不同粘粒含量土體管涌試驗(yàn)研究

尹子學(xué)，陳 亮*，蔡國棟，高明軍，萬 昱

(1.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

在中國，約31%的堤壩損傷與管涌有關(guān)[1]。管涌是土體滲透破壞的一種典型破壞形式，管涌導(dǎo)致的土體滲透變形可能引發(fā)基坑、堤壩等建筑物失穩(wěn)[2-5]。國內(nèi)外諸多學(xué)者都對管涌問題做了大量研究。Ke[6]等研究了土體初始細(xì)顆粒含量和土體臨界水力梯度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒含量越高，臨界水力梯度越大，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)土體滲透破壞后土體強(qiáng)度發(fā)生明顯弱化。Moffat[7-8]等研究發(fā)現(xiàn)外部施加軸向荷載時(shí)，土體的細(xì)顆粒流失會受到影響，土體滲透變形中軸向位移的大小受軸向荷載影響；改變土體中細(xì)顆粒部分的級配，可能會影響土體的滲透變形特性。陳亮等[9]進(jìn)行了非穩(wěn)定流下管涌發(fā)生發(fā)展的試驗(yàn)和理論研究，提出穩(wěn)定流作用下土體的破壞水頭高于非穩(wěn)定流作用下土體的破壞水頭的假想。何健健[10]等通過剃除法進(jìn)行砂土管涌后的力學(xué)特性弱化規(guī)律研究，并從細(xì)顆粒流失量的角度出發(fā)，建立了修正的Duncan-Chang模型。袁濤[11]利用自主研發(fā)的加載式大型滲透變形儀，對不同級配的粗粒土試樣進(jìn)行滲透變形全過程試驗(yàn)及側(cè)限壓縮對比試驗(yàn)，獲得了不同試件產(chǎn)生滲透變形的臨界水力梯度、滲透系數(shù)演化規(guī)律及損傷變化特性。

值得一提的是，防洪堤、防波堤等建筑的堤基土往往是粗粒與細(xì)粒共存、級配不連續(xù)的砂-粘土混合物[12]，因此有必要研究粘粒含量對管涌發(fā)生發(fā)展的影響。此外，管涌具有一定的空間結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)。土體發(fā)生管涌后，掌握不同深度土體的水力條件、細(xì)顆粒流失、力學(xué)特性變化情況，對制定針對性的修復(fù)方案具有重要的意義。本研究利用自行研制的管涌試驗(yàn)儀器通過向上管涌的方法對不同粘粒含量的土體進(jìn)行了管涌試驗(yàn)。然后分別取發(fā)生管涌后的上、中、下層土體進(jìn)行顆粒分析，之后按照顆粒分析結(jié)果進(jìn)行重新配樣并開展三軸壓縮試驗(yàn)(CU)，分析不同粘粒含量試樣管涌后上、中、下層土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度差異。

1 室內(nèi)管涌試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)為一維豎向滲流裝置如圖1(a)所示，主體部分為豎直有機(jī)玻璃圓筒，其內(nèi)徑為150 mm，高度為430 mm。豎直圓筒上部周圍采用透明有機(jī)玻璃設(shè)置一道溢流槽。豎直圓筒側(cè)面從上到下依次設(shè)置1、2、3號測壓孔，用以測量不同高度位置土體的孔壓。隔砂透水板的下部為高度100 mm的水流緩沖區(qū)，隔砂透水板上部240 mm高度的空間為試樣裝填區(qū)。按空間結(jié)構(gòu)將試驗(yàn)土體分為上、中、下三層，如圖1(b)所示。由于試驗(yàn)為豎直向上滲流，因此本文所定義的上層、中層、下層土體，若按照滲徑方向劃分，則分別對應(yīng)下游、中游、上游土體。

圖1 管涌試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Equipments of piping test

