荷載條件下原狀與重塑泥巖滲透性試驗(yàn)研究

王炳忠，王起才,2，張戎令,2,3，薛彥瑾，崔曉寧，卓 彬

(1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué)道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；3.蘭州交通大學(xué)甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070)

近年來，我國高速鐵路建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。高鐵線路網(wǎng)在全國范圍延伸，不可避免地經(jīng)過地質(zhì)條件不良地段，尤其是一些以膨脹泥巖為地基的高鐵工程引起了工程界高度關(guān)注。膨脹性泥巖是一類由強(qiáng)親水性黏土礦物，包括蒙脫石、伊利石、高嶺石等組成的特殊軟巖，具有吸水膨脹、失水收縮并反復(fù)變形的性質(zhì)，常使建筑物產(chǎn)生不均勻豎向或水平向脹縮變形[2-4]。膨脹泥巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征是其產(chǎn)生膨脹變形的內(nèi)因，水分入滲是最主要誘發(fā)因素，土體在隔水狀態(tài)下不會發(fā)生膨脹變形[5]。土體的滲透性直接關(guān)系到水分入滲的速度和總量，關(guān)系膨脹土地基上拱變形速率及最大上拱量計算。因此，研究地基土滲透性對于膨脹土地基滲流、膨脹量計算和水環(huán)境評價具有重要的理論與工程實(shí)際意義。

在膨脹土滲透特性方面，大多數(shù)專家學(xué)者集中研究了膨脹土邊坡裂隙開展、干密度等對滲透性影響[6-8]，對于地基膨脹土滲透性，尤其是低黏土礦物含量膨脹泥巖的滲透性研究并不多見。主要是因?yàn)檫^去地基土主要關(guān)注發(fā)生沉降問題，膨脹上拱病害并不多見。蘭新二線運(yùn)營后出現(xiàn)多處路基上拱病害，且隨著時間推移上拱量持續(xù)增長，這主要是由于其地基為低黏土礦物含量泥巖，設(shè)計規(guī)范判定為無膨脹性土，因而在設(shè)計中沒有受到足夠重視。而高鐵無砟軌道對上拱變形要求十分嚴(yán)格，從扣件可調(diào)整的角度來看，路基出現(xiàn)膨脹后，僅有4 mm的調(diào)整空間[9]，低黏土礦物含量膨脹泥巖浸水后引起膨脹變形將對高鐵無砟軌道運(yùn)營安全及舒適性帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。從施工方面看，高速公路等工程建設(shè)中均存在開挖路塹等外部荷載變化情況，這將進(jìn)一步引起地基滲流量變化。從地基土存在狀態(tài)看，不同應(yīng)力歷史、不同深度地基土所受壓力大小不同引起的滲透性不同[10]。

有關(guān)荷載作用引起土體滲透性變化問題的研究，國內(nèi)外已經(jīng)開展了探索性研究。蔣中明等[11]使用滲透變形加載系統(tǒng)，研究了側(cè)限條件豎直應(yīng)力大小對臨界水力梯度的影響；馮樹榮等[12]通過對比分析室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場原位試驗(yàn)、鉆孔高壓壓水試驗(yàn)成果，得出應(yīng)力狀態(tài)對含黏粗粒土滲透變形臨界水力梯度試驗(yàn)取值有重大的影響；李兆峰等[13]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)探究弱透水層水流運(yùn)移規(guī)律，得出土層的應(yīng)力歷史對土層的滲透系數(shù)影響不大；Tomlinson等[14]、Chang等[15]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了應(yīng)力狀態(tài)對無黏性砂土滲透變形的影響；辛利偉等[16]開展了裂隙試件受軸壓、圍壓加載和卸載作用滲流試驗(yàn)，結(jié)果表明裂隙面的法向應(yīng)力是影響裂隙滲流的主要因素；何俊等[17]進(jìn)行了不同溫度和圍壓下黏土滲透特性試驗(yàn)，結(jié)果表明滲透系數(shù)隨溫度的升高而增大，隨圍壓的增大而減小?？梢娬_評價應(yīng)力狀態(tài)對土體滲透性的影響十分重要，研究荷載對地基泥巖滲透性對上拱病害治理及預(yù)警具有重要現(xiàn)實(shí)意義。但目前對荷載條件下原狀土地基泥巖的滲透性研究并不多見，開挖路塹將引起地基原狀土卸荷，土體滲透性發(fā)生變化，打破原有平衡，地基進(jìn)一步浸水引起膨脹，因此研究荷載條件下泥巖滲透性變得很有必要。而地基土原狀樣較致密，不易取樣和制樣，且加載滲透試驗(yàn)裝置還處在開發(fā)階段，因此有必要探究原狀土和重塑土滲透性兩者之間差異和聯(lián)系。

