级配砂土中渗流侵蚀与自过滤效应对力学行为的耦合影响机制研究

日本研究人员针对级配砂土内部侵蚀问题，通过自主研发三轴渗透仪开展渗流-剪切耦合试验，揭示了初始密度、不均匀系数Cu和水力荷载对渗流侵蚀起始梯度ie的影响规律，发现自过滤效应导致渗透率k*降低28%-67%，剪切强度下降40%以上。该研究为土石坝内部稳定性评估提供了重要实验依据。

　　

在土木工程领域，级配砂土(sand)的内部侵蚀问题一直是威胁土石坝、堤防等结构安全的"隐形杀手"。2015年日本关东-东北暴雨引发的鬼怒川堤防溃决事件，再次将砂土内部因渗流导致的细颗粒迁移现象——即渗流侵蚀(suffusion)问题推至风口浪尖。这种被称为"内部不稳定"的侵蚀机制，会使土体结构逐渐劣化，但现有研究多集中于级配不良(gap-graded)土体，对实际工程中更常见的级配良好(well-graded)砂土的研究仍存在巨大空白。更棘手的是，细颗粒迁移过程中可能发生的自过滤(self-filtration)效应会形成局部堵塞，这种动态变化如何影响土体力学行为，成为工程安全评估的关键难题。

日本茨城大学的研究团队创新性地开发了可连续完成渗流-剪切试验的三轴渗透仪(triaxial permeameter)，选取鬼怒川堤基砂土为原型，通过平行级配法按10倍和20倍比例缩放制备K10、K20两组级配砂土(C_u=45.8和75.7)。研究采用标准普氏击实试验形成80%-95%最大干密度的试样，通过控制入口水压(430-450kPa)实现不同水力梯度加载，结合不排水三轴剪切试验，系统探究了渗流侵蚀对力学性能的影响。

关键技术包括：(1)自主研发三轴渗透仪实现渗流-剪切连续测试；(2)采用Kenney-Lau准则界定"细粒部分"(finer fraction)；(3)通过体积应变ε_v和侵蚀质量m_e定量表征侵蚀程度；(4)标准化渗透率k*=Δk/k_i评估渗透性变化；(5)临界状态理论分析应力-应变关系。

【渗流试验结果】
3.1节揭示级配砂土渗流呈现五阶段特征：初始状态→侵蚀起始(i_e=1.8-11.2)→自过滤(k降低55%)→稳定状态。高密度试样(K10-D90)侵蚀质量仅0.35%，显著低于松散试样(K10-D80)的0.96%。3.2-3.4节显示：密度增加10%使i_e提高246%，C_u增大65%导致k增幅达267%，水力荷载增加20kPa使m_e上升66%。

【力学行为影响】
4.1-4.2节发现：非侵蚀试样中，K10系列呈现应变软化，而C_u更大的K20系列表现为持续硬化。4.3节显示侵蚀使K10-D90峰值强度从359kPa骤降至135kPa，孔隙水压力从-25kPa转为+10kPa。4.5节通过剖面PSD分析证实：顶部0.063-0.425mm颗粒减少6.5%-20.3%，中部同粒径颗粒增加4.7%-9.6%，形成非均匀结构。

【临界状态演变】
4.6节指出：侵蚀试样在v-log p'平面中临界状态线(CSL)下移，Δp'_cs,e达112-223kPa。尽管比容变化Δv_e仅0.01-0.02，但平均有效应力显著降低，表明自过滤导致的局部堵塞会引发结构性弱化。

这项发表于《Soils and Foundations》的研究，首次系统阐明了级配砂土中渗流侵蚀-自过滤耦合作用对力学性能的影响机制。研究发现：(1)即使满足Kenney-Lau不稳定判据的土体，实际工程中仍可能因自过滤维持稳定；(2)侵蚀后土体呈现"顶部疏松-中部密实"的异质结构是力学劣化的主因；(3)临界状态应力显著降低而比容变化微小，提示传统密度指标可能失效。该成果为土石坝内部侵蚀风险评估提供了新的实验依据和理论框架，对基础设施长效防护具有重要指导价值。特别是提出的标准化渗透率k*和临界状态偏移量Δp'_cs,e等量化指标，为工程实践提供了可操作的评估参数。未来研究可结合离散元模拟进一步揭示颗粒迁移的细观机制。