粗粒土水平滲透及滲透變形試驗研究

粗粒土水平滲透及滲透變形試驗研究

粗粒土是一種廣泛分布于天然建筑材料中的優(yōu)質(zhì)材料。由于其具有壓實性能好、透水性強、填筑密度大、強度高、變形小等工程特性,在水利工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。粗粒土屬于典型的非均質(zhì)多孔介質(zhì),其滲透系數(shù)是由高滲透性的卵、礫石和低滲透性的砂、土的滲透系數(shù)復(fù)合而成。砂、土的滲透系數(shù)可以通過室內(nèi)滲透試驗由達西定理計算得出,粗粒土中常含有粒徑較大的漂石,其滲透系數(shù)很難通過室內(nèi)滲透試驗準確測定。鄭瑞華等人研制了垂直方向的大型滲透儀,并對積石峽面板壩的墊層料、過渡料進行了試驗,張福海等人研制了粗顆粒土滲透系數(shù)及土體滲透變形測試儀,為內(nèi)徑30cm、高50cm有機玻璃試樣筒,測定了卵石夾粉土的垂直滲透系數(shù)和臨界水力梯度,但沒有使用該儀器測定滲流方向為水平方向的滲透試驗。本研究采用自行設(shè)計大型水平滲透試驗裝置,對某樞紐工程壩體填筑料(壩殼料、墊層料共8組試料)進行原級配水平滲透及滲透變形試驗,研究了水平滲透系數(shù)與粗料含量關(guān)系,臨界水力坡降與粗料含量關(guān)系,并對水平滲透系數(shù)和臨界水力坡降進行了相關(guān)性分析,對了解無粘性粗粒土水平滲流特性具有一定的實際意義。1材料和試驗裝置1.1粒組和存放選擇某樞紐工程壩體填筑代表性砂礫料,先進行篩分試驗,按粒組分別存放使用。根據(jù)設(shè)計提供的C2-1料場松散層壩殼料、墊層料及膠結(jié)礫石層壩殼料的上、下包線及平均線進行壩體不同分區(qū)的土料制備,壩料及填筑要求見表1。1.2水泵加壓系統(tǒng)圖2水平滲透試驗裝置由水平滲透儀、供水加壓系統(tǒng)、量測系統(tǒng)組成。水平滲透儀采用高1.0m、寬1.0m、長2.8m鋼制容器制作,其中:裝試料段長1.5m,兩端設(shè)有帶孔隔板;進口段長0.5m,頂部設(shè)有排氣閥;出口段長0.8m,內(nèi)裝排水體(40～60mm礫石)。供水加壓系統(tǒng)采用1m3可升降高位水箱,最大上升高度5.0m,水箱下部進水管與水平滲透儀用法蘭1連接,水箱上部有回水管和溢流管與地面循環(huán)水箱連接。量測系統(tǒng)由水平滲透儀側(cè)面設(shè)的4根測壓管與內(nèi)部砂石料相通,容器出口通過法蘭2與8cm直徑透明有機玻璃管連接,便于觀測泥沙移動情況,有機玻璃管末端設(shè)閘閥以便排沙和排水,向上通過法蘭3接8cm直徑的PVC塑料立管,使出水管軸線高程高出容器頂高程10cm,在出口處測定滲水流量,試驗裝置見圖1。2方法和經(jīng)驗現(xiàn)象2.1初支滲透膜初始滲透試驗根據(jù)試料填筑干密度及裝料容積換算砂石料總重,試料拌勻后分4層裝入滲透儀內(nèi),采用振動板振動密實。為防止試料在飽和過程中集中滲漏通道下陷,容器頂部壓板下設(shè)5道海綿墊(外包塑膜)止水。待試料裝滿后先進行飽和,緩慢提升高位水箱,直至箱內(nèi)液面高出容器出水高程,打開排氣閥進行排氣。試驗時先根據(jù)試樣細料含量初判滲透破壞形式,初始滲透比降及遞增值選擇:壩殼料平均線、下包線初始滲透比降0.04,遞增值0.04;壩殼料上包線及墊層料初始滲透比降0.06～0.10,遞增值0.10;每次升高水頭30min后,開始量測水頭差及測壓管水位,出水流量采用體積法量測,每個水位觀測3次流量,取平均值。2.2壩體內(nèi)部土壤條件試驗過程中通過觀測容器出口有機玻璃管內(nèi)水流現(xiàn)象及測壓管內(nèi)水頭變化情況判斷細料的運動情況,隨著水頭高度增加,滲透比降不斷增大,試料中開始有泥土(粒徑小于0.1mm顆粒)隨水流帶出,呈霧狀。