本文依托蘭新二線高速鐵路，以沿線一典型膨脹地段微膨脹泥巖為研究對象，通過制作加載滲透儀，進(jìn)行了荷載為0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa下原狀及重塑泥巖飽和滲透性試驗(yàn)，探究荷載對土體滲透性的影響，并比較原狀樣與重塑樣滲透性差異，為高速鐵路地基土設(shè)計、上拱病害預(yù)警及治理提供理論支撐。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用土樣取自蘭新二線沿線典型膨脹地段，取樣里程為DK1345+300 m，深度為10～15 m。鉆機(jī)取樣直徑為10 cm，鉆機(jī)取出土樣后，迅速用保鮮膜包裹并密封，防止水分蒸發(fā)產(chǎn)生裂隙。試驗(yàn)前按照《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102-2010)測得土樣基本物理指標(biāo)，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方案及過程

目前測定土體滲透性的儀器主要有常水頭土壤滲透儀、變水頭土壤滲透儀、GDS三軸儀等，現(xiàn)有儀器在獲取各類土體滲透系數(shù)方面發(fā)揮了重要作用。如常水頭土壤滲透儀主要用于無荷砂類土滲透性測定；變水頭土壤滲透儀主要用于無荷黏質(zhì)土滲透性測定；GDS三軸儀盡管可測定荷載下土體的滲透性，但試驗(yàn)操作復(fù)雜、費(fèi)時，成本高。

為探究豎向荷載對原狀土及重塑土滲透性的影響，研制了液壓千斤頂加載滲透儀，以實(shí)現(xiàn)不同上覆荷載下土體滲透性測定，如圖1所示?？杉虞d滲透儀由滲透裝置、豎向加載裝置及供水裝置組成。考慮到現(xiàn)場鉆孔取樣直徑為10 cm，滲透儀直徑設(shè)計為8 cm，高4 cm。為保證進(jìn)水時水分只通過土體滲透，在透水石周圍設(shè)置密封圈以防止?jié)B透筒與下底板、上蓋板之間側(cè)向漏水。試驗(yàn)開始后水從進(jìn)水管首先進(jìn)入水槽，然后通過透水石向土體滲透。

試驗(yàn)分為原狀土和重塑土兩組。每組試驗(yàn)制作5個試樣，分別為5個荷載等級：0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa。

試驗(yàn)前挑選干密度(1.96 ～2.04 g/cm3)相近的5組原狀樣，采用切割機(jī)、打磨機(jī)、砂紙等加工試樣?？紤]到原狀樣與滲透筒內(nèi)壁有縫隙而不密貼，為防止試驗(yàn)時縫隙滲水，放置試樣時使用石蠟密封試樣與筒內(nèi)壁縫隙，加工試樣直徑比筒壁直徑小0.4 cm，即試樣尺寸為φ7.6 cm×4 cm，取相同里程土樣砸成重塑土，過0.5 mm篩子，通過分層擊實(shí)法制成重塑樣，干密度為1.65 g/cm3，試樣尺寸為φ8 cm×4 cm。

本試驗(yàn)依據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102 —2010)中變水頭法的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。加載完成后首先飽和試樣，當(dāng)看到上蓋有水滲出且漫過整個上部時認(rèn)為試樣完全飽和，本試驗(yàn)飽和時間為3～5 d。飽和后當(dāng)看到上部無水泡冒出時開始滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)時記錄好開始水頭高度、終了水頭高度、經(jīng)過時間，同時測記水溫。

滲透試驗(yàn)開始時首先將水頭設(shè)置為高出土樣2 m位置，在水頭下降的不同位置讀取3～4組數(shù)據(jù)，計算求平均值后作為第一次滲透系數(shù)結(jié)果；接著把水頭升至同一高度進(jìn)行第二次、第三次試驗(yàn)。本試驗(yàn)進(jìn)行中發(fā)現(xiàn)水頭下降很緩慢，24 h下降1～2 cm；為了排除讀數(shù)誤差，試驗(yàn)時使得水頭下降值達(dá)到10 cm，滲透時間一般為5～7 d。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of the soil samples

