管涌型無黏性礫石土顆粒遷移試驗研究

石 曉 旺

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300308)

1 概述

無黏性礫石土通常是指礫粒組質(zhì)量百分?jǐn)?shù)大于50%，且滲透系數(shù)大于i×10-4cm/s的粗粒土[1]。該類土具有強度高、變形小的優(yōu)點，在河床覆蓋層廣泛分布，通常作為土石壩體的地基和填筑料。但是無黏性礫石土顆粒組成離散性大、粒間黏聚力小，這導(dǎo)致土體內(nèi)細(xì)顆粒受到的約束程度較低，一定條件下很容易伴隨水的滲流作用發(fā)生流失而出現(xiàn)管涌破壞。

由于無黏性礫石土屬于無黏性土，因此認(rèn)為有關(guān)無黏性土管涌的研究普遍適用于無黏性礫石土。關(guān)于無黏性土管涌的研究，主要集中于土體的幾何條件和水力條件：1)所謂幾何條件是指管涌型無黏性土所對應(yīng)的顆粒組成特征及其結(jié)構(gòu)。Istomina[2]根據(jù)土的不均勻系數(shù)區(qū)分無黏性土發(fā)生管涌或流土破壞；Loebotsjkov[3],Aberg[4]通過級配曲線將無黏性土區(qū)分為內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定土和內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定土，認(rèn)為不穩(wěn)定的土將發(fā)生管涌破壞；劉杰[5]、蔣嚴(yán)[6]基于細(xì)料填充骨架孔隙的原理，提出了鑒別無黏性土發(fā)生管涌破壞的方法。2)水力條件是指發(fā)生管涌所需要的滲透力大小。吳良驥[7]、沙金煊[8]根據(jù)滲流過程中單個顆粒的極限平衡狀態(tài)，提出了管涌的臨界水力梯度公式；毛昶熙[9]在此基礎(chǔ)上提出了土體內(nèi)部各級顆粒發(fā)生管涌的水力梯度公式。

無黏性土管涌的研究雖已取得豐富成果，但卻缺乏對管涌現(xiàn)象中土體內(nèi)部細(xì)顆粒遷移過程的認(rèn)識。為此，針對無黏性礫石土擬開展?jié)B透變形試驗，了解土體發(fā)生管涌現(xiàn)象的具體過程，分析內(nèi)部細(xì)顆粒隨滲流移動的規(guī)律及其影響。

2 無黏性礫石土滲透變形試驗

2.1 試驗土料

試驗土料選自青海省景陽水庫某取土場，表1列出了土料部分物理性質(zhì)參數(shù)，圖1為土料的平均顆粒級配曲線?？梢钥闯觯和亮项w粒組成主要集中在0.075 mm～40 mm之間，其中小于2 mm顆粒累計質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.3%，小于0.075 mm細(xì)粒含量的2.3%，不均勻系數(shù)Cu=28.0，曲率系數(shù)Cc=2.3，屬于級配良好礫[10]。土料的顆粒比重為2.64 g/cm3，采用振動法測得最大干密度為2.16 g/cm3。結(jié)合文獻[5]對滲透破壞類型的預(yù)判方法，試驗土料級配不連續(xù)，細(xì)料含量為17%，初步斷定屬于管涌型土。

表1 土料物理性質(zhì)參數(shù)

2.2 試驗儀器及方法

如圖2所示，試驗儀器采用φ300 mm×h600 mm的垂直滲透變形儀，針對土樣粒徑d85=10.5 mm，可知儀器直徑φ大于試樣粒徑d85的5倍，符合規(guī)范[10]的要求。儀器底部設(shè)有透水板，邊壁有兩根間距為10 cm的測壓管用于測定試驗過程中試樣受到的水力梯度。滲流方向自下而上，供水裝置為高度可調(diào)的供水箱。

試樣填裝前在儀器邊壁均勻涂抹一層約5 mm的凡士林以防止試驗過程中出現(xiàn)邊壁滲漏，試樣分3層填筑以保證整體均勻性，壓實系數(shù)控制為0.90。采用滴水飽和法飽和試樣，按文獻[7]估算試樣的臨界水力梯度。

試驗時每級水頭穩(wěn)定30 min后開始測讀測壓管水位、滲流量和水溫，共測讀3次，每次間隔10 min；開始試驗時水頭的遞增值可以逐步增大，待水頭接近臨界水力梯度估算值時減小遞增值，以便準(zhǔn)確找出試樣的臨界水力坡降；試驗中仔細(xì)觀察試樣表面情況，當(dāng)出現(xiàn)測壓管水頭不能再繼續(xù)增加時，停止試驗。

2.3 試驗結(jié)果

表2列出了試驗過程中滲流參數(shù)的測試數(shù)據(jù)，圖3為試驗過程中的lgi—lgv曲線，圖4為試驗中滲透系數(shù)k與水力梯度i的關(guān)系曲線。通過滲透變形試驗發(fā)現(xiàn)，試樣在試驗水頭較低時表面無明顯細(xì)顆粒跳動或水渾現(xiàn)象，流速v與水力梯度i也服從達西定律。當(dāng)水力梯度i=0.79時，開始出現(xiàn)明顯顆粒跳動現(xiàn)象，滲透系數(shù)出現(xiàn)增大的趨勢；隨著水頭繼續(xù)增加，土體中的細(xì)顆粒不斷被帶出，出現(xiàn)渾水現(xiàn)象，但是滲流量卻并沒有提高，反而出現(xiàn)減小的趨勢，該種情況持續(xù)直至i=2.52時，上測壓管讀數(shù)明顯增大，滲流一段時間后試樣表面出現(xiàn)劇烈涌砂，滲流水完全渾濁，滲流量顯著增大，測壓管水頭下降，試樣無法承受更高水頭發(fā)生滲透破壞。結(jié)合粗粒土滲透變形試驗規(guī)程[10]可以斷定：試樣的臨界水力坡降ik=0.79，破壞坡降iF=2.52，滲透破壞類型為管涌破壞。

