吳珺華,楊 松,盧廷浩

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330063; 2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201; 4.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

摻礫心墻料的中三軸滲透試驗(yàn)

吳珺華1,2,楊 松3,盧廷浩4

(1.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院,江西 南昌 330063; 2.重慶交通大學(xué)水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400074;3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院,云南 昆明 650201; 4.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇 南京 210098)

為獲得摻礫心墻料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性能,采用改進(jìn)的中三軸儀進(jìn)行了摻礫心墻料的滲透試驗(yàn),研究了不同圍壓、土石比和水頭差對摻礫心墻料滲透系數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:土體圍壓越大,摻礫心墻料滲透系數(shù)越小,呈負(fù)指數(shù)形式遞減;當(dāng)圍壓增大到一定值時(shí),土體很難被進(jìn)一步壓密,摻礫心墻料滲透系數(shù)基本不變;土石比越小,摻礫心墻料滲透系數(shù)越大,當(dāng)?shù)[石含量超過某一值時(shí),摻礫心墻料滲透系數(shù)迅速增大;水頭差較小時(shí),不同的水頭差對摻礫心墻料滲透系數(shù)幾乎沒有影響。

摻礫心墻料;土石壩;滲透系數(shù);滲透試驗(yàn);中三軸儀

土石壩工程中,心墻料的滲透性能影響著壩體的防滲效果。諸多學(xué)者對不同土體的滲透性能進(jìn)行了大量研究:朱國勝等[1]研究了等寬級配粗粒土滲透試驗(yàn)中存在的尺寸效應(yīng)及邊壁效應(yīng),提出了滲透儀尺寸的選擇原則;雷紅軍等[2]利用改進(jìn)的三軸滲透試驗(yàn)裝置,對心墻黏土進(jìn)行了剪切過程中的滲透試驗(yàn),分析了圍壓、滲透壓力、滲透方向等對土體滲透性的影響;蔣玉坤等[3]利用改進(jìn)后的三軸儀對黏土進(jìn)行了室內(nèi)滲透試驗(yàn),研究了深部黏土滲透的各向異性原因;李成全等[4]設(shè)計(jì)了自壓式三軸滲透儀,可適用于現(xiàn)場大型滲透試驗(yàn);廖春芳等[5]采用自制現(xiàn)場滲透試驗(yàn)裝置,進(jìn)行了單、雙環(huán)滲透試驗(yàn),研究了含裂隙的紅黏土滲透性能;王建秀等[6]進(jìn)行了大理巖的常規(guī)和控制軸向應(yīng)變、圍壓先升后降的三軸滲透試驗(yàn),研究了復(fù)雜應(yīng)力路徑下滲透率的變化規(guī)律;郭鴻等[7]對不同黃土地區(qū)的試樣進(jìn)行了常規(guī)變水頭和三軸滲透試驗(yàn),研究了圍壓產(chǎn)生的應(yīng)力場對飽和黃土滲透特性的影響規(guī)律;俞縉等[8]采用巖石伺服三軸試驗(yàn)系統(tǒng),利用穩(wěn)態(tài)法對砂巖全應(yīng)力應(yīng)變過程進(jìn)行滲透率試驗(yàn)研究,分析試樣滲透率隨其脆性、延性變化的特點(diǎn);朱俊高等[9]采用大型三軸儀,對摻礫心墻料進(jìn)行了三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn),研究了剪切速率對摻礫心墻料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系和強(qiáng)度特性的影響;陳志波等[10]對某寬級配礫質(zhì)土分別進(jìn)行了中型和大型三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn)，研究了不同條件下寬級配礫質(zhì)土的強(qiáng)度和應(yīng)力應(yīng)變特性；鄒玉華等[11]歸納了礫石土心墻料-反濾料聯(lián)合抗?jié)B方面的研究成果;雷紅軍等[12]在傳統(tǒng)三軸儀的基礎(chǔ)上,研制了三軸多向滲透試驗(yàn)裝置,可測定不同剪切方向上的滲透系數(shù);柯瀚等[13]對填埋體飽和滲透系數(shù)影響因素開展了大量的室內(nèi)試驗(yàn)研究。上述研究成果主要集中在土體的滲透性能方面,而對摻礫心墻料的滲透性能研究不多。由于摻礫心墻料具明顯的不均勻性,且其中的顆粒粒徑較大,采用常規(guī)滲透儀很難制取試樣;現(xiàn)場測試方法較復(fù)雜,影響因素較多,初始和邊界條件不易掌控。此外,心墻不同位置的應(yīng)力狀態(tài)、孔隙水壓力及土體級配等參數(shù)不盡相同,其滲透系數(shù)亦有差異。本文利用改進(jìn)的中三軸儀,對摻礫心墻料進(jìn)行不同條件下的三軸滲透試驗(yàn),以研究摻礫心墻料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的滲透性能。