如C2-1料場松散層壩殼料(平均線),當(dāng)水頭差ΔH=48cm時,整個出水管出現(xiàn)渾濁。ΔH=72cm時,壩料中開始有細料(粒徑在1～2mm顆粒)跳動,此時認為試料達到臨界比降。3結(jié)果與分析3.1廣義滲透系數(shù)kC2-1料場松散層壩殼料水平滲透試驗成果見表2,出水管軸線相對高程為114cm,以總水頭差計算不同進口水位下的水力坡降,按體積法計算相應(yīng)水位下的滲透流速。在雙對數(shù)坐標系上以水力坡降i為縱坐標,滲透流速v為橫坐標,繪制lgi—lgv關(guān)系曲線,當(dāng)曲線斜率開始變化,并觀察到有細顆粒開始流出時,認為試樣達到臨界坡降ik,其值等于開始出現(xiàn)管涌時坡降與前一級坡降和的一半。滲透系數(shù)根據(jù)水力坡降、滲透流速資料,按v=ks×ik進行求解,C2-1料場松散層壩殼料(平均線)廣義滲透系數(shù)ks=3.0×10-2cm/s,滲流指數(shù)m=0.90,臨界坡降ik=0.46。其余壩殼料、墊層料滲透系數(shù)及臨界坡降見表3。3.2分析3.2.1粗料含量對混合料滲透率的影響由圖2可以看出,當(dāng)粗料含量較少時,混合料中粗細料同時起到骨架作用,粗料形成的孔隙完全被細料填滿,混合料滲透系數(shù)主要取決于細料性質(zhì),水平滲透系數(shù)較小,滲流規(guī)律符合v=ks×im關(guān)系式,滲流指數(shù)m=1.0,即完全符合達西滲流定律;隨著粗料含量的增加,土體骨架作用增強,水平滲透系數(shù)有所增大,當(dāng)粗料含量增加至65%～75%后,混合料達到最優(yōu)級配,即混合料中粗料形成骨架,細料只起占有全部孔隙的作用,不會改變粗料孔隙體積,此時混合料滲透性取決于粗、細料共同性質(zhì),滲流指數(shù)m=0.93～0.96,基本符合達西滲流定律;隨著粗料含量繼續(xù)增加至75%～80%后,相應(yīng)細料較少,細料已填不滿粗料骨架的孔隙,致使粗粒土的孔隙開始增大,此時混合料滲透性取決于粗料性質(zhì),水平滲透系數(shù)驟然增大,滲流指數(shù)m=0.85～0.93,已不符合達西滲流定律。3.2.2管涌型滲流破壞特性由圖3可以看出,臨界水力坡降與粗料含量有著密切關(guān)系,當(dāng)粗料含量大于70%時,粗料能單獨形成骨架,細料因含量少填不滿骨架孔隙,粗細料間不能緊密接觸,在滲透水流作用下相互約束力較小,細料顆粒容易在粗料孔隙中移動。細料含量愈少,約束力愈小,抗?jié)B透破壞能力愈小,顆粒越容易被滲透水流帶出,滲流破壞形式表現(xiàn)為管涌型。當(dāng)粗料含量小于65%～75%時,粗料孔隙全部被細料充填,粗細料成為一個整體,甚至粗顆粒不能彼此接觸,被細顆粒撐開,這時粗細料共同參與骨架作用,大小顆?；ハ嗑o密接觸,細顆粒不容易被滲透水流帶出,致使?jié)B透破壞比降增大,破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱魍列汀?.2.3滲透系數(shù)對臨界水力坡降的影響C2-1料場滲透系數(shù)與臨界水力坡降關(guān)系曲線見圖4。由圖4可以看出,臨界水力坡降隨水平滲透系數(shù)的增加而降低,存在負相關(guān)性。水平滲透系數(shù)越大,滲流力加大,細料約束力越小,細料越容易移動,抗?jié)B透破壞能力越小。4工程壩體填筑料滲流特性分析由于粗粒土中含有大粒徑的漂石,其滲透系數(shù)無法通過傳統(tǒng)的室內(nèi)滲透試驗準確測定。通過現(xiàn)場注水試驗耗時、費力、成本高及易受季節(jié)影響。采用自行設(shè)計大型水平滲透試驗裝置,對某樞紐工程壩體填筑料進行原級配水平滲透及滲透變形試驗,研究了無松散粗粒土水平滲透系數(shù)、臨界水力坡降與粗料含量關(guān)系,并對水平滲透系數(shù)和臨