高速公路浸水路堤滲透穩(wěn)定特性試驗分析

楊飛翔

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

1 概述

水在土體孔隙中的流動稱為滲流，路基作為一種由散粒體巖土材料填筑而成的土工構(gòu)筑物，水的浸入將導(dǎo)致填料的強度和路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。浸水路基是指坡腳或堤身常年處于設(shè)計水位以下的路基結(jié)構(gòu)，通常處于水塘、內(nèi)澇、濱河及水庫等地段?，F(xiàn)階段關(guān)于浸水路基破壞的機理研究大多集中在路基邊坡穩(wěn)定性和車輛荷載作用下路基沉降變形方面，對路基填料本身的滲透穩(wěn)定性研究較少。事實上，當路基兩側(cè)浸泡水位差較大時，路基整體將受到滲透水流的作用引起管涌或流土類型的滲透破壞，引起填料內(nèi)部掏空或出滲口整體破壞，對路基的路用性能和安全性產(chǎn)生不良影響。

對土滲透破壞類型的研究主要是通過滲透試驗或理論公式計算兩種方法[1]。目前關(guān)于理論公式的研究成果尚不成熟，許多關(guān)于土體滲透破壞類型判別和滲透破壞臨界水力坡降的研究都是根據(jù)大量試驗得出的具有半經(jīng)驗性質(zhì)的結(jié)論，不能分析判別自然界所有土類的滲透破壞類型，而土體的滲透變形試驗結(jié)果能直觀可靠的代表該類土滲透是管涌還是流土。因此，大多數(shù)關(guān)于土滲透破壞的研究都是采用試驗的方法[2]。本文通過對高速公路路基粗粒土填料的滲透變形試驗，分析填料的滲透破壞類型和臨界水力坡降，判斷路基在水的滲流作用下最不利位置處的滲透穩(wěn)定性。

2 工程概況

杭蘭高速公路某沿河浸水路基段設(shè)計高度為15.64 m，路基面寬度為26 m，設(shè)計正常水位6.6 m，單側(cè)浸水。路堤邊坡變坡點高度8.0 m，設(shè)有寬2 m的護坡道，其上下邊坡坡率分別為1∶1.5，1∶1.75，路基下為不透水的黏性土地基(見圖1)。

3 填料的基本物理性質(zhì)

試驗所用填料為沖積土，母巖主要成分為砂巖。按照JTG E40—2007公路土工試驗規(guī)程[3]對該路基填料進行顆粒分析試驗，得到填料的級配曲線如圖2所示。填料粒徑變化在0.1 mm～60 mm，不均勻系數(shù)Cu=16.94，曲率系數(shù)Cc=2.20，大于2 mm的部分占71.3%左右，填料類型屬于礫石類土。由于沖積土具有明顯的分選現(xiàn)象，圖2中1 mm～2 mm粒徑組處曲線呈水平段，該粒徑組質(zhì)量僅占總質(zhì)量的1.6%。通過開展網(wǎng)籃法和容量瓶法，測得填料的顆粒密度ρs=2.48 g/cm3，采用重型擊實試驗得最大干密度ρd,max=2.12 g/cm3，最優(yōu)含水率wopt=6.8%。

4 浸水路基填料臨界水力坡降的測定

通常將粗粒土中的土顆粒按分界粒徑劃分為粗料和細料，粗料形成土體骨架，細料填充在骨架孔隙之中。在水的滲流作用下粗粒土通常會發(fā)生管涌或流土兩種滲透破壞形式。管涌是指細料在土骨架孔隙中移動、流失的現(xiàn)象，表明細料受粗料骨架的約束程度較小，細顆粒很容易隨滲流發(fā)生流失；流土主要為在滲流的作用下，滲流出口處局部土體整體浮動、流失的現(xiàn)象[4]，表示土中細顆粒受粗顆粒骨架約束程度較高，土體整體性較好，在達到某一水力坡降時粗料和細料同時隨滲流發(fā)生流失。將開始發(fā)生管涌或流土破壞時對應(yīng)的水力坡降稱為臨界水力坡降icr。因此，當土體實際承受的水力坡降J≥Jcr時，將發(fā)生管涌或流土的滲透破壞，J