圖1 土體粒徑分布曲線

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用料取自某實(shí)際工程,土體基本參數(shù)如下:最大干密度1.76 g/cm3,最優(yōu)含水率18.3%,孔隙比0.53,相對密度2.69,粒徑分布曲線見圖1。礫石質(zhì)量組分為:20～10 mm占47%,10～5 mm占30%,小于5 mm占23%。試樣設(shè)計(jì)干密度為1.98 g/cm3,分別進(jìn)行了不同試驗(yàn)圍壓σc、土石比R土、水頭差H等條件下的三軸滲透試驗(yàn)。本文借用水電工程中常用的土石比概念,將此處的土石比定義為試樣中土的質(zhì)量與礫石質(zhì)量之比。參照GBT 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,根據(jù)不同土石比制備中三軸圓柱試樣,尺寸為直徑10 cm、高20 cm。試樣制備完成后,對試樣進(jìn)行抽氣飽和,完成后靜置水中不少于48 h。試樣頂部采用帶槽線的透水板代替透水石,保證水流能均勻、快速地流出。試驗(yàn)方案見表1，除了不同土石比方案(方案②)的試樣需單獨(dú)制取外，其余方案的試樣只需制取1個(gè)。如方案①中，當(dāng)試驗(yàn)圍壓為200 kPa的試驗(yàn)結(jié)束后，只需將圍壓升至300 kPa，待固結(jié)穩(wěn)定后再進(jìn)行滲透試驗(yàn)即可，無須重新制樣。這樣不僅避免了重復(fù)煩瑣的制樣過程，而且也避免了不同試樣之間的差異性。

表1 三軸滲透試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

圖2 中三軸滲透試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)裝置是在傳統(tǒng)三軸儀的基礎(chǔ)上改造制成的,如圖2所示。方案①中的變水頭試驗(yàn)方法主要改進(jìn)如下:原排水管作為進(jìn)水管,灌滿水后懸掛一定高度,原反壓孔作為出水口。試樣固結(jié)完成后,打開反壓閥和進(jìn)水閥,按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的變水頭試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。其余方案的試驗(yàn)方法主要改進(jìn)如下:原反壓裝置改裝為施加水頭差的進(jìn)水口裝置,用以提供試驗(yàn)所需的額定水頭差,反壓管里充滿水,且需保持水源不斷;圍壓裝置中采用標(biāo)有刻度(精度0.1 mL)的內(nèi)管,用來測量圍壓施加過程中壓力室內(nèi)水量的變化,以間接測量試樣體積的變化;出水口的高度應(yīng)與進(jìn)水口高度相同,用25 mL量筒(精度0.5 mL)盛取出水量,用來判斷是否處于穩(wěn)定滲透狀態(tài)。為避免排出水的蒸發(fā),在水面上覆蓋一層薄煤油。試樣安裝完成后,打開圍壓閥和排水閥,施加某級圍壓并記錄內(nèi)管讀數(shù),待固結(jié)穩(wěn)定后(不小于48 h)再記錄內(nèi)管讀數(shù),兩者之差即為試樣固結(jié)過程中的體積變化量。固結(jié)完成后,打開反壓閥施加水頭差,待出水口有水流出時(shí)開始記時(shí),記時(shí)間隔原則上為60 s。當(dāng)出水量穩(wěn)定后,持續(xù)一段時(shí)間再關(guān)閉反壓閥和出水閥。對于方案①,可繼續(xù)施加下一級圍壓(或水頭差),參照上述方法再次進(jìn)行試驗(yàn),不需重新安裝試樣;對于方案②,需重新安裝試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

變水頭試驗(yàn)可參照GBT 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,滲透系數(shù)按下式計(jì)算:

(1)

式中:kT為水溫為T時(shí)的滲透系數(shù),cm/s;a為變水頭管的斷面面積,cm2;t1、t2分別為測讀水頭的起始和終止時(shí)間,s;L為固結(jié)后試樣高度,cm;A為固結(jié)后試樣斷面面積,cm2;H1、H2分別為起始水頭和終止水頭,cm。

