Study on Internal Erosion Mechanism of Gap‑Graded Granular Soil under Constant Confining Pressure

LIANG Yue; LUO Anzhi; YANG Niuhu; XU Bin; Dai Lei

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20231123003

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Study on Internal Erosion Mechanism of Gap‑Graded Granular Soil under Constant Confining Pressure

更新时间：2025-03-10

- Study on Internal Erosion Mechanism of Gap‑Graded Granular Soil under Constant Confining Pressure
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 1, Pages: 224-232(2025)
- 作者机构：
  
  1.重庆交通大学河海学院，重庆 400074
  2.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心，重庆 400074
  3.重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室，重庆 400074
  4.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20231123003
  CLC： TU411
- Received：23 November 2023，
  
  Revised：2024-01-08，
  
  Published：15 February 2025
- 稿件说明：
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梁越,罗安志,杨牛虎等.恒定围压下间断级配散粒土内部侵蚀机理研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):224-232.

LIANG Yue,LUO Anzhi,YANG Niuhu,et al.Study on Internal Erosion Mechanism of Gap‑Graded Granular Soil under Constant Confining Pressure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):224-232.
梁越,罗安志,杨牛虎等.恒定围压下间断级配散粒土内部侵蚀机理研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(01):224-232. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20231123003.

LIANG Yue,LUO Anzhi,YANG Niuhu,et al.Study on Internal Erosion Mechanism of Gap‑Graded Granular Soil under Constant Confining Pressure[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(01):224-232. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20231123003.

摘要

管涌侵蚀一直是水力学研究的重点，其是指在渗透水流作用下土体内部细颗粒发生迁移并形成渗漏通道的一种渗漏现象，且在围压条件下土体内部侵蚀过程会受到显著的影响。利用自主研发的应力动态联动式渗透变形试验装置对不同级配的散粒土在恒定围压条件下的侵蚀过程进行研究。设置三组不同的间断级配试样，对渗流过程中的渗流量、细颗粒流失量和渗透变形量进行测量。结果表明：试验前期渗流速度

和水力梯度

呈线性正相关，但围压作用使得

i‑v

曲线后期明显变缓不再符合达西定律；土体中间级配缺的越多，颗粒起动的临界水力梯度越小；且土体的不均匀系数对渗透系数的影响存在某一上限值。渗流过程中细颗粒的流失存在因堵塞而引起的自滤自稳定现象，该现象在骨架颗粒级配较为均匀时更易出现。土体在恒定围压条件下细颗粒流失导致体积收缩，而由于土体内部颗粒间的作用力突变，土体渗透变形呈现阶梯状变化，且在土体颗粒级配间断跨度大、内部细颗粒粒径小且单一的情况下阶梯状变化较为明显。

Abstract

Piping erosion has long been a focus in hydraulics research. It refers to a seepage phenomenon where fine particles within the soils migrate under the action of seepage flow

leading to the formation of seepage channels. The internal erosion process of the soils is significantly affected by confining pressure. This study investigated the erosion process of granular soils with different gradations under constant confining pressure by using a self-developed stress-dynamic linked seepage deformation experiment device. Three groups of gap-graded soil samples were prepared to measure the seepage flow

fine particle loss

and seepage deformation during the seepage process. The results showed that at the early stage of the experiment

the seepage velocity (

) and the hydraulic gradient (

) had a linear positive correlation

but the confining pressure caused the i-v curve to flatten significantly later on

deviating from Darcy's law. The more intermediate gradations the soils lacked

the smaller the critical hydraulic gradient at which particles began to move. Moreover

there was a threshold value for the effe

ct of the soils' nonuniformity coefficient on the permeability coefficient. During the seepage process

the loss of fine particles led to self-filtration and self-stabilization due to clogging

which was more likely to occur when the skeleton particle gradation was relatively uniform. Under constant confining pressure

the loss of fine particles caused soil volume shrinkage. Due to abrupt changes in the inter-particle forces within the soils

the permeability deformation of the soils exhibited a stepwise change. This stepwise change was particularly pronounced when there was a large gap in the particle gradation of soils and the fine particles were small and uniform in size.

