高速公路浸水路堤滲透穩(wěn)定特性試驗(yàn)

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摘要:水的滲透破壞是影響浸水路堤穩(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基填料開展?jié)B透穩(wěn)定試驗(yàn)，分析該填料的滲透破壞類型和臨界水力坡降，判斷路基滲流最不利位置處的滲透穩(wěn)定性。結(jié)果表明:該填料的滲透破壞類型為過渡型管涌，臨界水力坡降為0．656，在路基滲流最不利位置處的滲流坡降為0．571，大于填料允許水力坡降0．437，即在該處將發(fā)生滲流破壞，需采取一定的防排滲措施。

關(guān)鍵詞:浸水路基;滲透破壞;臨界水力坡降

1概述

水在土體孔隙中的流動(dòng)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(qiáng)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(jì)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。現(xiàn)階段關(guān)于浸水路基破壞的機(jī)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(shí)上，當(dāng)路基兩側(cè)浸泡水位差較大時(shí)，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(yàn)或理論公式計(jì)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(yàn)得出的具有半經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(yàn)，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(jì)高度為15．64m，路基面寬度為26m，設(shè)計(jì)正常水位6．6m，單側(cè)浸水。路堤邊坡變坡點(diǎn)高度8．0m，設(shè)有寬2m的護(hù)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(yàn)所用填料為沖積土，母巖主要成分為砂巖。按照J(rèn)TGE40—2007公路土工試驗(yàn)規(guī)程［3］對該路基填料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到填料的級(jí)配曲線如圖2所示。填料粒徑變化在0．1mm～60mm，不均勻系數(shù)Cu=16．94，曲率系數(shù)Cc=2．20，大于2mm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1mm～2mm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=2．48g/cm3，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)得最大干密度ρd，max=2．12g/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(xì)料，粗料形成土體骨架，細(xì)料填充在骨架孔隙之中。在水的滲流作用下粗粒土通常會(huì)發(fā)生管涌或流土兩種滲透破壞形式。管涌是指細(xì)料在土骨架孔隙中移動(dòng)、流失的現(xiàn)象，表明細(xì)料受粗料骨架的約束程度較小，細(xì)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(dòng)、流失的現(xiàn)象［4］，表示土中細(xì)顆粒受粗顆粒骨架約束程度較高，土體整體性較好，在達(dá)到某一水力坡降時(shí)粗料和細(xì)料同時(shí)隨滲流發(fā)生流失。將開始發(fā)生管涌或流土破壞時(shí)對應(yīng)的水力坡降稱為臨界水力坡降icr。因此，當(dāng)土體實(shí)際承受的水力坡降J≥Jcr時(shí)，將發(fā)生管涌或流土的滲透破壞，J＜Jcr時(shí)土體滲流穩(wěn)定。

4．1填料的滲透變形試驗(yàn)方法

試驗(yàn)參照SL237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程［5］進(jìn)行，所用垂直滲透變形儀如圖3所示。儀器試樣區(qū)高度450mm、內(nèi)徑D=300mm，底部側(cè)壁設(shè)進(jìn)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(diǎn)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(xì)顆粒受到的約束程度小于試樣內(nèi)部，試驗(yàn)過程中邊壁附近的細(xì)顆粒容易隨滲流發(fā)生流失，影響試驗(yàn)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(yàn)所用土樣的特征粒徑d85=10．7mm，滲透儀內(nèi)徑D=300mm＞5×d85=53．5mm，滲透儀尺寸滿足規(guī)范要求。試樣壓實(shí)系數(shù)λ按0．93進(jìn)行控制，即試樣干密度ρd=2．12×0．93=1．97g/cm3。將試驗(yàn)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(jìn)行飽和，以完全排除試樣中的空氣。試驗(yàn)中供水管連通滲透儀底部進(jìn)水口，逐級(jí)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(shí)間間隔為20min。當(dāng)連續(xù)4次測得水位及滲流量基本穩(wěn)定，又無其他異常現(xiàn)象時(shí)即可提升下一級(jí)水頭。試驗(yàn)過程中需仔細(xì)觀察試樣上表面是否出現(xiàn)顆粒跳動(dòng)、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(yàn)。

