火山渣鐵路路基的滲透穩(wěn)定性研究

陳 堅,羅 強,劉孟適,梁多偉

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

火山渣鐵路路基的滲透穩(wěn)定性研究

陳 堅,羅 強,劉孟適,梁多偉

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

火山渣顆粒由于本身含有較多的蜂窩狀孔隙,導(dǎo)致火山渣礫石土的滲透特性有別于普通的礫石土,使得由其填筑的鐵路路基極易發(fā)生雨水下滲將填料中細(xì)顆粒帶走的管涌式?jīng)_蝕破壞。據(jù)此,分析火山渣礫石土填料的滲透破壞類型,運用自制加工的垂直滲透儀測定雨水在路基中下滲時的水力坡降值與臨界水力坡降值,探討雨水滲透下火山渣礫石土路基的滲透穩(wěn)定性。研究表明:火山渣礫石土填料的滲透破壞類型為過渡型,其發(fā)生滲透破壞的臨界水力坡降值大于9.12,遠(yuǎn)大于雨水在路基中下滲時的水力坡降值1.02,表明采用火山渣礫石土填筑的路基在雨水的長期滲透沖蝕下不會發(fā)生滲透破壞。

鐵路路基;火山渣礫石土;滲透特性;水力坡降

1 概述

ADDIS ABABA—DJIBOUTI鐵路(圖1)是埃塞俄比亞(Ethiopia)乃至東非腹地物資進(jìn)出口主要通道,是埃塞俄比亞(Ethiopia)中部地區(qū)與西部、東部地區(qū)經(jīng)濟(jì)、交通走廊的中軸,同時連接首都ADDIS ABABA、重要城市ADAMA、DIREDAWA、DJIBOUTI等。SEBETA—MIESO段是ADDIS ABABA—DJIBOUTI鐵路干線中的一段,該段鐵路全長328 km,全部位于東非大裂谷中,地層以火山巖、火山噴出巖土和次生巖土為主?；鹕皆|(zhì)礫石土填料(以下簡稱“火山渣填料”)在鐵路沿線分布廣泛,儲量豐富,是一種火山噴發(fā)中經(jīng)過高溫燃燒噴出后冷卻形成的礦渣狀多孔、輕質(zhì)材料(圖2),廣泛用于埃塞俄比亞的土木工程建設(shè)中[1,2],如用于填筑埃塞俄比亞高速公路的底基層與路基。同時,火山渣也是一種優(yōu)良的輕質(zhì)混凝土材料[3-6],在我國部分地區(qū)的公路路基工程中也有少量應(yīng)用[7],但未見在鐵路路基工程中應(yīng)用的相關(guān)報道。

由于天然火山渣顆粒內(nèi)含有較多的蜂窩狀孔隙,導(dǎo)致填料的滲透特性有別于普通的礫石土填料,特別在埃塞俄比亞雨季降雨量大的情況下,由火山渣填筑的鐵路路基極易發(fā)生雨水下滲將填料中細(xì)顆粒帶走的管涌式?jīng)_蝕破壞。因此,長期雨水滲透下的滲透穩(wěn)定性是火山渣重要的路用性能之一。

圖1 ADDIS ABABA—DJIBOUTI線路走向示意

圖2 火山渣顆粒內(nèi)部的蜂窩狀孔隙

為此,本文根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50487—2008)[8]分析了火山渣礫石土填料的滲透破壞類型,運用自制加工的垂直滲透儀測定了雨水在路基中下滲時的水力坡降值與臨界水力坡降值,探討了火山渣路基的滲透穩(wěn)定性。

2 火山渣填料的基本物理性質(zhì)參數(shù)

填料的基本物理性質(zhì)參數(shù)試驗均參照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》(TB10102—2010)[9]進(jìn)行。由篩分試驗得到填料的粒徑組成如圖3所示。由顆粒密度試驗得到填料的顆粒密度為2.514 g/cm3,毛體積密度為2.047 g/cm3,根據(jù)顆粒的毛體積密度與顆粒密度,由公式(1)計算得到顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積占顆粒外輪廓線以內(nèi)體積的比例達(dá)18.6%(以下簡稱“顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積比”)。由擊實試驗得填料的最大干密度為1.59 g/cm3,最佳含水率為15.4%。

式中 e′——顆粒外輪廓線內(nèi),與外表面連通的孔隙體積占整個顆粒外輪廓線以內(nèi)總體積的比例;

