡中部也出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中區(qū)域。最小主應(yīng)力則逐漸減小，在斜坡上部的部分區(qū)域甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力。潛在滑動(dòng)面的位置和形狀也隨侵蝕程度發(fā)生變化。在未侵蝕狀態(tài)下，潛在滑動(dòng)面呈圓弧形，深度約為3m，從坡腳延伸至斜坡中部。隨著侵蝕的發(fā)展，潛在滑動(dòng)面逐漸向淺層移動(dòng)，且形狀變得更加不規(guī)則。當(dāng)侵蝕量為20%時(shí)，潛在滑動(dòng)面深度減小到2m左右，且在優(yōu)勢通道附近出現(xiàn)了局部的突變。穩(wěn)定系數(shù)隨著侵蝕量的增加而逐漸降低，在侵蝕量為0%時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)為1.5，處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)侵蝕量達(dá)到5%時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)降低到1.35；當(dāng)侵蝕量為20%時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)降至1.05，接近失穩(wěn)狀態(tài)。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取某山區(qū)的碎石土斜坡作為實(shí)際案例。該斜坡高度為12m，坡度為1:1.2，在長期的降雨和水流作用下，發(fā)生了內(nèi)部侵蝕現(xiàn)象。通過現(xiàn)場地質(zhì)勘察，獲取了斜坡的地質(zhì)條件、巖土參數(shù)等信息，并對斜坡進(jìn)行了位移監(jiān)測和孔隙水壓力監(jiān)測。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析。在位移監(jiān)測方面，現(xiàn)場監(jiān)測到斜坡在內(nèi)部侵蝕發(fā)展過程中，坡頂?shù)乃轿灰浦饾u增大。在侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域，坡頂水平位移在一個(gè)月內(nèi)增加了50mm。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在相同的侵蝕條件下，坡頂水平位移增加了48mm，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為接近。在孔隙水壓力監(jiān)測方面，現(xiàn)場監(jiān)測到斜坡內(nèi)部孔隙水壓力隨著內(nèi)部侵蝕的發(fā)展而升高，在坡腳處的孔隙水壓力從初始的10kPa增加到25kPa。數(shù)值模擬得到的坡腳孔隙水壓力為23kPa，與現(xiàn)場監(jiān)測值基本相符。通過對斜坡的穩(wěn)定性評估，現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)斜坡在局部區(qū)域出現(xiàn)了裂縫和坍塌跡象，表明其穩(wěn)定性降低。數(shù)值模擬結(jié)果也顯示，該斜坡的穩(wěn)定系數(shù)從初始的1.4降低到1.1，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，與現(xiàn)場實(shí)際情況一致。這充分驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，表明所建立的考慮內(nèi)部侵蝕的斜坡模型能夠較好地反映實(shí)際工程中斜坡的穩(wěn)定性變化情況，為工程實(shí)踐提供了可靠的分析方法和依據(jù)。六、基于內(nèi)部侵蝕的斜坡穩(wěn)定性評價(jià)與防治措施6.1穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)與方法建立基于對碎石土內(nèi)部侵蝕過程及其對斜坡穩(wěn)定性影響的深入研究，建立科學(xué)合理的穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)與方法至關(guān)重要。在評價(jià)指標(biāo)方面，除了傳統(tǒng)的穩(wěn)定系數(shù)外，將侵蝕量和孔隙率變化作為重要的評價(jià)指標(biāo)。侵蝕量直接反映了內(nèi)部侵蝕的程度，通過監(jiān)測侵蝕量的大小，可以直觀地了解細(xì)顆粒的流失情況。在某碎石土斜坡的監(jiān)測中，當(dāng)侵蝕量達(dá)到土體總質(zhì)量的8%時(shí)，斜坡的變形明顯加劇，出現(xiàn)了多條裂縫?？紫堵首兓瘎t體現(xiàn)了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變，隨著孔隙率的增大，土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性降低。通過CT掃描技術(shù)監(jiān)測到，當(dāng)孔隙率從初始的30%增加到35%時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度降低了約15%。在計(jì)算方法上，對傳統(tǒng)的安全系數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，充分考慮內(nèi)部侵蝕導(dǎo)致的土體力學(xué)參數(shù)變化。以極限平衡法為例，在計(jì)算抗滑力時(shí)，根據(jù)侵蝕量和孔隙率變化對粘聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行修正。假設(shè)未侵蝕時(shí)碎石土的粘聚力為c_0，內(nèi)摩擦角為\varphi_0，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，建立粘聚力和內(nèi)摩擦角與侵蝕量E和孔隙率n的關(guān)系模型。粘聚力修正公式為c=c_0(1-k_1E-k_2n)，內(nèi)摩擦角修正公式為\varphi=\varphi_0(1-k_3E-k_4n)，其中k_1、k_2、k_3、k_4為根據(jù)試驗(yàn)確定的系數(shù)。