关键词

Keywords

references

钟启明，沈光泽，曹伟 . 土石坝溃决机理模型试验研究进展［J］. 防灾减灾工程学报， 2018 ， 38 （ 4 ）： 615 - 623 .

Zhong Q M ， Shen G Z ， Cao W . Progress in model test research on the mechanism of earth rock dam collapse ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2018 ， 38 （ 4 ）： 615 - 623 . （in Chinese）

陈亮，滕耀宗，蔡国栋，等 . 变水头下管涌细颗粒迁移试验［J］. 河海大学学报（自然科学版）， 2022 ， 50 （ 5 ）： 82 - 88，110 .

Chen L ， Teng Y Z ， Cai G D ， et al . Experimental study on the migration of fine particles in piping under variable water head ［J］. Journal of Hohai University （Natural Sciences）， 2022 ， 50 （ 5 ）： 82 - 88，110 . （in Chinese）

张亮亮，邓刚，陈锐，等 . 不连续级配无黏性土渗蚀演变特征研究［J］. 岩土工程学报， 2023 ， 45 （ 7 ）： 1412 - 1420 .

Zhang L L ， Deng G ， Chen R ， et al . Experimental investigation on evolution process of suffusion in gap-graded cohesionless soil ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2023 ， 45 （ 7 ）： 1412 - 1420 . （in Chinese）

朱秦，苏立君，刘振宇，等 . 颗粒迁移作用下宽级配土渗透性研究［J］. 岩土力学， 2021 ， 42 （ 1 ）： 125 - 134 .

Zhu Q ， Su L J ， Liu Z Y ， et al . Study of seepage in wide-grading soils with particles migration ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 125 - 134 . （in Chinese）

田大浪，谢强，宁越，等 . 间断级配砂砾石土的渗透变形试验研究［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 11 ）： 3663 - 3670 .

Tian D L ， Xie Q ， Ning Y ， et al . Experimental investigation on seepage deformation of gap-graded sand-gravel soils ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 11 ）： 3663 - 3670 . （in Chinese）

倪小东，寇恒绮，左翔宇，等 . 基于透明土技术与颗粒流方法联合开展管涌细观机理研究［J］. 水利学报， 2021 ， 52 （ 12 ）： 1482 - 1497 .

Ni X D ， Kou H Q ， Zuo X Y ， et al . Research on meso mechanism of piping based on transparent soil technology and particle flow method ［J］. Journal of Hydraulic Engineering ， 2021 ， 52 （ 12 ）： 1482 - 1497 . （in Chinese）

梁越，代磊，魏琦 . 基于透明土和粒子示踪技术的渗流侵蚀试验研究［J］. 岩土工程学报， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1133 - 1140 .

Liang Y ， Dai L ， Wei Q . Experimental study on seepage erosion based on transparent soil and particle tracing technology ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 2022 ， 44 （ 6 ）： 1133 - 1140 . （in Chinese）

施倩，钟启明，吕晓倩，等 . 土石坝管涌溃坝过程数学模型及应用［J］. 防灾减灾工程学报， 2018 ， 38 （ 3 ）： 511 - 519 .

Shi Q ， Zhong Q M ， Lyu X Q ， et al . Numerical model for piping failure of earth-rock dam and its application ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2018 ， 38 （ 3 ）： 511 - 519 . （in Chinese）

Pol J C ， Kanning W ， Jonkman S N . Temporal development of backward erosion piping in a large-scale experiment ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2021 ， 147 （ 2 ）： 04020168 .

梁越，张强，曾超，等 . 变向渗流下的无黏性土颗粒起动机理研究［J］. 重庆交通大学学报（自然科学版）， 2016 ， 35 （ 2 ）： 89 - 92，104 .

