藏東南地區(qū)粗粒土三軸滲透試驗(yàn)研究

金建立

(1.西藏農(nóng)牧學(xué)院 水利土木工程學(xué)院， 西藏 林芝 860000； 2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院)

1 引言

路基是公路工程的重要受力結(jié)構(gòu)，沿河路基除了受到上部荷載的作用外，還受到流水的沖刷和水的滲透作用影響，邊坡受力和變形較為復(fù)雜。藏東南地區(qū)普遍分布有大量的粗顆粒混合料，該土為第四系構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成的有黏性粗顆粒土，是礫質(zhì)土、風(fēng)化料和冰磧土組成的復(fù)雜混合土體。研究區(qū)域?yàn)楦呱綅{谷地形，工程中存在著大量的臨水邊坡，水位的變化會(huì)引起邊坡內(nèi)土體含水率的不斷變化，滲流的發(fā)生對(duì)工程安全產(chǎn)生較大影響。對(duì)于邊坡的滲透穩(wěn)定性進(jìn)行分析目前常用的方法有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或室內(nèi)試驗(yàn)，但這些試驗(yàn)由于試驗(yàn)條件的限制，很多力的因素和土體的應(yīng)力狀態(tài)無法充分考慮，而這些因素的存在會(huì)對(duì)土體的滲透性能產(chǎn)生影響，所以在研究臨水邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)對(duì)其土體在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性能進(jìn)行研究，以期準(zhǔn)確地把握其變形性能。

關(guān)于土體孔隙比與其滲透性能關(guān)系的研究中，Teizaghi最早提出了土體微觀結(jié)構(gòu)的概念；Carman在研究多孔介質(zhì)的基礎(chǔ)上提出了KC方程，描述了材料孔隙率與材料滲透系數(shù)之間的關(guān)系；龔霞等針對(duì)細(xì)粒含量和干密度等因素研究了粗粒土的滲透特性；周中等通過自制的滲透試驗(yàn)儀器研究了土石混合料的滲透特性，提出了適合計(jì)算土石混合料滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式；鄧永鋒等將多種滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系公式進(jìn)行對(duì)比，指出已有的經(jīng)驗(yàn)公式在logk-e坐標(biāo)中呈直線關(guān)系，直線的斜率可以用土體初始孔隙比的函數(shù)進(jìn)行表示；黃達(dá)等基于Copula理論建立了估算粒徑范圍0.1～20 mm粗粒土滲透系數(shù)的方法。

實(shí)際工程中只要合理控制土的干密度和體積，可以達(dá)到相同的孔隙率，也即不同的應(yīng)力狀態(tài)和邊界條件下可以使土體滿足相同孔隙率的要求。此時(shí)相同的孔隙比不同的應(yīng)力狀態(tài)，致使土體內(nèi)部顆粒排列存在差異性，引起孔隙特征產(chǎn)生差異，也即相同孔隙率的土體其滲透性能也會(huì)不一樣，說明不同應(yīng)力狀態(tài)下的土體滲透系數(shù)不是唯一的。關(guān)于土體滲透系數(shù)的研究，徐永福等通過室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合分形理論導(dǎo)出了土的滲透系數(shù)表達(dá)式，總結(jié)出了壓應(yīng)力與土的滲透系數(shù)的關(guān)系；羅玉龍等通過室內(nèi)多相多場(chǎng)耦合試驗(yàn)總結(jié)了圍壓與土體滲透性能的關(guān)系；陳錦劍等通過改變圍壓等條件，總結(jié)了分級(jí)降壓條件下的滲透系數(shù)與孔隙比的關(guān)系。可以看出，關(guān)于應(yīng)力變化對(duì)土體滲透系數(shù)影響的研究雖然取得了大量的成果，但還未形成一個(gè)體系，實(shí)際滲流發(fā)生時(shí)的應(yīng)力狀況更為復(fù)雜，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

該文基于藏東南地區(qū)粗顆?；旌狭?，利用大三軸進(jìn)行滲透系數(shù)室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)土體設(shè)定相對(duì)復(fù)雜的應(yīng)力條件，找出研究區(qū)域的粗?；旌狭显趶?fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲流特性，為藏東南地區(qū)的臨水邊坡和水利工程建設(shè)提供參考資料。

2 滲透系數(shù)三軸試驗(yàn)

2.1 土樣基本性質(zhì)試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣采自318國道西藏段波密至魯朗境內(nèi)102滑坡2#滑坡體，土樣采集后風(fēng)干至含水率小于2%方可使用。篩分試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 試樣土樣顆粒特征指標(biāo)

由表1可知：邊坡土的粒徑分布不均勻。將篩分試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果與規(guī)范對(duì)比得出，102滑坡2#滑坡體的邊坡土為級(jí)配不良土(SP)。根據(jù)三軸試驗(yàn)的試樣規(guī)格，取土樣的最大粒徑為60 mm，篩分后的0.1 mm以下粒徑土的含量為1.75%～4.33%，小于5%，根據(jù)規(guī)范規(guī)定可以將土樣界定為有黏性粗粒土，為該地區(qū)路基和堤壩等工程的常用材料。根據(jù)室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)確定試樣的用土量為94.34 kg。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

三軸滲透試驗(yàn)中，分5層對(duì)試樣進(jìn)行裝樣擊實(shí)。利用三軸儀器良好的圍壓、軸壓控制性能滿足試驗(yàn)條件，以恒定的水頭對(duì)試樣進(jìn)行滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)置200、400、800、1 200、1 600 kPa共5種圍壓和0、0.2、0.4、0.6、0.8共5種應(yīng)力水平。試驗(yàn)土樣的最大粒徑為60 mm，試樣的規(guī)格為φ300 mm×600 mm，試驗(yàn)首先將試樣滲流量調(diào)試穩(wěn)定，然后對(duì)試驗(yàn)施加100 kPa的水頭壓力開始滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)中記錄各排水管的出水量、滲流時(shí)間和實(shí)時(shí)溫度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 顆粒級(jí)配對(duì)滲透系數(shù)的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)方法和SL 237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理分析，得到試樣的滲透系數(shù)如圖1所示。