由于試驗(yàn)的水頭差是個(gè)定值,故該試驗(yàn)可認(rèn)為是常水頭滲透試驗(yàn),可通過繪制排水量V與歷時(shí)t關(guān)系曲線來判斷滲透是否穩(wěn)定,標(biāo)準(zhǔn)如下:當(dāng)排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線斜率基本保持不變時(shí),即可認(rèn)為試樣處于穩(wěn)定滲透狀態(tài)。滲透系數(shù)按下式計(jì)算:

(2)

式中:t為歷時(shí),s;V為排水量,cm3;H為施加的水頭差,cm;m為排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線斜率,cm3/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為不同圍壓條件下,水頭差為10 m時(shí)的排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線?？梢钥闯?試驗(yàn)剛開始時(shí),由于試樣內(nèi)部的不均勻性、黏粒含量的不同以及排水管內(nèi)有氣泡等因素的影響,排水量較小,存在滯后性。隨著時(shí)間的增長,排水量逐漸增大,排水量與歷時(shí)逐漸呈現(xiàn)為線性關(guān)系。其他圍壓條件下的曲線亦有此規(guī)律。試驗(yàn)圍壓越大,試樣內(nèi)部越緊密,因此單位時(shí)間內(nèi)的排水量越小,排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線的斜率越小。

圖3 不同圍壓下排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線

為準(zhǔn)確求取系數(shù)m,這里統(tǒng)一選取歷時(shí)780 s后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。限于篇幅,僅將水頭差為10 m的擬合結(jié)果列于表2,同時(shí)根據(jù)固結(jié)后試樣的實(shí)際斷面面積和高度(表3),代入式(1)或(2)中,即可求解出不同圍壓下試樣的滲透系數(shù),結(jié)果見圖4。為簡單起見,假設(shè)試驗(yàn)過程中試樣保持不變?？梢钥闯?不同水頭差條件下,隨著圍壓的增大,試樣的滲透系數(shù)迅速減小,并趨向穩(wěn)定。由于同一水頭差下的試樣是相同的,并不存在不同試樣之間的差異性,故該結(jié)果表明不同圍壓下的滲透系數(shù)明顯不同,試驗(yàn)圍壓越大,試樣內(nèi)部越緊密,排水通道越窄,單位時(shí)間流過的水量越少。

表2 排水量與歷時(shí)關(guān)系曲線擬合結(jié)果

表3 試樣固結(jié)后尺寸

圖4 滲透系數(shù)與圍壓關(guān)系曲線

根據(jù)滲透系數(shù)與圍壓關(guān)系曲線特征,可采用負(fù)指數(shù)函數(shù)(式(3))進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見表4。

kT=(k0+fepσc)×10-6

(3)

式中k0、f、p為常數(shù)。當(dāng)σc趨于無窮時(shí),kT=k0,表明試樣滲透系數(shù)有一個(gè)極小值。當(dāng)圍壓增大到一定值時(shí),土體顆粒幾乎完全處于緊密狀態(tài),不會(huì)被進(jìn)一步壓實(shí)(前提是保證土體顆粒不被壓碎),滲透系數(shù)并不會(huì)隨著圍壓的持續(xù)增大而減小。

表4 滲透系數(shù)與圍壓關(guān)系擬合結(jié)果

從圖4可以看出,不同圍壓條件下試樣的滲透系數(shù)數(shù)量級均為10-6cm/s，與黏性土的滲透系數(shù)量級比較接近。由于所選土體級配較好,可有效充填礫石之間的孔隙,整個(gè)試樣的孔隙比較小。此外在圍壓作用下,試樣內(nèi)部土體顆粒之間接觸更為緊密,孔隙進(jìn)一步被壓縮,導(dǎo)致滲透系數(shù)的數(shù)量級與黏性土的結(jié)果較為接近。

試驗(yàn)相同圍壓下,采用變水頭試驗(yàn)測得的滲透系數(shù)比常水頭條件下的滲透系數(shù)要略大,而不同水頭差條件下的滲透系數(shù)基本相同。由于變水頭試驗(yàn)時(shí)溫度較高(氣溫31℃,相對濕度60%),進(jìn)水管中的水未采取措施避免蒸發(fā),且持續(xù)時(shí)間較長,使得進(jìn)水管中的水有部分蒸發(fā),H2偏小,導(dǎo)致滲透系數(shù)偏大。為驗(yàn)證上述推斷,在圍壓為300 kPa和400 kPa的試驗(yàn)過程中在進(jìn)水管水面上覆蓋一薄層煤油,測得的滲透系數(shù)與常水頭的基本一致。

