地下管道断裂引起的土体侵蚀透明土模型试验分析.pdf

收稿日期:基金项目:安徽省高校自然科学研究重点项目()安徽省教育厅省级质量工程项目()作者简介:刘皓昀()男安徽阜阳人硕士 通讯作者:段园煜()女安徽六安人副教授文章编号:()地下管道断裂引起的土体侵蚀透明土模型试验分析刘皓昀段园煜柏 奥方梅香(合肥学院 城市建设与交通学院安徽 合肥)摘要:为研究地下管道断裂引起的土体侵蚀内部发展过程利用透明土材料技术进行土体侵蚀模型试验 使用摄像设备记录透明土模型内部试验全过程对试验过程的图像进行定量测量分析塌陷坑尺寸随时间变化情况利用差分法对试验图像进行对比分析土体内部颗粒运动情况 试验结果表明:在无压管道内因管道断裂而产生的土体塌陷塌陷坑呈圆锥柱状侵斜角为 塌陷深度在 之前塌陷较快随后逐渐缓慢直至因土体在管道断裂内堆积堵塞而停止最终塌陷深度为.根据颗粒运动的程度不同可将土体内部区域分为塌陷区、松动区和稳定区关键词:路面塌陷透明土技术土体侵蚀颗粒运动塌陷深度中图分类号:.文献标志码:近年来全国各地城市道路塌陷频现潜在危险增多造成的事故层出不穷影响交通安全 陈雨昂等根据 年我国城市路面塌陷事件数据统计发现其中 是由于地下管道破损引起的 因此研究地下管道破损时的土体侵蚀特性对预测和预防城市道路塌陷有重要意义为了研究土体侵蚀许多研究者进行了各种模型试验大多通过配置一定级配的砂土进行模拟试验 现有的试验研究都是基于半模型或全模型结构全模型结构无法直接观测模型内部变化情况而半模型结构又无法消除模型箱边界的影响 如王帅超、鲍国栋、郑刚、罗俊兴等人的研究透明土是一种新型的实验手段通过配置透明土样来进行的模型试验可以更好的观测岩土体的受力变形过程 杜建明等人对透明土物理模拟试验技术进行了总结分析根据目前透明土及其材料按照砂土、黏土及其他来进行归纳 张仪萍等人针对不同透明土材料的孔隙流体的合成及性质进行研究分析 杜建明采取 白油和正十二烷混合液作为孔隙液体、熔融石英砂作为骨料来配置透明砂土进行复合地层盾构隧道围岩变形规律研究 周东运用透明土技术进行被动桩模型试验 冯义等人运用透明土技术对砂土地层隧道顶部结构破损灾变过程的土体流动形态、土颗粒位移速度场进行试验研究 叶观宝等人以透明土为填土材料研究填土密实度对土拱效应的影响避免了边界效应的影响但目前还没有研究将透明土技术运用于内渗侵蚀水土流失的试验 本试验采用熔融石英砂和正十二烷及 白油的混合液制成的透明土作为试验土体在内部设置 的 管道中间取.作为破裂口模拟管道断裂引起的土体侵蚀整个试验过程可以清楚地观测内部变化情况探究内渗侵蚀水土流失的现象 试验装置及试样制备.透明土制备本次透明土试验采用砂性土骨料为熔融石英砂(规格.)折射率为.间隙溶液为第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .正十二烷和食品级 白油的混合液为保证试验制样透明度较好经杜建明检验并通过阿贝折射率仪测定本次试验正十二烷:白油体积比 的透明度效度最好具体见图 右 折射率为.(折射率会因温度而变化)图 不同配比下的透明土.模型箱装置本次试验为缩尺模型试验模型箱尺寸为 具体如图 所示 以 管(外径 为 )模拟排水管为消除边界影响管道埋设中心线位置距底部 为 距前壁后壁 均为 在填装透明土时管子内部预先放置 管断裂口 取.(.)在 管道内部插入外径 的整根 管试验时将内管拔出露出断裂口模拟管道破裂()正面示意图()侧面示意图图 模型箱尺寸(单位:)试验装置如图 所示为了获取模型试验的内部变化过程在模型箱上方架设 激光器并从上往下照射试样激光照射面熔融石英砂会产生散斑 为便于观察和记录管道附近土体情况将激光切面位于管口断裂处正前方 处单反相机间隔拍照记录激光面情况此外正前方和上方各放置摄像机记录试验正面及顶面侵蚀坑及塌陷全过程图 实验装置.模型制样在室温 之间制样制样时提前放置 管并将两侧法兰盘用螺丝拧紧 先按照体积比 取正十二烷和 白油混合测定混合液的折射率再通过少量滴定调整使混合液折射率达到.左右 制好后倒入模型箱内将熔融石英砂缓慢散入混合液内每次散入 厚熔融石英砂压实平整混合液比砂子高 为避免气泡过多影响试样透明度制样完成后抽真空 最终土体顶面距管顶 为 制样后静置 左右 试样装填完毕效果如图 所示图 模型试样第 期 刘皓昀等:地下管道断裂引起的土体侵蚀透明土模型试验分析 试验过程为模拟地下管道突然发生断裂试验时卸下模型箱左侧法兰盘抽掉内管露出管道断裂口 按照图 将各仪器设备放置数码相机按照 间隔拍摄记录土体侵蚀过程 抽走内管后土样中孔隙液体携带土颗粒从断裂口渗入管内从左侧管口处流出断裂口上方土体慢慢发生塌陷形成侵蚀坑 试验变化过程如图 所示图 变化过程 从图 中可见随着水土流失土体产生侵蚀侵蚀坑随时间逐渐变大 左右液面降到砂子之下露出砂体开始出现塌陷洞口 后试验结束洞口宽.