金建立

(1.西藏農(nóng)牧學院 水利土木工程學院， 西藏 林芝 860000； 2.河海大學 土木與交通學院)

1 引言

路基是公路工程的重要受力結構，沿河路基除了受到上部荷載的作用外，還受到流水的沖刷和水的滲透作用影響，邊坡受力和變形較為復雜。藏東南地區(qū)普遍分布有大量的粗顆?；旌狭?，該土為第四系構造運動中形成的有黏性粗顆粒土，是礫質(zhì)土、風化料和冰磧土組成的復雜混合土體。研究區(qū)域為高山峽谷地形，工程中存在著大量的臨水邊坡，水位的變化會引起邊坡內(nèi)土體含水率的不斷變化，滲流的發(fā)生對工程安全產(chǎn)生較大影響。對于邊坡的滲透穩(wěn)定性進行分析目前常用的方法有現(xiàn)場試驗或室內(nèi)試驗，但這些試驗由于試驗條件的限制，很多力的因素和土體的應力狀態(tài)無法充分考慮，而這些因素的存在會對土體的滲透性能產(chǎn)生影響，所以在研究臨水邊坡的穩(wěn)定性時，應對其土體在復雜應力狀態(tài)下的滲透性能進行研究，以期準確地把握其變形性能。

關于土體孔隙比與其滲透性能關系的研究中，Teizaghi最早提出了土體微觀結構的概念；Carman在研究多孔介質(zhì)的基礎上提出了KC方程，描述了材料孔隙率與材料滲透系數(shù)之間的關系；龔霞等針對細粒含量和干密度等因素研究了粗粒土的滲透特性；周中等通過自制的滲透試驗儀器研究了土石混合料的滲透特性，提出了適合計算土石混合料滲透系數(shù)的經(jīng)驗公式；鄧永鋒等將多種滲透系數(shù)與孔隙比的關系公式進行對比，指出已有的經(jīng)驗公式在logk-e坐標中呈直線關系，直線的斜率可以用土體初始孔隙比的函數(shù)進行表示；黃達等基于Copula理論建立了估算粒徑范圍0.1～20 mm粗粒土滲透系數(shù)的方法。

實際工程中只要合理控制土的干密度和體積，可以達到相同的孔隙率，也即不同的應力狀態(tài)和邊界條件下可以使土體滿足相同孔隙率的要求。此時相同的孔隙比不同的應力狀態(tài)，致使土體內(nèi)部顆粒排列存在差異性，引起孔隙特征產(chǎn)生差異，也即相同孔隙率的土體其滲透性能也會不一樣，說明不同應力狀態(tài)下的土體滲透系數(shù)不是唯一的。關于土體滲透系數(shù)的研究，徐永福等通過室內(nèi)試驗，結合分形理論導出了土的滲透系數(shù)表達式，總結出了壓應力與土的滲透系數(shù)的關系；羅玉龍等通過室內(nèi)多相多場耦合試驗總結了圍壓與土體滲透性能的關系；陳錦劍等通過改變圍壓等條件，總結了分級降壓條件下的滲透系數(shù)與孔隙比的關系?？梢钥闯?，關于應力變化對土體滲透系數(shù)影響的研究雖然取得了大量的成果，但還未形成一個體系，實際滲流發(fā)生時的應力狀況更為復雜，需要進行進一步的研究。

該文基于藏東南地區(qū)粗顆?；旌狭希么笕S進行滲透系數(shù)室內(nèi)試驗研究，對土體設定相對復雜的應力條件，找出研究區(qū)域的粗?；旌狭显趶碗s應力狀態(tài)下的滲流特性，為藏東南地區(qū)的臨水邊坡和水利工程建設提供參考資料。

2 滲透系數(shù)三軸試驗

2.1 土樣基本性質(zhì)試驗

試驗土樣采自318國道西藏段波密至魯朗境內(nèi)102滑坡2#滑坡體，土樣采集后風干至含水率小于2%方可使用。篩分試驗結果見表1。

表1 試樣土樣顆粒特征指標

由表1可知：邊坡土的粒徑分布不均勻。將篩分試驗計算結果與規(guī)范對比得出，102滑坡2#滑坡體的邊坡土為級配不良土(SP)。根據(jù)三軸試驗的試樣規(guī)格，取土樣的最大粒徑為60 mm，篩分后的0.1 mm以下粒徑土的含量為1.75%～4.33%，小于5%，根據(jù)規(guī)范規(guī)定可以將土樣界定為有黏性粗粒土，為該地區(qū)路基和堤壩等工程的常用材料。根據(jù)室內(nèi)擊實試驗確定試樣的用土量為94.34 kg。

2.2 試驗設計

三軸滲透試驗中，分5層對試樣進行裝樣擊實。利用三軸儀器良好的圍壓、軸壓控制性能滿足試驗條件，以恒定的水頭對試樣進行滲透試驗。試驗設置200、400、800、1 200、1 600 kPa共5種圍壓和0、0.2、0.4、0.6、0.8共5種應力水平。試驗土樣的最大粒徑為60 mm，試樣的規(guī)格為φ300 mm×600 mm，試驗首先將試樣滲流量調(diào)試穩(wěn)定，然后對試驗施加100 kPa的水頭壓力開始滲透試驗。試驗中記錄各排水管的出水量、滲流時間和實時溫度。