4．2試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)中測得的各級(jí)水力坡降J和滲流速度V繪制在雙對數(shù)坐標(biāo)上，即圖4中的lgJ－lgV關(guān)系曲線。試驗(yàn)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(yàn)滲流穩(wěn)定且符合達(dá)西定律;當(dāng)水力坡降J=0．768時(shí)，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(shí)間滲流后霧狀水流停止;當(dāng)水力坡降J=1．063時(shí)試樣表面再次出現(xiàn)多處細(xì)粒跳動(dòng)且跳動(dòng)的粒徑逐漸增大，但此時(shí)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(dāng)水力坡降J=1．314時(shí)，滲流量隨時(shí)間顯著增大，試樣表面冒水翻砂嚴(yán)重，表面已完全被細(xì)料所覆蓋，此時(shí)試樣達(dá)到滲流破壞。表1為試驗(yàn)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(yàn)現(xiàn)象可知，試樣承受的水力坡降J=0．768時(shí)試樣內(nèi)部的細(xì)粒開始被滲流水帶出，取該級(jí)坡降和前一級(jí)坡降作為臨界水力坡降Jcr，但此時(shí)試樣隨時(shí)間發(fā)展流量穩(wěn)定，甚至能進(jìn)一步承受更大的水頭，直到水力坡降J=1．314時(shí)試樣才發(fā)生破壞。因此，可以判定試驗(yàn)所用填料的滲透破壞類型為過渡型管涌。GB50487—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(jí)配類型，其中級(jí)配類型分為級(jí)配連續(xù)型或者級(jí)配不連續(xù)型。所謂級(jí)配不連續(xù)型是指土的顆粒組成中至少有一個(gè)以上粒組的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于3%，否則就稱為級(jí)配連續(xù)型。2)判定土的粗、細(xì)料區(qū)分粒徑d，并得出填充粗料骨架孔隙的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)P。級(jí)配不連續(xù)型土的區(qū)分粒徑d為所缺失的粒徑組的最大粒徑和最小粒徑的平均值，級(jí)配連續(xù)型土的區(qū)分粒徑為d=d70·d槡10，其中，d70為小于某粒徑的顆粒累積質(zhì)量含量為總質(zhì)量70%對應(yīng)的特征粒徑;d10為小于某粒徑的顆粒累積質(zhì)量含量為總質(zhì)量10%對應(yīng)的特征粒徑。獲得粗、細(xì)料的區(qū)分粒徑后，根據(jù)土的級(jí)配曲線得出小于區(qū)分粒徑d的細(xì)料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)P。3)根據(jù)土的不均勻系數(shù)和細(xì)料熱量分?jǐn)?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＞5，1mm～2mm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(jí)配不連續(xù)型土，粗、細(xì)顆粒區(qū)分粒徑d=1．5mm，從圖2可知細(xì)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)P=29%。基于文獻(xiàn)［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(yàn)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(yàn)和流網(wǎng)計(jì)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(diǎn)，該點(diǎn)滲流的水力坡降達(dá)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(diǎn)處的水力坡降應(yīng)滿足:J＜Jcr［n］=［J］(1)其中，J為背水坡與地基面交點(diǎn)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(jì)允許水力坡降。參照GB50286—2013堤防工程設(shè)計(jì)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(diǎn)處的滲流坡降Jb(如圖5所示)可按式(2)確定:Jb=tanα=1m(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(yàn)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(yàn)測得的臨界坡降0．656，但大于設(shè)計(jì)的允許水力坡降0．437，表明當(dāng)前填料雖然不會(huì)在設(shè)計(jì)水位的滲流作用下發(fā)生滲透破壞，但安全儲(chǔ)備不足，后期運(yùn)營過程中存在出現(xiàn)管涌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。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(xì)料的流失而使路基結(jié)構(gòu)破壞。

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(yàn)，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(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?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)GB50286—2013堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范對滲流最不利位置處的滲流坡降計(jì)算，得出最不利位置處的滲流坡降為0．571，大于設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)，需采取一定的防滲排水措施。

作者:楊飛翔 單位:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司