1.2 試驗(yàn)材料

Richards等[13]在研究中指出，管涌往往發(fā)生于缺級配礫類土中。Kenney等[14]研究發(fā)現(xiàn)，對于缺級配土，如果細(xì)顆粒粒徑小于d，粒徑介于d與4d之間的顆粒含量很小，細(xì)顆粒可以在粗顆粒構(gòu)成的骨架中移動(dòng)，即土體可以發(fā)生管涌。根據(jù)這一結(jié)論，試驗(yàn)材料為粗顆粒和細(xì)顆粒組成的缺級配礫類土，其中粗顆粒為粒徑2～6 mm的細(xì)礫；細(xì)顆粒包括砂顆粒和粘粒兩部分，砂顆粒為粒徑0.075～0.25 mm的細(xì)砂，粘粒為粒徑0.001～0.005 mm的高嶺土。試驗(yàn)材料相關(guān)物理參數(shù)見表1。各組試樣的顆粒級配如圖2所示。

表1 試樣物理參數(shù)

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve

1.3 試驗(yàn)步驟

(1)試樣制備：根據(jù)預(yù)設(shè)的細(xì)顆粒含量和填筑密度稱取粗顆粒和細(xì)顆粒干重。先將細(xì)砂與粘?；旌暇鶆颍缓笤倥c粗顆粒進(jìn)行混合攪拌，得到三等份攪拌均勻的土樣(無粘粒試樣略去細(xì)砂與粘粒攪拌的步驟)。

(2)裝樣：得到三等份土樣后，按照圖1(b)中所示，依次填裝下中上三個(gè)土層。裝填時(shí)分層裝填擊實(shí)，使土樣裝填均勻。

(3)試樣飽和：裝樣結(jié)束后，采用低水頭飽和的方法，緩緩提升上游水頭對試樣進(jìn)行飽和直至試樣中的水位剛好超過試樣上表面，有少量水從試樣頂部溢出，此時(shí)將上游水水頭固定，對試樣飽和24 h后再繼續(xù)試驗(yàn)。

(4)管涌試驗(yàn)：按照每級2.5 cm的高度分級提升上游水頭，每級水頭停留10 min，當(dāng)土體出現(xiàn)細(xì)顆粒流失時(shí)，待細(xì)顆粒停止流失時(shí)再提升水頭。重復(fù)上述步驟，當(dāng)試樣流量出現(xiàn)大幅增加且土體出現(xiàn)大量細(xì)顆粒流失后，根據(jù)試驗(yàn)情況再繼續(xù)提升幾級水頭，隨后停止試驗(yàn)。

(5)細(xì)顆粒流失量統(tǒng)計(jì)：試驗(yàn)結(jié)束后分層取樣，烘干后進(jìn)行顆粒篩分并稱量得到各層砂顆粒流失量及粘粒流失量。

(6)管涌后三軸壓縮試驗(yàn)：按步驟(5)的顆粒篩分結(jié)果重新配樣并進(jìn)行固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)。

2 管涌試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水力梯度與流速變化

隨著上游水頭的抬升，幾組試樣流速前期隨著水力梯度的變大而變大;達(dá)到臨界水力梯度后，曲線斜率先變小后變大，對應(yīng)顆粒起動(dòng)的過程，此時(shí)管涌已經(jīng)發(fā)生[15]。試驗(yàn)過程中不同粘粒含量土體流速隨水力梯度變化情況如圖3所示。

圖3 不同粘粒含量土體流速隨水力梯度變化情況Fig.3 The velocity of soil varies with hydraulic gradient under different clay content

各組土體臨界水力梯度及流速和細(xì)顆粒涌出時(shí)的水力梯度及流速如表2所示。管涌時(shí)，土體的粘粒含量越大，試樣的臨界水力梯度越小，細(xì)顆粒涌出時(shí)的水力梯度越小，流速越大。

表2 不同節(jié)點(diǎn)水力梯度和流速

2.2 細(xì)顆粒流失量

由圖4可得，試樣的細(xì)顆粒流失量呈現(xiàn)明顯的空間結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)：細(xì)顆粒流失量沿著試驗(yàn)滲徑方向逐漸變小，下層流失量最大，上層流失量最小。例如粘粒含量為25%時(shí)，試樣中、下層的細(xì)砂流失百分比分別為17.5%、31%，而試樣上層的細(xì)砂流失百分比只有4.25%。整個(gè)試樣的細(xì)顆粒流失量與中層的細(xì)顆粒流失量相接近。

圖4 不同粘粒含量下細(xì)顆粒流失情況Fig.4 The loss of fine particles under different viscosity content