圖5是不同土石比下的滲透系數(shù)。需要指出的是,假定每份土的顆粒分布完全符合圖1曲線,且礫石組分也完全相同,那么可根據(jù)不同土石比的大小,通過計(jì)算獲得相應(yīng)的級配曲線?？梢钥闯?隨著礫石含量的增加,試樣內(nèi)部孔隙數(shù)量和規(guī)模不斷增大,單位時(shí)間內(nèi)通過的水量越多,滲透系數(shù)越大,呈現(xiàn)快速增長的趨勢。當(dāng)?shù)[石含量超過某一值時(shí),土體的滲透系數(shù)迅速增大。這表明土石比對心墻料的滲透性能有顯著影響。

圖5 滲透系數(shù)與土石比關(guān)系曲線

圖6 滲透系數(shù)與水頭差關(guān)系曲線

圖6是不同水頭差作用下的滲透系數(shù)?？梢钥闯?由于試驗(yàn)過程中的試樣并未改變,水頭差的變化并不能有效地改變試樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu),滲透過程仍服從達(dá)西定律,故水頭差的大小對土體的滲透系數(shù)幾乎沒有影響,實(shí)際應(yīng)用時(shí)可認(rèn)為滲透系數(shù)為常數(shù)。但對于高土石壩,當(dāng)水頭差較大時(shí),可能會(huì)對土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來較大影響,導(dǎo)致滲透性能發(fā)生改變。此外由于試驗(yàn)條件的限制,本文試驗(yàn)中采用的最大圍壓為400 kPa,相當(dāng)于壩高約40 m土石壩的工況。對于更大圍壓的試驗(yàn),將另文討論。

4 結(jié) 論

a. 摻礫心墻料所在位置的圍壓越大,其滲透系數(shù)越小,呈負(fù)指數(shù)形式遞減。當(dāng)圍壓增大到一定值時(shí),土體很難被進(jìn)一步壓密,其滲透系數(shù)基本不變。

b. 土石比越小,摻礫心墻料滲透系數(shù)越大,當(dāng)?shù)[石含量超過某一值時(shí),摻礫心墻料的滲透系數(shù)迅速增大。

c. 水頭差較小時(shí),其對摻礫心墻料的滲透系數(shù)影響不大;但對于高土石壩而言,過大的水頭差可能對土體結(jié)構(gòu)帶來較大影響,從而導(dǎo)致滲透性能發(fā)生變化,應(yīng)予以關(guān)注。

[1] 朱國勝,張家發(fā),陳勁松,等.寬級配粗粒土滲透試驗(yàn)尺寸效應(yīng)及邊壁效應(yīng)研究[J].巖土力學(xué),2012,33(9):2569-2573.(ZHU Guosheng, ZHANG Jiafa, CHEN Jinsong, et al.Study of size and wall effects in seepage test of broadly graded coarse materials[J].Rock and Soil Mechanics,2012,33(9):2569-2573.(in Chinese))

[2] 雷紅軍,卞 鋒,于玉貞,等.黏土大剪切變形中的滲透特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(4):1130-1133.(LEI Hongjun,BIAN Feng,YU Yuzhen,et al.Experimental study of permeability of clayey soil during process of large shear deformation[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(4):1130-1133.(in Chinese))

[3] 蔣玉坤,孫如華.深部黏土滲透特性試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(2):268-273.(JIANG Yukun,SUN Ruhua.Experimental study on permeability of deep clay[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(2):268-273.(in Chinese))

[4] 李成全,唐巨鵬,董子賢,等.自壓式三軸滲透儀的研制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(增刊1):124-125.(LI Chengquan,TANG Jupeng,DONG Zixian,et al.Development of self-pressure triaxial osmotic instrument[J].Journal of Liaoning Technical University,2006,25(Sup1):124-125.(in Chinese))

[5] 廖春芳,劉永貴,吳勝軍.干縮開裂紅黏土路基的現(xiàn)場滲透試驗(yàn)研究[J].中外公路,2010,30(5):39-41.(LIAO Chunfang,LIU Yonggui,WU Shengjun.Field tests of permeability on roadbed of red clay with drying shrinkage cracks[J].Chinese and Foreign Road,2010,30(5):39-41.(in Chinese))

