土木工程专业毕业论文精品范文《城市地下管道渗漏引起的路面塌陷机理研究》

本文是水利与环境学院的毕业论文，对城市经常出现的路面坍塌问题进行机理分析与研究，可供土木工程、水利水电等相关专业参考，论文题目为《城市地下管道渗漏引起的路面塌陷机理研究》。

一、摘要

近年来国内外城市路面塌陷事故频发，造成了人们生命和财产的巨大损失。在所有路面塌陷事故的成因中，管道破裂渗漏所造成的影响占有较大的比重，因此对地下管道渗漏引起的路面塌陷机理进行分析与研究，对保护人们人身安全和减少财产损失具有重要意义。

 本文通过渗流理论、室内模型试验、数值模拟等方法对管道破损渗漏导致的路面塌陷机理及塌陷影响因素进行了研究。

（1）针对管周土体两种不同的破坏形式，推导了地下水内渗破坏管周土时的临界地下水位降幅和临界地下水流速，管周土体冲蚀破坏时管道内水体的临界渗流速度。

（2）推导了路面塌陷前地下空洞的临界跨径与上覆土层的厚度、土的粘聚力、内摩擦角、容重、外部荷载等之间的关系。

（3）通过室内模型试验得到地下水内渗破损管道的地下空洞形态为圆锥柱形，管内水体冲蚀管周土体的地下空洞形态为椭球形。并研究了在不同的管道破损口形式和大小时，地下空洞形态的发展变化。

（4）通过 FLAC3D 数值模拟，认为对于外渗空洞塌陷，在 5m 上覆土层厚度时，导致空洞塌陷的临界跨径为 6m。在 3m 空洞跨径时，导致空洞塌陷的临界上覆土层厚度为 4m。而土体的粘聚力和内摩擦角的减小导致土体强度的降低，增大了外渗地下空洞的不稳定性，当土的粘聚力为 13k Pa 和内摩擦角为 14°时，地下空洞将处于失稳状态。

（5）通过 FLAC3D 数值模拟，认为对于内渗空洞塌陷，在 5m 上覆土层厚度时，导致空洞塌陷的临界跨径为 4m。在 4m 空洞跨径时，导致空洞塌陷的临界上覆土层厚度为 6m。而土体的粘聚力和内摩擦角的减小导致土体强度的降低，也增大了内渗地下空洞的不稳定性，当土的粘聚力为 10k Pa 和内摩擦角为 14°时，地下空洞将处于失稳状态。 

关键词：地下管道；渗漏；路面塌陷；地下空洞；数值模拟

二、正文

1、绪论。包括研究背景、问题的提出、国内外研究现状、研究目的及意义、本文的研究内容及技术路线。

2、理论研究。根据渗流理论，研究管道破损渗漏后两种不同的管周土体破坏形式及其引起破坏的各临界值，并研究路面塌陷前地下空洞的临界跨径与上覆土层的厚度、土的粘聚力、内摩擦角、容重、外部荷载等之间的关系。 

3、管道破损渗漏室内模型试验。制作模型试验的试验箱，试验研究管道破损后两种不同的管周土体侵蚀破坏形成的不同地下空洞形式，为数值模拟分析提供支撑。并试验了不同的破损口形式和破损口大小对地下空洞形态的影响。

4、路基下空洞塌陷数值模拟。运用 FLAC3D 有限差分软件研究路基下土体的性质（土的粘聚力和内摩擦角）、地下空洞的跨径、地下空洞上覆土层厚度对路面塌陷的影响。

三、结论

本文根据渗流理论分析了管道破损后，管周土体破坏形成地下空洞的机理，通过室内模型试验研究了管道破损后地下空洞的形态发展，之后又利用 FLAC3D对影响地下空洞塌陷的各因素进行了数值模拟，主要得到了以下几个结论：

（1）分析认为管道破损后，管周土体的破坏有两种形式，一种为地下水向管内的渗透破坏，另一种为管内水体对管周土体的冲蚀破坏。针对两种不同的破坏形式，推导了地下水内渗破坏管周土时的临界地下水位降幅和临界地下水流速，另推导了管周土体冲蚀破坏时管道内水体的临界渗流速度。

（2）推导了地下空洞塌陷前地下空洞的临界跨径与上覆土层的厚度以及上部荷载大小之间的关系。根据其表达式认为极限临界跨径与空洞周围土的粘聚力、内摩擦角、容重、外部荷载、以及上覆土层的厚度等关系密切。在粘聚力、容重、内摩擦角一定时，上覆土层越厚，则空洞的极限临界跨径越大。

（3）室内模型试验模拟地下水内渗破损管道，当管道破损尺寸为 1d 时，侵蚀坑近似为半圆锥柱，母线有微小弧度，近似于直线，随着管道破损断裂尺寸的增大，侵蚀坑的锥柱的半径逐渐的增大，由于破损断裂尺寸的加大，在破损口处砂体更容易流失发生垮塌，母线坡度也逐渐增大，在 2.5 倍管径的破损口是母线坡度能达到约 67°。

（4）室内模型试验模拟破损管道内水体冲蚀管周土体，在环向裂缝和纵向裂缝两种情况下，其结果均表现为冲蚀地下空洞是椭圆球形。其中纵向裂缝试验形成的空洞要大于环向裂缝下侵蚀形成的空洞。

（5）通过 FLAC3D 数值模拟，认为对于外渗空洞塌陷，地下空洞的上覆层厚度减小和空洞的跨径增大是导致空洞塌陷的直接原因。

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