從粘粒含量的角度看，粘粒含量的增加使得整個(gè)試樣的砂顆粒流失量和粘粒流失量都隨之增加?？梢?，粘粒對土體的細(xì)顆粒流失起到一種促進(jìn)作用，粘粒更容易隨滲透水流移動(dòng)，攜帶粘粒的滲透水流對細(xì)顆粒產(chǎn)生一定沖擊，粘粒也可能起到類似滾珠的作用，使細(xì)顆粒更容易在孔隙中移動(dòng)。增加粘粒含量時(shí)，粘粒的促進(jìn)作用增強(qiáng)。

3 管涌后的剪切試驗(yàn)結(jié)果分析

不同粘粒含量的各層試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。當(dāng)軸向應(yīng)變小于1.5%時(shí)，各條曲線幾乎重合，剪應(yīng)力隨軸向應(yīng)變增加速度較快；軸向應(yīng)變大于3%時(shí)，各條曲線之間的距離逐漸拉開，曲線的斜率變化出現(xiàn)一定差異。各組出現(xiàn)峰值強(qiáng)度的應(yīng)變區(qū)間在6.2%～7%之間，可見粘粒含量對試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)的軸向應(yīng)變無明顯影響。隨著粘粒含量增加，各層土體峰值強(qiáng)度均有降低趨勢。此外管涌后土體的變形性質(zhì)存在一定的空間結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)。滲透破壞后上層土體應(yīng)變軟化趨勢與初始試樣接近，應(yīng)變軟化削弱程度較低；滲透破壞后中、下層土體應(yīng)變軟化。削弱趨勢較明顯。由此可見，土層深度越深，礫類土的應(yīng)變軟化趨勢越容易受到削弱。

圖5 不同粘粒含量各層土體的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of soils with different clay particle content

根據(jù)圖5，得到不同粘粒含量下的各層土體峰值強(qiáng)度變化曲線如圖6。初始試樣是未經(jīng)管涌破壞的試樣，各組峰值強(qiáng)度分別為432、420、415、406、396 kPa。較Cc=0%，粘粒組峰值強(qiáng)度降低幅度分別為2.78%、3.94%、6.01%、8.33%，出現(xiàn)峰值強(qiáng)度的變化是因?yàn)樵诩?xì)顆粒含量不變的情況下，粘粒替代了一定質(zhì)量的細(xì)砂顆粒，可見即使不發(fā)生管涌，粘粒含量的增加也會使得土體峰值強(qiáng)度降低。下層土體是管涌破壞最嚴(yán)重的土樣，其各組峰值強(qiáng)度分別為399、377、370、335、319 kPa,較Cc=0%峰值強(qiáng)度降低幅度分別為5.51%、7.26%、16.04%、20.05%。相比于初始試樣，發(fā)生管涌后，粘粒含量越大，土體峰值強(qiáng)度下降幅度越大。這進(jìn)一步證實(shí)了粘粒對土樣的細(xì)顆粒流失起一定的促進(jìn)作用。粘粒含量越大，這種促進(jìn)作用則越明顯。

圖6 不同粘粒含量下峰值強(qiáng)度曲線Fig.6 Peak strength curves of different clay contents

土體峰值強(qiáng)度隨土層深度的增加而降低，是由于土體的滲透變形程度隨土層深度增加而增加。由于細(xì)顆粒流失百分比與土層深度正相關(guān)。土層深度越深，細(xì)顆粒流失越嚴(yán)重，孔隙體積增加越大，土體結(jié)構(gòu)越松散，導(dǎo)致土體滲透變形越嚴(yán)重，對整個(gè)土體的強(qiáng)度損失影響越大。

4 結(jié)論

1)含粘粒土樣的臨界水力梯度和開始發(fā)生管涌破壞時(shí)的水力梯度與粘粒含量呈負(fù)相關(guān)。破壞時(shí)流速與粘粒含量呈正相關(guān)。

2)管涌后的土體，土層深度越深，土體細(xì)顆粒流失量越大，土體的強(qiáng)度損失越大，土體應(yīng)變軟化趨勢越不明顯。

3)粘粒含量對土體細(xì)顆粒流失起到促進(jìn)作用，使得管涌后含粘粒的土樣強(qiáng)度損失更大。粘粒含量越大，這種促進(jìn)作用越明顯，強(qiáng)度損失越大。