[6] 王建秀,胡力繩,葉沖,等.復(fù)雜應(yīng)力路徑下大理巖三軸滲透試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2010,31(8):2389-2394.(WANG Jianxiu,HU Lisheng,YE Chong,et al.Triaxial permeability test of marble under complex stress path[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(8): 2389-2394.(in Chinese))

[7] 郭鴻,駱亞生,郭靖.考慮應(yīng)力場作用的飽和黃土滲透特性研究[J].水土保持通報(bào),2010,30(1):131-133.(GUO Hong,LUO Yasheng,GUO Jing.Infiltration characteristics of saturated loess by considering the role of stress field[J].Bulletin of Soil and Water Conservation,2010,30(1):131-133.(in Chinese))

[8] 俞縉,李宏,陳旭,等.滲透壓-應(yīng)力耦合作用下砂巖滲透率與變形關(guān)聯(lián)性三軸試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(6):1203-1213.(YU Jin,LI Hong,CHEN Xu,et al.Triaxial experimental study of associated permeability-deformation of sandstone under hydro-mechanical coupling[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(6):1203-1213.(in Chinese))

[9] 朱俊高,龔選,周建方,等.不同剪切速率下?lián)降[料大三軸試驗(yàn)[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2014,42(1):29-34.(ZHU Jungao,GONG Xuan,ZHOU Jianfang,et al.Large-scale triaxial tests on behavior of gravelly soil at different shearing rates[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2014,42(1):29-34.(in Chinese))

[10] 陳志波,朱俊高.寬級配礫質(zhì)土三軸試驗(yàn)研究[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38(6)：704-710.(CHEN Zhibo,ZHU Jungao.Triaxial tests on widely graded gravelly soil[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences，2010，38(6)：704-710.(in Chinese))

[11] 鄒玉華,陳群.礫石土心墻料-反濾料聯(lián)合抗?jié)B研究進(jìn)展[J].水利水電科技進(jìn)展,2009,29(5):89-94.(ZOU Yuhua,CHEN Qun.Progress in research on anti-permeability properties of gravelly soil core material and filter material[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(5):89-94.(in Chinese))

[12] 雷紅軍,孫遜,卞鋒,等.土的三軸多向滲透試驗(yàn)裝置的研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(6):55-57.(LEI Hongjun,SUN Xun,BIAN Feng,et al.Development of triaxial seepage test equipment for soil[J].Experimental Technology and Management,2009,26(6):55-57.(in Chinese))

[13] 柯瀚,王文芳,魏長春,等.填埋體飽和滲透系數(shù)影響因素室內(nèi)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2013,47(7):1164-1170.(KE Han,WANG Wenfang,WEI Changchun,et al.Experimental study on saturated hydraulic conductivity of MSW under different conditions[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2013,47(7):1164-1170.(in Chinese))

Permeability tests on middle triaxis of core wall mixed gravel//

WU Junhua1, 2, YANG Song3, LU Tinghao4
(1.CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China; 2.KeyLaboratoryofHydraulicandWaterwayEngineeringoftheMinistryofEducation,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China; 3.CollegeofWaterConservancy,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China; 4.GeotechnicalResearchInstituteofHohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to obtain the permeability of core wall mixed gravel under complex stress conditions, permeability tests on core wall mixed gravel are carried out by modified middle triaxial apparatus. Thereafter, the effects of different confining pressures, soil-rock ratios, and water head differences on the permeability coefficient of core wall mixed gravel are studied. The test results show that the larger confining pressure is, the smaller permeability coefficient of core wall mixed gravel is, that is, the relationship between them is shown as a negative exponential function. When the confining pressure increases to a certain value, the permeability coefficient almost keeps unchanged because the soil particles are difficult to be further compressed. In addition, the permeability coefficient has a negative correlation with the soil-rock ratio and it increases rapidly when the gravel content exceeds a certain value. Moreover, when the water head difference is small, it has little or no effect on the permeability coefficient.

core wall mixed gravel; embankment dam; permeability coefficient; permeability test; middle triaxial apparatus

國家自然科學(xué)基金(51408291);江西省教育廳科技研究項(xiàng)目(GJJ14547);重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心暨水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(SLK2014B01)

吳珺華(1985—),男,江西吉安人,講師,博士,主要從事非飽和土研究。E-mail:wjh0796@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.04.020

TV443

A

1006-7647(2015)04-0090-05

2014-05-04 編輯：熊水斌)