寬級(jí)配礫質(zhì)土三軸滲透試驗(yàn)研究

李方振，柳 侃，陳志波

(1.福建省地質(zhì)工程勘察院 福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；2.福州大學(xué) a. 環(huán)境與資源學(xué)院； b. 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州 350108)

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寬級(jí)配礫質(zhì)土三軸滲透試驗(yàn)研究

李方振1,2a，柳 侃1，陳志波2a,2b

(1.福建省地質(zhì)工程勘察院 福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002；2.福州大學(xué) a. 環(huán)境與資源學(xué)院； b. 巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州 350108)

為研究寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透特性，對(duì)不同礫石含量的寬級(jí)配礫質(zhì)土進(jìn)行了一系列的三軸滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨礫石含量的增加，寬級(jí)配礫質(zhì)土的結(jié)構(gòu)分別為懸浮-密實(shí)、密實(shí)-骨架、骨架-空隙3種形式；隨礫石含量的增大，滲透系數(shù)呈現(xiàn)出先略微減小然后逐漸增大、最后迅速增大的變化規(guī)律；含水率、干密度均對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)有較大的影響；在最優(yōu)含水率左右，滲透系數(shù)有明顯的差異，施工中應(yīng)注意對(duì)含水率控制。

寬級(jí)配礫質(zhì)土；三軸滲透試驗(yàn)；干密度；含水率；滲透系數(shù)；礫石含量

1 研究背景

隨著我國(guó)西部大開發(fā)的逐步推進(jìn)，水利水電工程得到了極大的發(fā)展，特別是近20 a，在土石壩設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法以及筑壩技術(shù)方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，極大地促進(jìn)了高土石壩工程的迅速發(fā)展[1]。隨著土石壩壩高的增加，傳統(tǒng)的純黏土心墻防滲料，由于其抗剪強(qiáng)度低、壓縮模量小，在應(yīng)力拱效應(yīng)作用下，較容易產(chǎn)生裂縫和水力劈裂，已經(jīng)不能滿足高土石壩對(duì)心墻防滲料的要求[2-3]。

大量的室內(nèi)試驗(yàn)以及工程實(shí)踐表明，采用黏土和礫石料摻合而成的礫質(zhì)黏土(本文稱為寬級(jí)配礫質(zhì)土)，不僅滿足防滲要求，而且其變形模量大，變形量小，改善了應(yīng)力狀態(tài)，并減小水力劈裂的可能性，有較高的承載力，便于機(jī)械的運(yùn)行，在高土石壩工程中得到廣泛的應(yīng)用[4-5]。

寬級(jí)配礫質(zhì)土一般具有顆粒級(jí)配寬廣，顆粒范圍從黏粒(0.005 mm)至粗粒甚至巨粒(60 mm)，且多具不連續(xù)、穩(wěn)定性差等特點(diǎn)[5]，因此對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土防滲性能的研究，一直是土石壩工程重點(diǎn)研究的內(nèi)容。由于此類土含有較多的粗顆粒(粒徑>5 mm),對(duì)其滲透特性的研究提出了較高的要求，室內(nèi)常用滲透試驗(yàn)設(shè)備由于試樣尺寸限制，較難完成對(duì)其防滲特性的研究。

目前，對(duì)于寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透特性所作的研究大都比較單一，多在工程應(yīng)用范圍內(nèi)對(duì)單一礫石含量、最大干密度、最優(yōu)含水率情況下的寬級(jí)配礫質(zhì)土滲透特性作研究，較少有針對(duì)單一變量的系統(tǒng)研究。故本文通過(guò)三軸滲透試驗(yàn)，研究了不同礫石含量、干密度及含水率對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透特性的影響。

2 試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)采用的寬級(jí)配礫質(zhì)土由黏土料和礫石料摻合而成。黏土料為經(jīng)篩分剔除粒徑>5 mm顆粒的花崗巖殘積土，基本物理參數(shù)為：土粒相對(duì)密度Gs=2.75，液限wL=54%，塑限wP=35%，塑性指數(shù)IP=19，顆粒級(jí)配詳見(jiàn)表1;礫石料為對(duì)粒徑>20 mm的顆粒進(jìn)行等量替代法處理后的人工花崗巖碎石，顆粒級(jí)配見(jiàn)表2。不同礫石含量的寬級(jí)配礫質(zhì)土顆粒級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表1 黏土料級(jí)配