圖3 填料的粒徑級配曲線

3 火山渣填料的滲透破壞類型判別

要判定填料在長期雨水滲透下是否會發(fā)生管涌破壞,須要首先判定其滲透破壞類型,若填料的滲透破壞類型為流土,表明填料不會發(fā)生管涌破壞,不須再進(jìn)行填料的滲透穩(wěn)定試驗;若填料的滲透破壞類型為管涌破壞,則還須進(jìn)行填料的滲透穩(wěn)定性試驗,進(jìn)一步判定填料在雨水下滲時的滲透穩(wěn)定性。

滲透破壞類型的判別根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB50487—2008)[7]給出的無黏性粗顆粒土的滲透變形判別方法進(jìn)行,該方法的基本要點如下。

首先,由公式(2)計算得到的幾何平均粒徑作為粗粒與細(xì)粒的分界粒徑。

式中 d10——小于該粒徑的含量占總質(zhì)量土重10%的顆粒粒徑,mm;

式中，bki（k＝1，2，…，Z；i＝1，2，…，5）表示k等級第i項主要因素的隸屬度集中值，即加權(quán)平均值。

d70——小于該粒徑的含量占總質(zhì)量土重70%的顆粒粒徑,mm。

然后,根據(jù)幾何平均粒徑的大小,即可得到試樣中細(xì)粒的百分含量P,并按如下原則確定土的滲透變形類型。

(1)不均勻系數(shù)小于5的土可判為流土。

(2)對于不均勻系數(shù)大于5的土可采用下列判別方法。

流土:

過渡性取決于土的密度、粒級和形狀:

管涌:

根據(jù)上述要點,填料的滲透破壞類型判定過程如下。

由圖3中填料的級配曲線可得填料的d70=5 mm, d10=0.075 mm,根據(jù)式(2)可計算得到填料的粗粒與細(xì)粒的分界粒徑為

根據(jù)式(6)的結(jié)果可知,試樣中粒徑小于0.61 mm的顆粒為細(xì)粒,相應(yīng)的百分含量P為31.7%,根據(jù)式(4)可判定混合料的滲透破壞類型為過渡型。因此,須要通過滲透穩(wěn)定試驗進(jìn)一步驗證填料在雨水下滲時的滲透穩(wěn)定性。

4 火山渣填料的滲透穩(wěn)定性試驗

式(7)與式(8)是土滲透穩(wěn)定性的判別準(zhǔn)則,可見,要判定出填料在雨水下滲時的滲透穩(wěn)定性,須要測定出雨水下滲時的水力坡降值以及填料的臨界水力坡降值。

式中 i——水在土體中滲流時的水力坡降值;

icr——土的臨界水力坡降值。

4.1 雨水下滲水力坡降值的測定

由于路基面設(shè)有人字形的排水橫坡,下雨時路基面難以形成較深的積水,雨水沿路基面的徑流深度可近似為0,即認(rèn)為雨水在路基中下滲時路基面的積水深度為0。據(jù)此,采用水頭高度與試樣上表面齊平(保證試樣上表面的水深為0)的室內(nèi)自由下滲試驗?zāi)M雨水在路基中的下滲現(xiàn)象,以測得雨水下滲時的水力坡降值i。

試驗參照《水利土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[10]進(jìn)行。所用儀器是一套自制加工的垂直滲透試驗儀(圖4),填料的d85=8 mm,儀器筒內(nèi)徑D= 100 mm＞5×d85=40 mm,表明試樣尺寸符合規(guī)范要求。

圖4 自制加工的垂直滲透試驗儀

圖5是該儀器的結(jié)構(gòu)示意,圖中測壓管1與測壓管2之間的垂直距離l1為160 mm,試驗時保持水頭高度與試樣的上表面平齊,水流由上至下自由下滲,每隔30 min測讀1次水位與滲水量,當(dāng)各參數(shù)基本穩(wěn)定時,記錄2個測壓管的水頭值,計算二者的水頭差Δh,由式(9)就得到雨水下滲時的下滲水力坡降i。

式中 h1——測壓管1的水頭高度,cm;

h2——測壓管2的水頭高度,cm;

l1——測壓管1與測壓管2之間的垂直距離,為16 cm。

圖5 垂直滲透儀結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

由于現(xiàn)場路基的壓實系數(shù)控制值為93%,因此,取試樣的壓實度控制值為93%。試驗測定了試樣在最佳含水率與飽和含水狀態(tài)的下滲水力坡降值,試驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出,試樣在最佳含水狀態(tài)下的下滲水力坡降為1.02,飽和狀態(tài)下的下滲水力坡降為0.78,取1.02作為雨水下滲的水力坡降值。