將修正后的粘聚力和內(nèi)摩擦角代入極限平衡法的安全系數(shù)計(jì)算公式中，得到考慮內(nèi)部侵蝕的安全系數(shù)F_s'。在某斜坡穩(wěn)定性分析中，采用傳統(tǒng)方法計(jì)算的安全系數(shù)為1.3，而考慮內(nèi)部侵蝕進(jìn)行修正后，安全系數(shù)降低到1.15，更準(zhǔn)確地反映了斜坡的實(shí)際穩(wěn)定性。除了極限平衡法，還引入數(shù)值模擬方法進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。利用有限元軟件建立斜坡的三維模型，在模型中設(shè)置不同的侵蝕區(qū)域和侵蝕程度，模擬內(nèi)部侵蝕對斜坡應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)的影響。通過數(shù)值模擬，可以得到斜坡在不同侵蝕階段的位移、應(yīng)力分布云圖，直觀地展示斜坡的變形和潛在破壞區(qū)域。在模擬中，當(dāng)內(nèi)部侵蝕發(fā)展到一定程度時(shí)，斜坡坡頂出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力集中區(qū)域，坡腳的剪應(yīng)力也顯著增大，這些信息為評估斜坡穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正。在實(shí)際工程中，通過布置位移監(jiān)測點(diǎn)、孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)等，實(shí)時(shí)獲取斜坡的狀態(tài)信息。將監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差時(shí)，分析原因并對計(jì)算模型和參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以提高穩(wěn)定性評價(jià)的準(zhǔn)確性。在某工程現(xiàn)場，監(jiān)測到斜坡的實(shí)際位移比計(jì)算值偏大，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于計(jì)算模型中未充分考慮地下水的動(dòng)態(tài)變化，對模型進(jìn)行修正后，計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)更加吻合。6.2防治措施探討根據(jù)前面的研究結(jié)果，針對碎石土內(nèi)部侵蝕對斜坡穩(wěn)定性的影響，提出以下防治措施：優(yōu)化顆粒級配：在工程施工前，對碎石土的顆粒級配進(jìn)行嚴(yán)格篩選和優(yōu)化。選擇顆粒級配良好的碎石土，確保細(xì)顆粒能夠充分填充粗顆粒之間的空隙，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在土石壩填筑中，通過篩分試驗(yàn)，剔除粒徑過大或過小的顆粒，調(diào)整顆粒級配，使不均勻系數(shù)C_u和曲率系數(shù)C_c滿足良好級配的要求，從而提高碎石土的抗侵蝕能力。也可以采用人工摻配的方法，將不同粒徑的顆粒按照一定比例混合，改善顆粒級配。在一些道路工程中，通過摻配合適比例的細(xì)砂和碎石，使碎石土的顆粒級配達(dá)到最佳狀態(tài)，有效減少了內(nèi)部侵蝕的發(fā)生。設(shè)置排水系統(tǒng)：合理設(shè)置排水系統(tǒng)是降低水力梯度、減少內(nèi)部侵蝕的關(guān)鍵措施。在斜坡頂部和坡面設(shè)置截水溝，攔截地表水，使其不流入斜坡內(nèi)部。截水溝的尺寸和間距應(yīng)根據(jù)斜坡的匯水面積、降雨量等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保能夠有效排除地表水。在斜坡內(nèi)部設(shè)置排水孔或排水盲溝，及時(shí)排除地下水，降低孔隙水壓力。排水孔的深度和間距要根據(jù)地下水位的深度和土體的滲透性來確定，保證排水效果。在某山區(qū)公路邊坡中，設(shè)置了間距為5m、深度為8m的排水孔，有效降低了地下水位，減少了內(nèi)部侵蝕的發(fā)生，提高了邊坡的穩(wěn)定性。還可以采用土工合成材料排水板，其具有排水速度快、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠更有效地排除土體中的水分，抑制內(nèi)部侵蝕的發(fā)展。加固坡體：采用合適的加固措施可以增強(qiáng)斜坡的穩(wěn)定性，抵抗內(nèi)部侵蝕的影響。對于淺層滑坡，可以采用擋土墻進(jìn)行支擋，擋土墻的高度和強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)斜坡的下滑力和土體性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在某小型碎石土斜坡治理中，設(shè)置了高度為3m的重力式擋土墻，有效阻止了斜坡的滑動(dòng)。對于深層滑坡，可采用錨索、錨桿等錨固措施，將斜坡土體與穩(wěn)定的巖體或土體連接在一起，提高土體的抗滑能力。在某大型碎石土斜坡加固工程中，采用了長度為15m的錨索，錨索間距為3m，對斜坡進(jìn)行錨固，顯著增強(qiáng)了斜坡的穩(wěn)定性。也可以采用注漿加固的方法，向土體中注入水泥漿或化學(xué)漿液，填充土體孔隙，提高土體的強(qiáng)度和抗侵蝕能力。在一些存在內(nèi)部侵蝕隱患的區(qū)域，通過注漿加固，使土體的抗剪強(qiáng)度提高了20%-30%，有效抑制了內(nèi)部侵蝕的發(fā)展。6.3工程應(yīng)用實(shí)例以某山區(qū)高速公路建設(shè)中的碎石土邊坡工程為例，該邊坡高度為20m，坡度為1:1.3，采用碎石土作為填筑材料。在工程建設(shè)初期，通過對碎石土的顆粒級配分析，發(fā)現(xiàn)其級配不良，細(xì)顆粒含量較高，存在較大的內(nèi)部侵蝕風(fēng)險(xiǎn)。為了提高邊坡的穩(wěn)定性，采取了以下防治措施：在顆粒級配優(yōu)化方面，對原有的碎石土進(jìn)行了篩分處理，剔除了部分細(xì)顆粒，并摻入適量的粗顆粒，使顆粒級配達(dá)到良好狀態(tài)。通過