壓實(shí)度對(duì)高速公路路基粗粒土水力特性的影響

司馬軍

(湖南宏特試驗(yàn)檢測(cè)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410118)

由粗土和細(xì)土(粉土和黏土)混合而成的路堤廣泛應(yīng)用于高速公路基礎(chǔ)設(shè)施中。根據(jù)JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，細(xì)料占干重的比例小于30%，路堤主體壓實(shí)度大于92%。在高速公路使用壽命期內(nèi)，雨天可能會(huì)有水從上部路面板裂縫流入路堤，影響其使用性能，這是因?yàn)榇至Ｍ恋牧W(xué)性質(zhì)很大程度上依賴于含水量。因此，確定路堤中水分分布非常必要，這就需要了解粗粒土的水力特性。壓實(shí)度和細(xì)粒含量是影響粗粒土水力特性的主要因素。而目前對(duì)壓實(shí)度對(duì)高速公路路堤粗粒土影響的研究鮮見(jiàn)。該文采用大型滲透柱測(cè)定不同壓實(shí)度粗粒土的水力性質(zhì)，采用瞬時(shí)剖面法得到水工建筑物的水工系數(shù)，并計(jì)算其導(dǎo)水率，分析壓實(shí)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

研究路段為冷水江—新化公路，起止樁號(hào)為K4+230—K13+009.5，全長(zhǎng)8.779 5 km。以該路段的白云巖和細(xì)粉為原料配制試驗(yàn)土，并作為模型的填料。土體中細(xì)粉含量(粒徑≤0.075 mm)為15%，土體顆粒最大粒徑為60 mm。出于實(shí)際原因，將直徑大于20 mm的土壤切斷。這些土壤的粒度分布見(jiàn)圖1。對(duì)土樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)土壤壓實(shí)試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在最佳含水量為6%時(shí)，最大干密度為2.33 g/cm3。

2 試驗(yàn)程序

采用大型滲透柱(見(jiàn)圖2)測(cè)定不同壓實(shí)度粗粒土的水力性質(zhì)。滲透柱的內(nèi)徑為300 mm，壁厚為10 mm，高度為600 mm。配有5個(gè)體積含水量傳感器(TDR1～TDR5)和5個(gè)基質(zhì)吸入傳感器(T1～T5)，以100 mm等距布置。頂部鉆一個(gè)直徑為50 mm的孔，以便在需要時(shí)安裝吸入傳感器。中心的第二個(gè)孔允許排水或排氣。TDR傳感器由3根桿組成，直徑6 mm，長(zhǎng)度200 mm，精度2%。試驗(yàn)前進(jìn)行TDR定標(biāo)，確定介電常數(shù)Ka與體積含水量θ之間的關(guān)系，試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)測(cè)定的介電常數(shù)Ka確定體積含水量。試驗(yàn)采用2100F型張力計(jì)，其工作壓力為0～100 kPa，精度為±2 kPa。

圖1 研究土壤的粒度分布

圖2 滲透柱示意圖(單位：mm)

將土壤烘干24 h，確保土壤完全干燥；在干燥的土壤上噴灑一定量與最佳含水量相對(duì)應(yīng)的水，再將濕潤(rùn)的土壤密封72 h，使其均勻化。將制備好的土逐層壓實(shí)成柱狀，共6層，前5層每層高度為100 mm，第6層高度為150 mm。壓實(shí)度分別為85%、90%和93%，3種壓實(shí)度土樣分別記為D85、D90和D93。一層壓實(shí)完成后，在該層頂部以90°的交叉角安裝TDR探頭和張力計(jì)，TDR1～TDR5、T1～T5距離底座的高度分別為100、200、300、400和500 mm。

壓實(shí)后，試樣經(jīng)歷水分均勻化、飽和、排水、蒸發(fā)4個(gè)階段，在這些階段的開(kāi)始記錄TDR探針和張力計(jì)的響應(yīng)。水分均勻化持續(xù)50 h。隨后將水從底部注入柱中，啟動(dòng)飽和過(guò)程，在1 h后在試樣頂部能觀察到水。24 h后形成恒定流，認(rèn)為試樣完全飽和，得到飽和導(dǎo)水率。然后對(duì)試樣進(jìn)行另一次水分均勻化。最后將試樣置于排水和蒸發(fā)階段，這個(gè)階段需要165 h。在排水階段，打開(kāi)閥門(mén)排水，每級(jí)排水300 mL。蒸發(fā)階段采用風(fēng)機(jī)加速，張力計(jì)T5達(dá)到50 kPa時(shí)蒸發(fā)階段結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 體積含水量和基質(zhì)吸力的變化