4.1 填料的滲透變形試驗方法

試驗參照SL 237—1999土工試驗規(guī)程[5]進行，所用垂直滲透變形儀如圖3所示。儀器試樣區(qū)高度450 mm、內(nèi)徑D=300 mm，底部側(cè)壁設(shè)進水口、頂部側(cè)壁設(shè)溢水口。由于滲透儀剛性金屬側(cè)壁與試樣土顆粒呈點狀接觸，側(cè)壁與土顆粒之間的孔隙明顯大于試樣內(nèi)部土顆粒之間的孔隙，導(dǎo)致邊壁附近的細顆粒受到的約束程度小于試樣內(nèi)部，試驗過程中邊壁附近的細顆粒容易隨滲流發(fā)生流失，影響試驗結(jié)果的判斷。因此，為避免滲透儀邊壁效應(yīng)的影響，規(guī)范規(guī)定滲透儀內(nèi)徑應(yīng)大于填料d85的5倍，且在制樣過程中滲透儀內(nèi)壁需要涂抹高塑性黏土或橡皮泥等柔性材料封堵邊壁孔隙。從圖2可知，試驗所用土樣的特征粒徑d85=10.7 mm，滲透儀內(nèi)徑D=300 mm>5×d85=53.5 mm，滲透儀尺寸滿足規(guī)范要求。

試樣壓實系數(shù)λ按0.93進行控制，即試樣干密度ρd=2.12×0.93=1.97 g/cm3。將試驗土料在滲透儀內(nèi)按“體積-質(zhì)量控制法”分層制樣后，采用常水頭自下而上進行飽和，以完全排除試樣中的空氣。試驗中供水管連通滲透儀底部進水口，逐級施加水頭使水向上流經(jīng)試樣從頂部溢水口流出。待滲流穩(wěn)定后，測記測壓管水位差、水溫，并用量筒測讀溢水口的滲流量，每次測讀時間間隔為20 min。當連續(xù)4次測得水位及滲流量基本穩(wěn)定，又無其他異?，F(xiàn)象時即可提升下一級水頭。試驗過程中需仔細觀察試樣上表面是否出現(xiàn)顆粒跳動、表面隆起、開裂的管涌或流土現(xiàn)象，一旦發(fā)生管涌或流土，且滲流量顯著增大，則停止試驗。

4.2 試驗結(jié)果分析

將試驗中測得的各級水力坡降J和滲流速度V繪制在雙對數(shù)坐標上，即圖4中的lgJ-lgV關(guān)系曲線。試驗結(jié)果表明，在水力坡降J較小段，J和V之間具有較好的線性關(guān)系，試驗滲流穩(wěn)定且符合達西定律；當水力坡降J=0.768時，試樣表面出現(xiàn)兩處霧狀水流，澄清的水開始變渾濁，經(jīng)過一段時間滲流后霧狀水流停止；當水力坡降J=1.063時試樣表面再次出現(xiàn)多處細粒跳動且跳動的粒徑逐漸增大，但此時試樣仍能承受一定大小的水頭，滲透破壞通道還未完全形成；當水力坡降J=1.314時，滲流量隨時間顯著增大，試樣表面冒水翻砂嚴重，表面已完全被細料所覆蓋，此時試樣達到滲流破壞。

表1為試驗中試樣表面出現(xiàn)顯著現(xiàn)象對應(yīng)的水力坡降。通過分析各階段試驗現(xiàn)象可知，試樣承受的水力坡降J=0.768時試樣內(nèi)部的細粒開始被滲流水帶出，取該級坡降和前一級坡降作為臨界水力坡降Jcr，但此時試樣隨時間發(fā)展流量穩(wěn)定，甚至能進一步承受更大的水頭，直到水力坡降J=1.314時試樣才發(fā)生破壞。因此，可以判定試驗所用填料的滲透破壞類型為過渡型管涌。