圖2 制樣及試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.2 Sample preparation and photos of the test

2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)束后整理數(shù)據(jù)并計算飽和滲透系數(shù)，根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》TB10102—2010中滲透系數(shù)公式計算，如下：

式中：k20——20℃時土樣滲透系數(shù)/(cm·s-1)；

kT——T℃時土樣滲透系數(shù)/(cm·s-1)；

a——變水頭管斷面積/cm2；

L——試樣高度/cm；

t1、t2——測讀水頭的起始和終止時間/s；

H1、H2——起始和終止水頭/cm；

ηT、η20——T ℃和20 ℃時水的動力黏度/(10-6kPa·s)。

本試驗(yàn)飽和滲透系數(shù)均換算為20℃時的滲透系數(shù)。

2.1 荷載條件下原狀土滲透系數(shù)試驗(yàn)

不同荷載作用下原狀土滲透試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同荷載下原狀土滲透試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of soil permeability under different loads

由表2可以看出，第1次、 第2次、第3次滲透系數(shù)依次略微增大。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著滲透時間的推移，在土樣上蓋頂有細(xì)小土顆粒被水帶出，即出水口水滴混合有微小土顆粒。當(dāng)進(jìn)行第2次、第3次試驗(yàn)時經(jīng)過滲透時間較長(第3次試驗(yàn)一般在第10天后開始)，土樣內(nèi)部滲流孔隙內(nèi)的細(xì)小顆粒在水壓力作用下逐漸被水帶出，這樣便形成了更加暢通的聯(lián)通孔隙，因而同一土樣隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，滲透系數(shù)略微增大。

圖3 不同荷載下原狀土滲透系數(shù)曲線Fig.3 Coefficient of permeability of the original soil under different loads

取表2中每級荷載下平均滲透系數(shù)繪制滲透系數(shù)-壓力關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖可知：隨著土體豎向荷載增大，滲透系數(shù)呈減小變化。滲透系數(shù)隨荷載變化曲線首先為外凸形減小，經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后緩慢減小。荷載為0.1、0.2、0.3、0.4 MPa滲透系數(shù)分別為無荷時滲透系數(shù)的95%、80.1%、52.2%、44.3%，說明滲透系數(shù)減小幅度先增大后減小。由于原狀土密實(shí)度較高，達(dá)到2 g/cm3，且具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通過荷載對土樣進(jìn)一步壓密改變其孔隙比較困難，但由于其內(nèi)部微裂隙發(fā)育，荷載作用可使這種微裂隙閉合。且由于土樣為膨脹性泥巖，施加荷載后土體未飽和時膨脹量沒有發(fā)生，土樣在側(cè)向約束和上覆荷載作用下進(jìn)行飽和，在飽和過程中膨脹性礦物膨脹量會向土體孔隙釋放填堵滲水通道，土體滲透性降低。當(dāng)對土樣施加0.1 MPa荷載后滲透系數(shù)僅減小了5%，說明土體受結(jié)構(gòu)性影響，較低荷載作用時對裂隙作用不明顯，對滲透性影響不大；荷載增加至0.2 MPa時滲透系數(shù)減小了19.9%，荷載對滲透系數(shù)影響變大；當(dāng)作用荷載為0.3 MPa時，滲透系數(shù)減小了47.8%，減小幅度最大，說明大部分微裂隙閉合，荷載對滲透性產(chǎn)生較大影響；荷載增加至0.4 MPa時滲透系數(shù)緩慢減小。

綜上可知，現(xiàn)場地基土埋深越深，所受上覆荷載越大，滲透系數(shù)越小。

2.2 荷載條件下重塑土滲透系數(shù)試驗(yàn)

不同荷載作用下重塑土滲透試驗(yàn)結(jié)果見表3。與表2對比可知，第1次、 第2次、第3次滲透系數(shù)依次略微增大，與原狀土具有相同的規(guī)律。試驗(yàn)中隨著滲透時間的推移，在土樣上蓋頂有細(xì)小土顆粒被水帶出，出水口水滴混合有細(xì)小土顆粒。由于土樣為原狀樣砸碎后重塑形成，土體大顆粒周圍附著有細(xì)小顆粒，土樣滲流時孔隙內(nèi)的細(xì)小顆粒在水壓力作用下逐漸被水帶出，形成了更加暢通的聯(lián)通孔隙，因而同一土樣隨著試驗(yàn)次數(shù)增加，滲透系數(shù)略微增大。