表1 室內(nèi)下滲試驗結(jié)果

4.2 填料臨界水力坡降值的測定

土體中的細(xì)顆粒在滲流作用下,開始從骨架顆粒的間隙中被帶出時對應(yīng)的水力坡降值稱為土體的臨界水力坡降。試樣的壓實度控制值仍為93%,試驗仍參照《水利土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[10]進(jìn)行。

圖6 滲透穩(wěn)定試驗過程

試驗時,每隔30 min測讀一次水位及滲水量,當(dāng)連續(xù)4次測得的水位及滲水量基本穩(wěn)定且無異?，F(xiàn)象時提升水位至下一水頭,直至試驗結(jié)束,試驗過程如圖6所示。共進(jìn)行了2組滲透穩(wěn)定試驗,試驗結(jié)果如表2所示。需要指出的是,由于試樣過程中將水力坡降加至9.12時仍未見試樣中細(xì)粒被帶出的現(xiàn)象,受試驗條件的限制,即終止了試驗。因此,表2中所給出的滲透水力坡降值要小于試樣的臨界坡降值。由表2可以看出,兩組試樣的滲透系數(shù)分別為4.52×10-4cm/s, 3.43×10-4cm/s,平均值為3.98×10-4cm/s,根據(jù)《水力水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)[3]給出的土的滲透性分級,如表3所示。試樣為弱透水性土,其透水性與一般的礫石類土相當(dāng)[11,12],表明火山渣顆粒內(nèi)部呈蜂窩狀的孔隙對土體的透水性質(zhì)影響不大,水在土體中主要還是通過顆粒之間的間隙滲流;試樣在水力坡降值加至9.12時仍未達(dá)到滲透破壞狀態(tài),表明試樣的臨界坡降值遠(yuǎn)大于雨水下滲時的水力坡降值1.02,可見,采用火山渣填筑的路基在雨水的長期下滲沖蝕下不會發(fā)生滲透破壞。

表2 滲透穩(wěn)定試驗結(jié)果

表3 土的滲透性分級

應(yīng)該指出的是,世界各地的火山渣填料由于成因、地質(zhì)環(huán)境等因素的不同,其顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積所占的比例也各不相同,從而導(dǎo)致滲透特性的不同。由于本文僅針對顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積比為18.6%的火山渣填料進(jìn)行了滲透穩(wěn)定性試驗,因此,本文的結(jié)論只適用于顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積比低于18.6%的火山渣填料,而對于顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積比高于18.6%的火山渣填料,還須重新進(jìn)行滲透穩(wěn)定性試驗,論證其滲透穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

長期雨水滲透下的滲透穩(wěn)定性是火山渣礫石土重要的路用性能之一。運用《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487—2008)中無黏性粗顆粒土的滲透變形判別方法探討了火山渣填料的滲透破壞類型;基于《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)中滲透穩(wěn)定性試驗的原理,設(shè)計了用于模擬雨水在路基中下滲的室內(nèi)自由下滲試驗,論證了顆粒內(nèi)部蜂窩狀孔隙體積比為18.6%的火山渣填料在雨水滲透下的滲透穩(wěn)定性。研究表明:火山渣填料的滲透破壞類型為過渡型,其顆粒內(nèi)部呈蜂窩狀的孔隙對火山渣填料的透水性質(zhì)影響不大,由其填筑的鐵路路基在雨水滲透下不會發(fā)生滲透破壞。

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Study on the Seepage Stability of Railway Embankment Filled with Volcanic Cinder Gravels

CHEN Jian,LUO Qiang,LIU Meng-shi,LIANG Duo-wei
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

With respect to the high porosity in volcanic cinder gravel particles,the permeability of volcanic cinder gravels is different from common gravels,and the piping erosion damage may exist in the railway embankment filled with volcanic cinder gravels.Therefore,the types of seepage failure in volcanic cinder gravels are identified,the hydraulic gradient value and the critical hydraulic gradient value when rainwater infiltrates in the embankment are measured with self-made vertical tester,and the seepage stability of the embankment filled with volcanic cinder gravels is approached.The test results show that the seepage failure types of the volcanic cinder gravels are of transitivity;the critical hydraulic gradient value is more than 9.12,which is much bigger than the hydraulic gradient value of 1.02 when rainwater infiltrates;and the piping erosion damage shall not happen to the railway embankment filled with volcanic cinder gravels.

Railway embankment;Volcanic cinder gravels;Seepage stability;Hydraulic gradient

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.004

1004-2954(2014)12-0014-04

2014-03-10;

2014-03-25

國家973計劃(2013CB036204)

陳 堅(1986—),男,博士研究生,E-mail:chen_jian1986@ 126.com。