2.2 試驗(yàn)方案

本文研究摻礫石料含量(簡(jiǎn)稱礫石含量)分別為30%，40%，50%，60%，70%，80%的寬級(jí)配礫質(zhì)土的防滲特性，并以礫石含量50%和60%的寬級(jí)配礫質(zhì)土為例，研究制樣干密度和制樣時(shí)試樣含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)方案為：

表2 礫石料級(jí)配

圖1 不同礫石含量寬級(jí)配礫質(zhì)土顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of broadly graded gravel soil with different gravel contents

(1) 研究礫石含量對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土的防滲特性時(shí)，以礫石含量為變量，控制干密度取值為相對(duì)密實(shí)度85%時(shí)對(duì)應(yīng)的干密度，含水率取最優(yōu)含水率。

(2) 研究制樣干密度對(duì)滲透系數(shù)的影響時(shí)，以干密度為變量，控制礫石含量取值，含水率取最優(yōu)含水率。

(3) 研究制樣含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響時(shí)，以含水率為變量，控制礫石含量取值，干密度取值為相對(duì)密實(shí)度85%時(shí)對(duì)應(yīng)的干密度。

考慮土石壩防滲料的實(shí)際應(yīng)力環(huán)境，本文進(jìn)行三軸滲透試驗(yàn)時(shí)圍壓均取為400 kPa。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

室內(nèi)滲透試驗(yàn)根據(jù)不同的土質(zhì)選擇不同類型的儀器進(jìn)行。對(duì)于粗粒土室內(nèi)試驗(yàn)，一般采用70型滲透儀和土樣管等方法，這些方法的共同點(diǎn)是土樣盒為玻璃或有機(jī)玻璃制品。因本次試驗(yàn)試樣為重塑且含有較多粗顆粒的礫質(zhì)土，并且試驗(yàn)要求要在較高的密實(shí)度狀態(tài)下進(jìn)行，玻璃制品土樣盒不滿足制樣要求。滲透系數(shù)測(cè)試設(shè)備如南55型滲透儀和負(fù)壓式滲透儀，具有可在試驗(yàn)過(guò)程中逐級(jí)加壓，用同一個(gè)試樣測(cè)定不同孔隙比滲透系數(shù)的優(yōu)勢(shì)，但由于其試樣盒較小(《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)規(guī)范要求土樣筒的直徑要大于最大土顆粒直徑的10倍)，不能滿足粗粒土滲透試驗(yàn)，只適用于細(xì)粒土。

圖2 試驗(yàn)儀器及試樣Fig.2 Test apparatus and specimen

圖3 礫石含量與滲透系數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between gravel content and permeability coefficient

考慮到以上滲透設(shè)備均不能滿足寬級(jí)配礫質(zhì)土滲透試驗(yàn)的要求，參閱文獻(xiàn)[6-7]，選擇采用三軸儀來(lái)完成寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透試驗(yàn)，試樣直徑101 mm，試樣高200 mm(圖2)。利用三軸儀不但克服了實(shí)驗(yàn)室常用滲透儀器的不足，而且還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。滲透試驗(yàn)通常是將土樣放置在剛性環(huán)形成的容器內(nèi)，這樣很容易導(dǎo)致土樣和容器內(nèi)壁之間接觸不密實(shí)形成滲流，三軸儀采用橡皮膜柔性接觸，有效避免了容器壁與試樣之間的空隙；另一方面，可以在試驗(yàn)前通過(guò)圍壓系統(tǒng)使試樣達(dá)到固結(jié)要求或者所要求的應(yīng)力狀態(tài)，可以準(zhǔn)確測(cè)定寬級(jí)配礫質(zhì)土在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)的滲透系數(shù)[8]。

2.4 試驗(yàn)方法

首先，將三軸儀圍壓系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)內(nèi)的氣體排出，然后按照三軸試驗(yàn)固結(jié)不排水試驗(yàn)方法安裝試樣。之后，利用反壓系統(tǒng)飽和試樣，待試樣飽和度達(dá)到要求后，施加400 kPa圍壓使試樣充分固結(jié)。最后，對(duì)試樣底部施加穩(wěn)定的水頭P1(通過(guò)施加反壓實(shí)現(xiàn))，待體變管內(nèi)水流穩(wěn)定后，記錄時(shí)間t與體變管液面高度h，按式(1)計(jì)算滲透系數(shù)k[6]。

(1)