长.后宽.长 整体呈椭圆形面积为.试验结束时将激光切面转动 模型箱侧面如图 所示从图中可见侵蚀坑侧面形状与正面基本一致整个塌陷坑呈圆锥柱状图 侵蚀坑侧面最终形态 管道断裂口上部砂体开始发生变化土体缓慢向下塌陷部分沙子随着混合液流进断裂口最后从左侧开放管口流出塌陷部分正面视角开始呈 字形状倾斜角大约为 最终完全塌陷时侵蚀坑中侵斜角达到 整个塌陷坑呈圆锥柱状塌陷初期随着渗透作用和重力作用混合液和砂子会从断裂口流进管子内部并从左侧管口处流出 随着流出的砂子和液体越来越多砂子逐渐在管中堆积堵塞使得塌陷速度逐步放缓只有液体流出直到最后塌陷停止塌陷深度不变 随着液体缓慢流出侵蚀坑坑壁部分砂体会因重力效果塌陷塌陷截面积缓慢变化 数据分析.侵蚀坑大小对各时间段激光断面的照片进行测量获得塌陷区的深度和面积 塌陷深度随时间发展情况如图 所示前 内塌陷速度较快随时间变化塌陷深度越来越深 后塌陷速度逐渐变慢试验结束时最终塌陷深度为.随着液体缓慢流出侵蚀坑坑壁部分土体会因重力效果塌陷塌陷截面积缓慢变化 正面塌陷区面积随时间发展情况如图 所示塌陷的截面面积在 之前变化较大 之后侵蚀坑成型变化不再明显最终截面积为 图 塌陷深度发展情况图 正面塌陷区域面积发展情况.颗粒运动区域对透明土侵蚀作用试验中相机记录的图像进行差分法对比分析采用自编程序对图像进行处 兰州工业学院学报 第 卷理可以得出在不同时间下透明土的运动状况如图 所示 其中图中蓝色区域表示颗粒静止红色彩图部分表示运动状态剧烈程度为最强绿色彩图部分表示存在运动且运动状态介于红蓝之间()()()()图 不同时间下颗粒运动范围(单位:)由图 和图 可见试验开始后内部管道被抽出模拟管道断裂情况断裂口上部土体有运动趋势 时变化如图()所示断裂口上方 轴 轴 范围内颗粒都有运动趋势其中 轴 轴 范围内颗粒运动较明显此时侵蚀坑还未出现上部土体受重力作用会向下塌陷从断裂口流出 时变化如图()所示土体缓慢下落侵蚀坑逐渐出现受侵蚀土体范围扩大在 轴 轴 侵蚀坑下方范围内颗粒运动较大形成一个松动区域 时变化如图()所示侵蚀坑逐渐发育扩大此时在 轴 轴 范围内部有颗粒运动并且运动逐渐停止从 到试验结束变化如图()所示侵蚀坑发育逐渐变慢直至停止颗粒运动不再明显根据以上对颗粒运动范围的分析可以将模型划分为塌陷区、松动区和稳定区 其中塌陷区是由土体颗粒完全流失产生空洞的区域塌陷区以外断裂口上方至 轴 轴 接近抛物线型区域范围在试验过程中出现过大绿色色块和红色色块表明该区域颗粒曾发生较为剧烈的运动可划定为松动区此外其他区域整个实验过程均为蓝色未出现大面积红绿色块表明该区域内土体颗粒几乎没有发生运动可划定为稳定区 将整体试验过程中所有塌陷区域和松动区域整合在一起最终试验整体划分区域如图 所示根据颗粒运动情况将图像按照试验各阶段分成不同区域灰色区域为塌陷区绿色区域为松动区蓝色区域为稳定区图 总的区域划分第 期 刘皓昀等:地下管道断裂引起的土体侵蚀透明土模型试验分析 结论)试验证明利用透明土能够清晰地观察到模型试样内部的变化情况是研究土体内部侵蚀过程的一种良好尝试)对于管道突然断裂的情况管道内无流动时土体会随着渗流进入管道出现塌陷区塌陷深度在 之前塌陷较快随后逐渐缓慢由于土体在管道内堆积塌陷深度发展到.时则会停止不再继续发展整个塌陷坑呈圆锥柱状最终侵斜角为)根据差分图片处理结果显示整个土体可以分为塌陷区、松动区和稳定区参考文献:陈雨昂唐荣方建等.年中国城市路面塌陷时空规律与原因分析.水利水电技术():.王帅超.城市地下管道渗漏引起的路面塌陷机理分析与研究.郑州:郑州大学:.鲍国栋.城市地下排水管道渗漏模拟及不锈钢套管修复技术研究.北京:清华大学:.郑刚戴轩张晓双.地下工程漏水漏砂灾害发展过程的试验研究及数值模拟.岩石力学与工程学报():.罗俊兴.高富水砂层中地下工程涌水涌砂引起的土体渗流侵蚀试验研究.广州:华南理工大学:.杜建明房倩刘翔等.透明土物理模拟试验技术现状与趋势.科学技术与工程():.张仪萍李亮王思照.透明土中孔隙流体的实验研究.浙江大学学报:工学版():.杜建明.复合地层盾构隧道围岩变形规律的透明岩土试验研究.徐州:中国矿业大学:.周东刘汉龙仉文岗等.被动桩侧土体位移场的透明土模型试验.岩土力学():.冯义陈育民.基于透明土的盾构隧道突水涌砂灾变发展试验研究 .隧道建设:中英文():.叶观宝李凌旭张振等.基于透明土的填土密实度对土拱效应影响模型试验研究.岩土工程学报():.():.:(责任编辑:曾贤灏)兰州工业学院学报 第 卷