表2 滲透變形試驗測試數(shù)據(jù)

試驗完畢后，參照圖5采用洗篩法分別對位于儀器上、中、下三個部位的試樣A，B，C進行了顆粒篩分試驗，試驗結(jié)果如表3所示。從表3中對比分析發(fā)現(xiàn)，小于0.25 mm顆粒含量有明顯變化規(guī)律，定義該范圍顆粒作為試樣管涌過程中的自由顆粒。與試樣初始級配相比，位于儀器上部的A試樣自由顆粒含量增加11.0%，儀器下部的C試樣自由顆粒減小了6.6%，而中部的B試樣僅減小3.5%，試樣B，C顆粒減小量等于試樣A增加量。自由顆粒含量自下而上逐漸呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在儀器下部試樣含量減小，中部過渡區(qū)域含量變化不明顯，上部自由顆粒含量增加。

3 管涌過程中細(xì)顆粒遷移分析

表3 各部位試樣顆粒組成

結(jié)合試驗現(xiàn)象和表3中試驗結(jié)果分析可知，管涌破壞開始于滲流出口結(jié)構(gòu)薄弱處，此時滲流量增加，滲透系數(shù)增大[5]。同時，試樣內(nèi)部自由顆粒伴隨滲流方向發(fā)生流失，有不斷被帶出土體外的趨勢。由于土中孔隙滲流通道狹窄且不規(guī)則，隨滲流帶出的自由顆粒很容易在試樣上部滲流出口附近的孔道中形成“顆粒拱”而發(fā)生淤堵[11]。實際情況為試樣下部部分顆粒因滲透力大于顆粒浮重發(fā)生流失，導(dǎo)致小于0.25 mm的自由顆粒含量減少；中部試樣自身既要發(fā)生顆粒流失，又要接受來自下部的自由顆粒，故自由顆粒變化量不大；中、下部流失的顆粒主要集聚在試樣上部滲流出口附近，因而上部試樣自由顆粒含量增加，且增加量等于流失量。整個具體流程示意如圖6所示。

試樣水力坡降在大于臨界值之后一段范圍內(nèi)滲透系數(shù)變化趨勢減緩主要就是由于淤堵顆粒阻塞滲流孔隙通道形成反濾層[12]，進一步導(dǎo)致試樣內(nèi)部滲流帶出的自由顆粒在此處發(fā)生堆積。所形成的淤堵反濾層滲透系數(shù)小、滲流速度慢，試樣宏觀上滲透性降低，并且附近的靜水壓力逐漸增大，出現(xiàn)上測壓管水頭上升現(xiàn)象。只有繼續(xù)增大水頭達到淤堵顆粒結(jié)構(gòu)的極限值以破壞淤堵顆粒的結(jié)構(gòu)，形成較大的滲流孔隙通道，聚集在試樣上部的自由顆粒才會被全部帶出土體之外，進而形成涌砂現(xiàn)象，試樣最終發(fā)生滲透破壞。因此，水力梯度達到管涌臨界值時，試樣并不會出現(xiàn)連續(xù)的細(xì)顆粒流失而發(fā)生滲透破壞，淤積在滲透出口附近的自由顆粒會產(chǎn)生一定的抗?jié)B強度以阻止試樣內(nèi)部形成連通的滲透孔隙通道，試樣仍能承受一定水頭。試樣最終的破壞坡降對應(yīng)了淤堵顆粒結(jié)構(gòu)的破壞。

綜上所述，無黏性礫石土出現(xiàn)管涌現(xiàn)象后，土體內(nèi)部自由顆粒不斷發(fā)生移動，且在滲流出口處大量累積，宏觀上造成了滲透系數(shù)減小、滲透破壞趨勢減緩、抗?jié)B強度增大的現(xiàn)象。然而一旦承受的水頭破壞了孔隙通道中自由顆粒的淤堵結(jié)構(gòu)，土體將失去抗?jié)B強度發(fā)生最終的滲透破壞。

4 結(jié)語

對青海省景陽水庫某無黏性礫石土開展了滲透變形試驗，觀察了試驗過程中的現(xiàn)象，對試驗后不同部位的試樣進行了顆粒分析，取得如下結(jié)論：

1)試驗所用無黏性礫石土試樣的滲透破壞為管涌，發(fā)生管涌現(xiàn)象時的臨界水力坡降ik=0.79，試樣徹底失去抗?jié)B強度的破壞坡降iF=2.52。

2)試樣在達到臨界水力坡降后滲透系數(shù)有逐漸減小的趨勢，試樣仍能承受一定水頭直至達到破壞時才出現(xiàn)滲流量顯著增加、滲透系數(shù)增大的現(xiàn)象。

3)無黏性礫石土出現(xiàn)管涌現(xiàn)象后，土體內(nèi)部發(fā)生明顯的顆粒流失，所流失顆粒主要淤積在滲流出口附近堵塞孔隙通道，造成滲透系數(shù)減小、抗?jié)B強度增大；只有增大水頭破壞淤堵結(jié)構(gòu)，土體才發(fā)生最終滲透破壞。

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