Liang Y ， Zhang Q ， Zeng C ， et al . Study on the starting mechanism of cohesionless soil particles under variable seepage ［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University （Natural Science Edition）， 2016 ， 35 （ 2 ）： 89 - 92，104 . （in Chinese）

罗玉龙，吴强，詹美礼，等 . 渗流–侵蚀–应力耦合管涌试验装置的研制及初步应用［J］. 岩石力学与工程学报， 2013 ， 32 （ 10 ）： 2108 - 2114 .

Luo Y L ， Wu Q ， Zhan M L ， et al . Development of seepage-erosion-stress coupling piping test apparatus and its primary application ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2013 ， 32 （ 10 ）： 2108 - 2114 . （in Chinese）

罗玉龙，吴强，詹美礼，等 . 考虑应力状态的悬挂式防渗墙-砂砾石地基管涌临界坡降试验研究［J］. 岩土力学， 2012 ， 33 （增1 ）： 73 - 78 .

Luo Y L ， Wu Q ， Zhan M L ， et al . Study of critical piping hydraulic gradient of suspended cut-off wall and sand gravel foundation under different stress states ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2012 ， 33 （ Sup1 ）： 73 - 78 . （in Chinese）

Liang Y ， Yeh T C J ， Wang J J ， et al . Onset of suffusion in upward seepage under isotropic and anisotropic stress conditions ［J］. European Journal of Environmental and Civil Engineering ， 2019 ， 23 （ 12 ）： 1 - 15 .

王明年，江勇涛，于丽，等 . 砂性土细颗粒起动临界水力坡降计算方法［J］. 岩土力学， 2020 ， 41 （ 8 ）： 2515 - 2524 .

Wang M N ， Jiang Y T ， Yu L ， et al . Analytical solution of startup critical hydraulic gradient of fine particles migration in sandy soil ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2020 ， 41 （ 8 ）： 2515 - 2524 . （in Chinese）

Kenney T C ， Lau D . Internal stability of granular filters ［J］. Canadian Geotechnical Journal ， 1985 ， 22 （ 2 ）： 215 - 225 .

土工试验方法标准： GB/T 50123—2019 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2019 .

水利水电工程地质勘察规范： GB 50487—2008 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2022 .

Bendahmane F ， Marot D ， Alexis A . Experimental parametric study of suffusion and backward erosion ［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering ， 2008 ， 134 （ 1 ）： 57 - 67 .

姚志雄，周健，张刚，等 . 颗粒级配对管涌发展的影响试验研究［J］. 水利学报， 2016 ， 47 （ 2 ）： 200 - 208，218 .

Yao Z X ， Zhou J ， Zhang G ， et al . Experimental study of particle grading impact on piping mechanism ［J］. Journal of Hydraulic Engineering ， 2016 ， 47 （ 2 ）： 200 - 208，218 . （in Chinese）

毛昶熙 . 渗流计算分析与控制［M］. 2版 . 北京：中国水利水电出版社， 2003 .

Kezdi A . Soil physics ［M］. Amsterdam ： Elsevier ， 1979 .

毛昶熙 . 管涌与滤层的研究：管涌部分［J］. 岩土力学， 2005 ， 26 （ 2 ）： 209 - 215 .

Mao C X . Study on piping and filters： part of piging ［J］. Rock and Soil Mechanics ， 2005 ， 26 （ 2 ）： 209 - 215 . （in Chinese）

陈波，李永强，刘旭锋，等 . 颗粒材料在三轴试验中滞滑现象的研究［J］. 防灾减灾工程学报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 568 - 575 .

Chen B ， Li Y Q ， Liu X F ， et al . Study on stick-slip behaviour of granular materials in triaxial test ［J］. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 568 - 575 . （in Chinese）

刘杰，张雄 . 多级配砾石土反滤设计方法试验研究［J］. 岩土工程学报， 1996 ， 18 （ 6 ）： 5 - 13 .

Liu J ， Zhang X . Study on filter design of broadly- graded soil ［J］. Chinese Journal of Geotechnical Engineering ， 1996 ， 18 （ 6 ）： 5 - 13 . （in Chinese）

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