式中：a為體變管截面面積(mm2)；H為試樣高度(mm)；A為試樣截面面積(mm2)；t為時(shí)間間隔(min)，t=tf-t0，t0，tf分別為試驗(yàn)開始時(shí)間和試驗(yàn)結(jié)束時(shí)間；P1為反壓力(kPa)，相當(dāng)于水頭；h0，hf分別為t0和tf時(shí)液面高出排水口的高度(mm)。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 礫石含量對(duì)滲透系數(shù)的影響

不同礫石含量下寬級(jí)

圖4 礫質(zhì)土的骨架-空隙結(jié)構(gòu)Fig.4 Framework-pore structure of gravelly soil

表3 礫石含量與粗粒含量P5的關(guān)系

3.2 干密度對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖5 干密度與滲透系數(shù)關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between dry density and permeability coefficient

本文以制樣時(shí)干密度為變量，對(duì)礫石含量50%和60%的寬級(jí)配礫質(zhì)土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，隨干密度的增加，滲透系數(shù)逐漸減小，當(dāng)干密度達(dá)到一定值時(shí)滲透系數(shù)最??；之后隨干密度的增大。滲透系數(shù)逐漸增大。礫石含量50%的寬級(jí)配礫質(zhì)土在相同相對(duì)密實(shí)度的情況下，其滲透系數(shù)均小于礫石含量60%的寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)，符合第3.1節(jié)中礫石含量對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土滲透系數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果。

表4顯示，試樣中粒徑大于0.5 mm的顆粒含量均有不同程度的改變，并且有幾組粒徑的顆粒含量增幅在30%左右。在擊實(shí)功小于顆粒極限強(qiáng)度范圍內(nèi)，隨擊實(shí)功的增加，試樣的密實(shí)度逐漸增加，滲透系數(shù)減小；當(dāng)擊實(shí)功增加到超過(guò)極限擊實(shí)功時(shí)，粗顆粒被壓碎土體發(fā)生剪切破壞，顆粒間形成滲透通道，致使其防滲性能降低[8]。

表4 試驗(yàn)前后顆粒含量的變化

寬級(jí)配礫質(zhì)土作為土石壩心墻料應(yīng)用于工程中，防滲是其主要任務(wù)，減小變形和增大抗剪強(qiáng)度次之。因此建議采用適當(dāng)?shù)膲簩?shí)功能，防止超壓使土體內(nèi)部發(fā)生剪切破壞，形成滲透通道，影響防滲效果。

3.3 含水率對(duì)滲透系數(shù)的影響

圖6為含水率與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線。從圖6中可知，筑壩時(shí)礫質(zhì)土的含水率對(duì)其滲透系數(shù)有較大的影響，在最優(yōu)含水率wop左右(wop-2%，wop+2%)，其滲透系數(shù)有較大的變化，有時(shí)會(huì)達(dá)到1個(gè)數(shù)量級(jí)，因此筑壩時(shí)必須嚴(yán)格控制心墻料的含水率。

圖6 含水率與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between water content and permeability coefficient

圖6(a)和圖6(b)表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律：在含水率高于最優(yōu)含水率wop(礫石含量50%和60%的寬級(jí)配礫質(zhì)土，最優(yōu)含水率分別為11.22%和9.87%)時(shí)，隨含水率的增大，滲透系數(shù)逐漸減??；含水率低于最優(yōu)含水率，其滲透系數(shù)迅速增大，然后隨著含水率的進(jìn)一步降低，其滲透系數(shù)又呈現(xiàn)小幅度的減小趨勢(shì)。

圖6中曲線均以拐點(diǎn)為界可分為前后2段，前段為滲透系數(shù)隨含水率的增加而增大，后段為滲透系數(shù)隨含水率的增加而減小。在后段曲線，隨著試樣中含水率的增大，顆粒間的滑動(dòng)摩阻力逐漸減小，利于顆粒之間的重新排列。在擊實(shí)功的作用下，土體產(chǎn)生的剪應(yīng)變促使顆粒按接近于平行的方式定向排列，形成比較分散和均勻的結(jié)構(gòu)，雖然含水率越大，孔隙比越高，但孔隙排列均勻且孔隙尺寸小，所以其滲透系數(shù)逐漸減小。因此施工時(shí)配料時(shí)要堅(jiān)持“寧濕勿干”的原則[8]。