表1 填料滲透變形試驗結(jié)果

GB 50487—2008水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范[6]也給出了判定粗粒土的滲透破壞類型的方法：

1)確定土的不均勻系數(shù)和級配類型，其中級配類型分為級配連續(xù)型或者級配不連續(xù)型。所謂級配不連續(xù)型是指土的顆粒組成中至少有一個以上粒組的顆粒質(zhì)量分數(shù)不大于3%，否則就稱為級配連續(xù)型。

3)根據(jù)土的不均勻系數(shù)和細料熱量分數(shù)P即可判定土的滲透破壞類型：

a.不均勻系數(shù)不大于5的土可判為流土破壞；

b.不均勻系數(shù)大于5的土,P≥35%為流土破壞，25%≤P<35%為過渡型管涌破壞，P<25%為管涌破壞。

本文中，由于填料的不均勻系數(shù)Cu=16.94>5，1 mm～2 mm粒徑組質(zhì)量僅占總質(zhì)量的1.6%，故填料為不均勻土中的級配不連續(xù)型土，粗、細顆粒區(qū)分粒徑d=1.5 mm，從圖2可知細料質(zhì)量分數(shù)P=29%?；谖墨I[6]中的方法，可判定填料的滲透破壞類型為過渡型管涌，與試驗結(jié)果一致。

5 最不利位置滲透穩(wěn)定性判定

根據(jù)工程經(jīng)驗和流網(wǎng)計算可知，單側(cè)浸水路堤滲流最不利位置為背水坡與不透水地基面交點，該點滲流的水力坡降達到最大，路基填料最容易發(fā)生滲流破壞。為保證路基填料結(jié)構(gòu)不隨滲流發(fā)生典型破壞，該點處的水力坡降應(yīng)滿足：

(1)

其中，J為背水坡與地基面交點處的水力坡降；Jcr為填料的臨界水力坡降；[n]為控制安全系數(shù)，對于管涌型土取1.5，流土型土取2.0；[J]為設(shè)計允許水力坡降。

參照GB 50286—2013堤防工程設(shè)計規(guī)范[7]中對于不透水地基上填筑均勻土堤的工況，在下游無水情況下，堤坡與不透水面交點處的滲流坡降Jb(如圖5所示)可按式(2)確定：

(2)

其中，α為路堤邊坡與水平面夾角；m為路基邊坡坡率。

因此，該工況下浸水路基的最不利位置處水力坡降Jb=1/1.75=0.571，最后的驗算結(jié)果見表2。分析表2可知，在單側(cè)浸水路堤滲流最不利位置，土體承受的水力坡降0.571小于填料滲透試驗測得的臨界坡降0.656，但大于設(shè)計的允許水力坡降0.437，表明當前填料雖然不會在設(shè)計水位的滲流作用下發(fā)生滲透破壞，但安全儲備不足，后期運營過程中存在出現(xiàn)管涌破壞的風險。因此，需在該處一定范圍采取必要的防滲排水措施，防止填料中細料的流失而使路基結(jié)構(gòu)破壞。

表2 最不利位置處滲流穩(wěn)定驗算結(jié)果

6 結(jié)語

浸水路基的滲流穩(wěn)定性是影響其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要因素之一。通過對杭蘭高速公路某沿河浸水路堤填料的滲透穩(wěn)定性試驗，分析得出該類礫石土填料的滲透破壞類型和臨界水力坡降。研究表明：填料的細粒質(zhì)量分數(shù)為29%，滲透破壞類型為過渡型管涌，填料在出現(xiàn)管涌現(xiàn)象后仍能承受更大的水頭，臨界水力坡降為0.656，破壞坡降為1.275。根據(jù)GB 50286—2013堤防工程設(shè)計規(guī)范對滲流最不利位置處的滲流坡降計算，得出最不利位置處的滲流坡降為0.571，大于設(shè)計允許水力坡降0.437。填料將存在出現(xiàn)管涌型滲透破壞的風險，需采取一定的防滲排水措施。