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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 地下水的擾動(dòng)作用對(duì)地基土體的滲透破壞研究--以“天坑”為研究對(duì)象
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 數(shù)理
- 簡(jiǎn)介：
- 2010年1月份以來(lái)，我國(guó)四川、湖南、浙江多地頻繁發(fā)生“天坑”，引起了群眾恐慌并給城市安全帶來(lái)了巨大的隱患。本項(xiàng)目研究從滲流破壞理論出發(fā)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)循環(huán)變水壓滲透試驗(yàn)裝置模擬天然環(huán)境下地下水?dāng)_動(dòng)過(guò)程，研究了地下水?dāng)_動(dòng)作用下路基土體的變形破壞原因，闡明“天坑”的形成機(jī)制。通過(guò)研究最終提出新的、造成地基滲透破壞的原因，項(xiàng)目研究成果也豐富相關(guān)學(xué)科的教科書(shū)（《土力學(xué)》）內(nèi)容。
- 詳細(xì)介紹：
- 1.對(duì)成都周邊地區(qū)發(fā)生的地基“天坑”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐調(diào)查，了解當(dāng)?shù)氐膸r土體性質(zhì)、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，掌握“天坑”的地質(zhì)環(huán)境條件，為正確判斷“天坑”形成原因提供可靠數(shù)據(jù)。 2.通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣，測(cè)定土的不均勻系數(shù)Cu和滲透系數(shù)k，掌握當(dāng)?shù)芈坊寥赖幕疚锢硇再|(zhì)。開(kāi)展相關(guān)的滲透破壞試驗(yàn)，在地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供的非飽和土標(biāo)準(zhǔn)三軸測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行滲透破壞試驗(yàn)，獲得土體發(fā)生滲透破壞的條件。 3.自主設(shè)計(jì)制造實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)土體破壞前后的物理化學(xué)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，得出土體破壞的實(shí)質(zhì)。 4.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)條件的綜合分析，對(duì)地基“天坑”的形成現(xiàn)象進(jìn)行合理解釋，總結(jié)路基“天坑”中地基發(fā)生滲透破壞的特征。
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作品專業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 目的：為分析中國(guó)西南地區(qū)近兩年頻繁發(fā)生的“天坑”形成原因，消除天坑給基礎(chǔ)設(shè)施工程建設(shè)帶來(lái)的巨大隱患，以及消除群眾恐慌，闡明“天坑”的形成機(jī)制。 基本思路：1.地基“天坑”現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析→2.土樣常規(guī)物理化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)→3.自行設(shè)計(jì)研制試驗(yàn)裝置→4.土樣滲透破壞試驗(yàn)→5.“天坑”現(xiàn)象形成機(jī)理解釋
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性：立足于“地下水?dāng)_動(dòng)對(duì)地基土體滲透破壞”這一問(wèn)題，查明“天坑”成因之一，為了更好的達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，自主設(shè)計(jì)了先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置。將研究方法建立在物理基礎(chǔ)之上，抓住了科學(xué)問(wèn)題的本質(zhì)和關(guān)鍵。 先進(jìn)性：常見(jiàn)的滲透破壞主要為水平破壞，而“天坑”現(xiàn)象須從地下水?dāng)_動(dòng)作用下土體的豎向破壞來(lái)研究。 獨(dú)特之處：由于現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝備不能完美的實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，我們自主設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)裝置。裝置已申請(qǐng)專利。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 由于西南地區(qū)路基“天坑”現(xiàn)象頻發(fā)，研究成果可為合理解釋“天坑”現(xiàn)象提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，揭示成都周邊地區(qū)路基“天坑”形成機(jī)制。