對(duì)于圖6中的前段曲線，這里有必要給出說(shuō)明。在含水率較低時(shí)土層表面吸著的水膜較薄，顆粒間的作用力以引力為主，在擊實(shí)過(guò)程中，土顆粒錯(cuò)動(dòng)比較困難，粗細(xì)顆粒分布不均勻，并趨向于形成任意排列，造成土體擊實(shí)不均勻[5]。在實(shí)際的制樣過(guò)程中，每層土體擊實(shí)后上半部分會(huì)比較密實(shí)，這樣就在一個(gè)試樣內(nèi)形成人為的透水性較差的斷面，所以其滲透系數(shù)會(huì)有一定程度的減小，圖7比較明顯地看出試樣的分層現(xiàn)象。

注：左邊試樣含水率13.22%，右邊試樣含水率7.22%。圖7 不同含水率擊實(shí)后土樣分層現(xiàn)象(礫石含量50%)Fig.7 Stratification phenomenon of test specimen with different water contents after compaction (with gravel content of 50%)

4 結(jié) 論

(1) 隨著礫石含量的增加，寬級(jí)配礫質(zhì)土表現(xiàn)為懸浮-密實(shí)、密實(shí)-骨架、骨架-空隙3種不同的結(jié)構(gòu)形式。

(3) 含水率、干密度均對(duì)寬級(jí)配礫質(zhì)土的滲透系數(shù)有較大的影響。在最優(yōu)含水率左右，土樣滲透系數(shù)會(huì)有量級(jí)上的差別，填筑時(shí)應(yīng)注意礫質(zhì)土含水率的控制。隨制樣干密度的增加，滲透系數(shù)逐漸減??；但當(dāng)干密度增大到一定值之后，由于粗顆粒的破碎，導(dǎo)致滲透系數(shù)不再減小反而增大。

[1] 林 昭. 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2003.

[2] 張丙印, 袁會(huì)娜,孫 遜. 糯扎渡高心墻堆石壩心墻礫石土變形參數(shù)反演分析[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào),2005,24(3)：18-23.

[3] 楊萌華. 土石料的壓實(shí)和質(zhì)量控制[M]. 北京: 水利水電出版社, 1992.

[4] 朱建華, 游 凡, 楊凱虹. 寬級(jí)配礫石土壩料的防滲性及反濾[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，1993，15(6)：18-27.

[5] 陳志波, 朱俊高，王 強(qiáng). 寬級(jí)配礫質(zhì)土壓實(shí)特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(3): 446-449.

[6] 朱思哲, 包承綱, 郭熙靈. 三軸試驗(yàn)原理與應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2003.

[7] 岳中文, 楊仁樹, 孫中輝, 等. 伊犁一礦礫石土三軸滲透試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè), 2010, 19(12)：98-101.

[8] 郭慶國(guó). 粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州：黃河水利出版社, 1998.

(編輯：黃 玲)Experimental Study on the Triaxial Permeability ofBroadly Graded Gravelly Soil

LI Fang-zhen1,2, LIU Kan1, CHEN Zhi-bo2,3

(1.Fujian Key Laboratory of Geohazard Prevention, Geo-engineering Investigation Institute of Fujian Province,Fuzhou 350008, China; 2.College of Environment and Resources,Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 3.Institute of Geotechnical Engineering and Geological Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

In order to study the permeability characteristics of the broadly graded gravelly soil， triaxial seepage tests in the presence of different gravel contents. The test results show that, with the increasing gravel content，the structure types of the broadly graded gravelly soil can be divided into three different kinds，including suspend-dense structure, dense-framework structure and framework-pore structure. When the gravel content increases, the permeability coefficient decreases slowly first, then increases slowly, and increases quickly finally. Dry density has main influence on permeability coefficient, so does the moisture content. The permeability coefficient is obviously different near the optimum moisture content, so we should pay attention to controlling the moisture content in construction.

broadly graded gravelly soil; triaxial permeability test; dry density; moisture content; permeability coefficient；gravel content

2014-08-08；

2014-09-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41102167)；福州大學(xué)科技發(fā)展基金資助項(xiàng)目(2011-XQ-12)

李方振(1985-)，男，山東菏澤人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警，(電話)0591-83780229(電子信箱)qingdaofangzhen@163.com。

陳志波(1977-)，男，福建仙游人，副教授，博士，主要從事土體基本特性、土工數(shù)值分析等方面的研究，(電話)0591-22866083(電子信箱)czb@fzu.edu.cn。

10.11988/ckyyb.20140677

2016,33(01):126-129，133

TU47

A

1001-5485(2016)01-0126-04