由于4個(gè)階段的體積含水量和基質(zhì)吸力的變化對(duì)所有土樣都是相似的，選擇D85的結(jié)果(見(jiàn)圖3)進(jìn)行分析。

圖3 D85土樣的體積含水量和基質(zhì)吸力

由圖3可知：開(kāi)始時(shí)，TDR測(cè)量的體積含水量無(wú)明顯變化，說(shuō)明水分沿水平方向分散，沒(méi)有沿垂直方向的擴(kuò)散趨勢(shì)，這可能是由壓實(shí)過(guò)程中的不均勻性造成的；在飽和階段，體積含水量在不到1 h的時(shí)間內(nèi)增加到29.5%～30.6%，之后由于土樣處于飽和階段，體積含水量保持相對(duì)恒定；在排水和蒸發(fā)過(guò)程中，體積含水量大幅下降，直至達(dá)到一個(gè)常數(shù)。基質(zhì)吸力則呈相反的趨勢(shì)。當(dāng)該層含水量變化較大時(shí)，應(yīng)特別注意TDR5和T5的變化。

3.2 壓實(shí)度對(duì)SWCC的影響

不同壓實(shí)度土樣的土壤-水分特征曲線(SWCC)見(jiàn)圖4。

圖4 不同壓實(shí)度土樣的SWCC曲線

采用van Genuchten模型通過(guò)SWCC曲線進(jìn)行擬合，擬合模型見(jiàn)式(1)，擬合參數(shù)見(jiàn)表1，擬合結(jié)果見(jiàn)圖4。

(1)

式中：θ、θr、θs分別為體積含水量、殘余含水量和飽和含水量，這里假設(shè)θr=0；ψ為基質(zhì)吸力；α為與空氣進(jìn)入值相關(guān)的參數(shù)；n為與儲(chǔ)水量相關(guān)的參數(shù)，m=1-1/n。

表1 van Genuchten模型參數(shù)

從圖4可以看出： D85土樣的飽和含水量高于D90、D93土樣。這是因?yàn)殡S著壓實(shí)度的增加，毛孔特別是大毛孔的體積變小。對(duì)于下降范圍內(nèi)的SWCC，壓實(shí)度越高的試樣該曲線越平坦。說(shuō)明SWCC在下降范圍內(nèi)的形狀主要與細(xì)顆粒的壓實(shí)狀態(tài)有關(guān)，較高的壓實(shí)度會(huì)導(dǎo)致細(xì)顆粒呈致密狀態(tài)。

3.3 壓實(shí)度對(duì)導(dǎo)水率的影響

同時(shí)測(cè)量含水量和吸力，獲得不同時(shí)刻的含水量和吸水剖面，采用瞬時(shí)剖面法確定導(dǎo)水率。先通過(guò)吸力剖面按式(2)計(jì)算一定高度的水力坡降i，再利用含水量剖面按式(3)計(jì)算Δt時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定高度的水通量Q，最后按式(4)計(jì)算某一時(shí)刻某一高度的導(dǎo)水率k。圖5為不同壓實(shí)度土樣的導(dǎo)水率。

(2)

式中：H為從吸入剖面獲得的液壓頭；x為從柱底部開(kāi)始的高度。

(3)

式中：L為柱的高度；A為柱的橫截面積。

(4)

式中：it、it+Δt分別為t和t+Δt時(shí)的水力梯度。

圖5 不同壓實(shí)度土樣的導(dǎo)水率

從圖5可以看出：D85土樣的飽和電導(dǎo)率最高，這主要是因?yàn)槊軐?shí)度較低的土樣存在較多的大空隙，這些大空隙是水通過(guò)的主要通道。在非飽和導(dǎo)水率方面，數(shù)據(jù)相互交織，差別不大，壓實(shí)度的影響很小。

4 結(jié)論

考慮85%、90%和93%的壓實(shí)度，采用大型滲透柱分析壓實(shí)度對(duì)粗粒土水力性質(zhì)的影響。結(jié)論如下：1) 較高的壓實(shí)度使SWCC曲線更平坦，這種現(xiàn)象與細(xì)顆粒的致密狀態(tài)有關(guān)；2) 壓實(shí)度較低土體的飽和導(dǎo)水率較高，可能是因?yàn)閴簩?shí)度較低土體的空隙更大。壓實(shí)度對(duì)非飽和電導(dǎo)率的影響不大。