且此地區(qū)處于高度發(fā)展之中，選擇最安全的道路線路。提出新的土體滲透破壞類型，豐富教科書(shū)內(nèi)容。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 為分析中國(guó)西南地區(qū)近兩年頻繁發(fā)生的“天坑”形成原因，從滲流破壞理論出發(fā)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)循環(huán)變水壓滲透試驗(yàn)裝置模擬天然環(huán)境下地下水?dāng)_動(dòng)過(guò)程，研究了地下水?dāng)_動(dòng)作用下路基土體的變形破壞機(jī)制。首先利用常規(guī)土力學(xué)試驗(yàn)獲得了土樣的基本物理化學(xué)性質(zhì)，在此基礎(chǔ)上，為模擬地下水?dāng)_動(dòng)作用下土體的滲透破壞特征，采用了飽和土滲流理論，設(shè)計(jì)了一種變壓型常水頭滲透試驗(yàn)裝置，通過(guò)水頭大小的自動(dòng)循環(huán)改變模擬地下水對(duì)天然土體的擾動(dòng)影響，并考慮了真空吸蝕作用對(duì)土體塌陷的影響。通過(guò)分析破壞實(shí)驗(yàn)前后土樣級(jí)配組成、水頭變化和土樣變形破壞特性，獲得土樣在地下水?dāng)_動(dòng)作用下細(xì)顆粒明顯減少，土體承載力降低。通過(guò)變壓型常水頭滲透試驗(yàn)研究，表明該方法較好地闡明了西南地區(qū)“天坑”形成機(jī)制。 關(guān) 鍵 詞：土力學(xué)；天坑；滲透破壞；地下水?dāng)_動(dòng)
獲獎(jiǎng)情況
- 2011年成都理工大學(xué)科技立項(xiàng)比賽 一等獎(jiǎng) 學(xué)術(shù)論文已投稿（《巖土力學(xué)》編輯部）
鑒定結(jié)果
- 研究小組創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，并申請(qǐng)了專利，通過(guò)分析破壞實(shí)驗(yàn)，獲得土樣在地下水?dāng)_動(dòng)作用下“天坑”形成機(jī)制。研究?jī)?nèi)容特色顯著，創(chuàng)新點(diǎn)明確，研究過(guò)程表明該小組在科研方面具有較大的潛力。
參考文獻(xiàn)
- [1]萬(wàn)志清，秦四清，李志剛，等. 土洞形成的機(jī)理及起始條件[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2003,22(8) [2]隋旺華，董青紅. 近松散層開(kāi)采孔隙水壓力變化及其對(duì)水砂突涌的前兆意義[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào). 2008,27(9):1908-1916. [3]姚鑫，文冬光，戴福初，王獻(xiàn)禮，熊探宇. “5.12”汶川地震震后龍門(mén)山山前地表塌陷成因探討[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào) ,2008, 16(5): 578-583. [4]蔣小珍. 巖溶塌陷發(fā)育條件的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1998,9(增刊)：187-191. [5]王賢能，鄒輝，柳書(shū)秋. 巖溶塌陷區(qū)剛性樁復(fù)合地基技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)2007, 18(4)：61-65. [6]謝忠球，萬(wàn)志清，錢(qián)海濤. 人工抽水引起土洞擴(kuò)展條件的分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版).2007,37(4): 778-772.
同類課題研究水平概述
- 地表塌陷類型主要可分為兩種：構(gòu)造性塌陷和土體工程性塌陷。構(gòu)造性塌陷主要強(qiáng)調(diào)下覆碳酸鹽巖層遭地下水侵蝕后形成隱伏洞穴導(dǎo)致對(duì)上覆土體缺乏有效的承載力而導(dǎo)致的地表塌陷。土體工程性塌陷主要是從土力學(xué)角度出發(fā)，強(qiáng)調(diào)由于土體本身結(jié)構(gòu)特性和地下水位變動(dòng)導(dǎo)致的地表塌陷。 針對(duì)以上兩種塌陷類型，目前主要的形成機(jī)理主要有：自重效應(yīng)、振動(dòng)致塌效應(yīng)、酸液效應(yīng)等、荷載效應(yīng)、潛蝕作用論。在眾多引起地表塌陷的原因中，地下水?dāng)_動(dòng)對(duì)地基土體穩(wěn)定性的影響成為重要因素。萬(wàn)志清認(rèn)為超靜孔隙水壓力或真空吸力使土的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。隋旺華在突砂模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一旦抽冒或形成水砂突涌后，含水層內(nèi)孔隙水壓力表現(xiàn)為劇烈下降并形成瞬時(shí)負(fù)壓。謝忠球研究了人工抽水引起的巖溶地面塌陷的機(jī)理，認(rèn)為土洞的擴(kuò)展條件是剝落力大于土體抗拉強(qiáng)度。覃羨安認(rèn)為大氣降水滲入土層后產(chǎn)生超靜孔隙水壓力和動(dòng)水壓力，使得土洞形成和擴(kuò)大。 這些塌陷成因多由相關(guān)的學(xué)科理論分析獲得，而通過(guò)相關(guān)物理模型現(xiàn)場(chǎng)模擬地表塌陷成因的研究還較少。