表3 不同荷載下重塑土滲透試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experimental results of the remolded soil permeability under different loads

圖4 不同荷載下重塑土滲透系數(shù)曲線Fig.4 Coefficient of permeability of the remolded soil under different loads

取表3中每級荷載下平均滲透系數(shù)繪制滲透系數(shù)-壓力關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖可知：隨著土體豎向荷載增大，滲透系數(shù)呈減小變化。滲透系數(shù)隨荷載變化曲線首先為較大幅度減小，然后經(jīng)過轉(zhuǎn)折點(diǎn)后緩慢減小。荷載為0.1，0.2，0.3，0.4 MPa滲透系數(shù)分別為無荷時滲透系數(shù)82%、65.4%、59.2%、54%，滲透系數(shù)減小幅度由大變小。本文重塑土壓實(shí)度為92%，荷載作用使得土體進(jìn)一步壓密，改變其孔隙率，荷載通過改變重塑土孔隙比而引起滲透系數(shù)變化，且由于土體為膨脹性泥巖，在側(cè)向約束和上覆荷載作用下進(jìn)行試樣飽和，飽和過程中浸水使得膨脹性礦物膨脹并向土體孔隙釋放填堵孔隙，土體滲透性降低。對土體施加0.1，0.2 MPa時滲透系數(shù)比無荷時減小了18%、34.6%，施加0.3，0.4 MPa時滲透系數(shù)比無荷時減小了40.8%、46%，0.2 MPa為滲透系數(shù)減小幅度變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，說明施加較小荷載(<0.2 MPa)時土體孔隙率減小幅度較大，對滲透系數(shù)影響大，而在此基礎(chǔ)上再施加荷載對土體孔隙率改變幅度較小，對滲透系數(shù)影響變小。

綜上可知，對于實(shí)際工程中高填方路基而言，路基底層土體隨填方增大所受上覆荷載變大，滲透性變小。

2.3 荷載條件下原狀土與重塑土滲透系數(shù)比較

由圖5可知，荷載為0，0.1，0.2，0.3，0.4 MPa時重塑土滲透系數(shù)是原狀土滲透系數(shù)14.5，12.5，11.8，16.5，17.7倍，即重塑土滲透系數(shù)大于原狀土滲透系數(shù)，且相差一個數(shù)量級。這主要是由于原狀土是經(jīng)過長期歷史沉積等因素形成，干密度達(dá)2 g/cm3，較為致密；而重塑夯實(shí)干密度為1.65 g/cm3，重塑土孔隙率大于原狀土孔隙率，兩者孔隙數(shù)量及大小不同。

圖5 不同荷載下原狀土與重塑土滲透系數(shù)比較Fig.5 Comparison of coefficient of permeability between the intact soil and remolded soil under different loads

由圖2～3及表2～3可以看出，隨著豎向荷載的增加，原狀土和重塑土滲透系數(shù)減小趨勢不同?？傮w上看，原狀土滲透系數(shù)呈“外凸形”減小，重塑土滲透系數(shù)呈“內(nèi)凹形”減小。這可能是由于荷載引起兩者滲透系數(shù)減小的原因不同，荷載對原狀土作用主要以減小微裂縫為主；重塑土在荷載作用下進(jìn)一步壓密，孔隙率減小。

由于原狀土取樣成本高、制樣及試驗(yàn)要求高，可根據(jù)原狀樣與重塑樣之間孔隙率、孔隙分布形態(tài)等方面的差異，進(jìn)一步探討兩者之間滲透性關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)本文研制的可加載滲透儀可以對原狀土和重塑土進(jìn)行不同荷載等級下的滲透性試驗(yàn)，具有較好的實(shí)用性。

(2)原狀土滲透系數(shù)隨著荷載增大而變小，變化曲線呈“外凸形”變化規(guī)律，現(xiàn)場地基土隨著埋深增加，土體滲透系數(shù)變小。

(3)重塑土滲透系數(shù)隨著荷載增大而變小，變化曲線呈“內(nèi)凹形”，對于高填方路基土而言，底層土滲透系數(shù)隨著上覆荷載增大而變小。

(4)通過對比原狀土和重塑土兩者滲透性，可知重塑土滲透系數(shù)比原狀土滲透系數(shù)大，且相差一個數(shù)量級。荷載引起原狀土、重塑土滲透性變化的原因不同：對較致密的原狀土荷載使其微裂縫閉合，而重塑土則在荷載作用下進(jìn)一步壓密。