3 試驗結果分析

3.1 顆粒級配對滲透系數(shù)的影響

根據(jù)上述試驗方法和SL 237-1999《土工試驗規(guī)程》對試驗結果進行整理分析，得到試樣的滲透系數(shù)如圖1所示。

從圖1可知:不同的顆粒級配條件下，試樣的滲透系數(shù)不一樣。試樣的滲透系數(shù)與其不均勻系數(shù)成線性關系，不均勻系數(shù)越大其滲透性越好。試樣1#粒徑2 mm以下含量為42%，試樣2#粒徑2 mm以下含量為35.8%，試樣3#粒徑2 mm以下含量下降為30.8%。試樣1#～3#細粒含量依次減小，在圍壓為200 kPa時對應的滲透系數(shù)分別為7.56、9.27和11.38，同樣的試驗條件下細粒含量較高試樣滲透系數(shù)較小，可見級配對同一圍壓下試樣的滲透系數(shù)有較大的影響。產(chǎn)生這種情況主要是因為細顆粒在土中起到填充孔隙的作用，細粒較少的試樣粗顆粒間的孔隙不能被充分填充，形成較大的孔隙率，滲透水相對流通通道較多，導致土樣的滲透系數(shù)增大，與黃達等的研究結論一致。

圖1 不同Cc下的滲透系數(shù)

3.2 圍壓與滲透系數(shù)的關系

將三軸滲透試驗結果點繪應力水平為0時的滲透系數(shù)與圍壓的關系曲線，如圖2所示。

圖2 不同圍壓下試樣的滲透系數(shù)

由圖2可知：試樣的滲透系數(shù)與試驗圍壓的對數(shù)成直線關系，滲透系數(shù)隨著圍壓的增加逐漸減小，主要是因為高圍壓作用下土體內(nèi)水和氣的排出量較多，致使土顆粒的重新排列度較高，土體內(nèi)的孔隙體積減少量大，降低了水的流通通道量，所以滲透系數(shù)隨著圍壓的增加而降低。試樣1#～3#中的細粒含量依次減少，相應的滲透系數(shù)依次增加，說明細顆粒的含量對試樣滲透特性影響較為明顯。主要是因為細顆粒能夠較好地填充粗顆粒所形成的孔隙，減少滲流水的滲流通道，表現(xiàn)為滲出水量的減小，滲透系數(shù)的降低，這與文獻[14]、[15]的研究結論一致。將試驗圍壓取自然對數(shù)進行擬合，由圖2中的擬合公式可知：擬合后的試樣滲透系數(shù)與圍壓成一次曲線關系，相關性系數(shù)均大于0.95，說明圍壓對滲透系數(shù)影響具有一定的規(guī)律性，可以用一次函數(shù)表示。

3.3 應力水平與滲透系數(shù)的關系

圖3為試樣1#的應力水平與滲透系數(shù)變化曲線。

圖3 試樣1#ks-S關系曲線

由圖3可知，試樣的滲透系數(shù)與其應力水平成指數(shù)關系。擬合相關性系數(shù)達0.966 1，可見擬合的契合度較高。將圖2、3 的擬合關系式進行結合整理可得滲透系數(shù)、應力水平及圍壓的關系式：

ks=(a+blnσ3)ecS

(1)

式中：ks為滲透系數(shù)；S為試樣的應力水平；a、b、c為擬合曲線系數(shù)；σ3為試驗圍壓。

為了驗證擬合公式的正確性，該文采用Abaqus軟件建立三軸試驗模型，用式(1)計算圍壓為400、800、1 200、1 600 kPa共4情況下的滲透系數(shù)和有限元模擬值進行對比(圖4)，并對兩種方法得出的滲透系數(shù)值進行相關性分析，由圖4可得：兩者的Person相關性系數(shù)值為0.942>0.8，屬于高度相關，可見擬合公式是可靠的，在缺少試驗條件的情況下可以用該擬合公式近似進行相關滲透系數(shù)的估算。

圖4 滲透系數(shù)模擬值和擬合值對比圖

4 結論

(1) 研究區(qū)域的土樣顆粒對其滲透系數(shù)有顯著的影響，一定條件下細顆粒越多滲透性能越差，表明該區(qū)域土體的滲透性能受其級配組成影響較大，較好的級配可以改善其滲透性能，減小滲透對工程的破壞。

(2) 土樣的滲透系數(shù)與圍壓經(jīng)擬合后呈線性關系，滲透系數(shù)與其應力水平成指數(shù)關系。

(3) 通過擬合運算得出了土樣滲透系數(shù)、應力水平及圍壓的擬合關系式，公式可靠可行，在缺少試驗條件時可以用該擬合式近似進行相關滲透系數(shù)估算。