渗透破坏是堤坝、基坑等工程失事的主要形式,因而,抗渗计算就显得很有必要。当前,黏性土地基的临界水力坡降多采用太沙基临界水力坡降公式或依经验公式而定,前者未考虑土体抗剪强度的影响,后者物理意义不明确,因而可能会与实际存在较大偏差,这无疑增大了堤坝、基坑等工程设计的不确定性。针对这一现状,本文通过理论分析、数值模拟和室内渗透破坏试验对黏性土地基发生流土破坏时的临界水力坡降进行了系统的研究,为堤坝、基坑等工程设计及其破坏机理分析提供依据。主要成果如下:(1)基于破坏土体所受的渗透力、有效重力、剪切力之间的平衡关系,推导出了考虑土体抗剪强度影响的黏性土地基临界水力坡降的一般解析表达式。黏性土地基临界水力坡降的新公式是与黏土层厚度、破坏半径、黏聚力、内摩擦角以及应力扩散角有关的五元函数。(2)通过分析黏性土地基临界水力坡降新解析公式,表明黏性土地基临界水力坡降与黏聚力呈正相关关系,与破坏半径、黏土层厚度呈负相关关系(注:临界水头差与黏土层厚度呈正相关关系,这里讨论的是临界水力坡降,与临界水头差是完全不同的概念)。内摩擦角小于10°时,忽略应力扩散角和内摩擦角对临界水力坡降的影响,误差小于5%,此时临界水力坡降的一般表达式可简化。在实际基坑或堤坝等工程中,破坏半径确定的情况下,推荐采用该简化式;破坏半径不能确定的情况下,临界水力坡降取破坏半径为5m时对应的值。(3)利用有限元软件模拟黏性土层渗流破坏过程,分析黏土层厚度、破坏半径和抗剪强度指标对临界水力坡降的影响,对比数值模拟结果和本文新建公式的计算结果可知:数值模拟得到的“临界水力坡降-黏土层厚度”关系曲线、“临界水力坡降-破坏半径”关系曲线、“临界水力坡降-黏聚力”关系曲线以及“临界水力坡降-内摩擦角”关系曲线与本文新建公式对应计算结果吻合良好,验证了本文新建公式的有效性,且本文新建立的临界水力坡降公式计算结果相较太沙基临界水力坡降公式、扎马林公式、南京水科院公式的计算结果具有更高的精确度。(4)为了研究黏土层厚度、渗透破坏口半径、不同黏土的抗剪强度对黏性土地基临界水力坡降的影响,本文研发了黏土层渗透破坏仪,该仪器具有可控制黏土层厚度及渗透破坏口大小等性能。(5)利用本文专门研制的可控制黏土层厚度及渗透破坏口大小的渗透破坏仪,分别对砂壤土、黄土进行不同工况下的渗透破坏试验,结果表明:临界水力坡降随土层厚度增大而减小,黄土试样测定的临界水力坡降值与公式解平均相差4.4%,最大误差约10%;砂壤土土样测定的临界水力坡降值与公式解平均相差12.4%,最大误差小于15%。临界水力坡降随破坏半径增大而减小,黄土土样的试验结果与公式解平均相差8.6%,最大误差小于15%;砂壤土土样试验结果与公式解平均相差10.6%,最大误差小于16%。且相关参考文献中的试验结果与本文所建新公式的计算结果最大差值在15%以内,进一步证明了本文新建立的公式的有效性。