從圖1可知:不同的顆粒級(jí)配條件下，試樣的滲透系數(shù)不一樣。試樣的滲透系數(shù)與其不均勻系數(shù)成線性關(guān)系，不均勻系數(shù)越大其滲透性越好。試樣1#粒徑2 mm以下含量為42%，試樣2#粒徑2 mm以下含量為35.8%，試樣3#粒徑2 mm以下含量下降為30.8%。試樣1#～3#細(xì)粒含量依次減小，在圍壓為200 kPa時(shí)對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)分別為7.56、9.27和11.38，同樣的試驗(yàn)條件下細(xì)粒含量較高試樣滲透系數(shù)較小，可見級(jí)配對(duì)同一圍壓下試樣的滲透系數(shù)有較大的影響。產(chǎn)生這種情況主要是因?yàn)榧?xì)顆粒在土中起到填充孔隙的作用，細(xì)粒較少的試樣粗顆粒間的孔隙不能被充分填充，形成較大的孔隙率，滲透水相對(duì)流通通道較多，導(dǎo)致土樣的滲透系數(shù)增大，與黃達(dá)等的研究結(jié)論一致。

圖1 不同Cc下的滲透系數(shù)

3.2 圍壓與滲透系數(shù)的關(guān)系

將三軸滲透試驗(yàn)結(jié)果點(diǎn)繪應(yīng)力水平為0時(shí)的滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 不同圍壓下試樣的滲透系數(shù)

由圖2可知：試樣的滲透系數(shù)與試驗(yàn)圍壓的對(duì)數(shù)成直線關(guān)系，滲透系數(shù)隨著圍壓的增加逐漸減小，主要是因?yàn)楦邍鷫鹤饔孟峦馏w內(nèi)水和氣的排出量較多，致使土顆粒的重新排列度較高，土體內(nèi)的孔隙體積減少量大，降低了水的流通通道量，所以滲透系數(shù)隨著圍壓的增加而降低。試樣1#～3#中的細(xì)粒含量依次減少，相應(yīng)的滲透系數(shù)依次增加，說明細(xì)顆粒的含量對(duì)試樣滲透特性影響較為明顯。主要是因?yàn)榧?xì)顆粒能夠較好地填充粗顆粒所形成的孔隙，減少滲流水的滲流通道，表現(xiàn)為滲出水量的減小，滲透系數(shù)的降低，這與文獻(xiàn)[14]、[15]的研究結(jié)論一致。將試驗(yàn)圍壓取自然對(duì)數(shù)進(jìn)行擬合，由圖2中的擬合公式可知：擬合后的試樣滲透系數(shù)與圍壓成一次曲線關(guān)系，相關(guān)性系數(shù)均大于0.95，說明圍壓對(duì)滲透系數(shù)影響具有一定的規(guī)律性，可以用一次函數(shù)表示。

3.3 應(yīng)力水平與滲透系數(shù)的關(guān)系

圖3為試樣1#的應(yīng)力水平與滲透系數(shù)變化曲線。

圖3 試樣1#ks-S關(guān)系曲線

由圖3可知，試樣的滲透系數(shù)與其應(yīng)力水平成指數(shù)關(guān)系。擬合相關(guān)性系數(shù)達(dá)0.966 1，可見擬合的契合度較高。將圖2、3 的擬合關(guān)系式進(jìn)行結(jié)合整理可得滲透系數(shù)、應(yīng)力水平及圍壓的關(guān)系式：

ks=(a+blnσ3)ecS

(1)

式中：ks為滲透系數(shù)；S為試樣的應(yīng)力水平；a、b、c為擬合曲線系數(shù)；σ3為試驗(yàn)圍壓。

為了驗(yàn)證擬合公式的正確性，該文采用Abaqus軟件建立三軸試驗(yàn)?zāi)Ｐ停檬?1)計(jì)算圍壓為400、800、1 200、1 600 kPa共4情況下的滲透系數(shù)和有限元模擬值進(jìn)行對(duì)比(圖4)，并對(duì)兩種方法得出的滲透系數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，由圖4可得：兩者的Person相關(guān)性系數(shù)值為0.942>0.8，屬于高度相關(guān)，可見擬合公式是可靠的，在缺少試驗(yàn)條件的情況下可以用該擬合公式近似進(jìn)行相關(guān)滲透系數(shù)的估算。

圖4 滲透系數(shù)模擬值和擬合值對(duì)比圖

4 結(jié)論

(1) 研究區(qū)域的土樣顆粒對(duì)其滲透系數(shù)有顯著的影響，一定條件下細(xì)顆粒越多滲透性能越差，表明該區(qū)域土體的滲透性能受其級(jí)配組成影響較大，較好的級(jí)配可以改善其滲透性能，減小滲透對(duì)工程的破壞。

(2) 土樣的滲透系數(shù)與圍壓經(jīng)擬合后呈線性關(guān)系，滲透系數(shù)與其應(yīng)力水平成指數(shù)關(guān)系。

(3) 通過擬合運(yùn)算得出了土樣滲透系數(shù)、應(yīng)力水平及圍壓的擬合關(guān)系式，公式可靠可行，在缺少試驗(yàn)條件時(shí)可以用該擬合式近似進(jìn)行相關(guān)滲透系數(shù)估算。