不同粘粒含量土體管涌試驗研究

尹子學，陳 亮*，蔡國棟，高明軍，萬 昱

(1.河海大學 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098；2.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

在中國，約31%的堤壩損傷與管涌有關[1]。管涌是土體滲透破壞的一種典型破壞形式，管涌導致的土體滲透變形可能引發基坑、堤壩等建筑物失穩[2-5]。國內外諸多學者都對管涌問題做了大量研究。Ke[6]等研究了土體初始細顆粒含量和土體臨界水力梯度的關系，發現細顆粒含量越高，臨界水力梯度越大，同時研究發現土體滲透破壞后土體強度發生明顯弱化。Moffat[7-8]等研究發現外部施加軸向荷載時，土體的細顆粒流失會受到影響，土體滲透變形中軸向位移的大小受軸向荷載影響；改變土體中細顆粒部分的級配，可能會影響土體的滲透變形特性。陳亮等[9]進行了非穩定流下管涌發生發展的試驗和理論研究，提出穩定流作用下土體的破壞水頭高于非穩定流作用下土體的破壞水頭的假想。何健健[10]等通過剃除法進行砂土管涌后的力學特性弱化規律研究，并從細顆粒流失量的角度出發，建立了修正的Duncan-Chang模型。袁濤[11]利用自主研發的加載式大型滲透變形儀，對不同級配的粗粒土試樣進行滲透變形全過程試驗及側限壓縮對比試驗，獲得了不同試件產生滲透變形的臨界水力梯度、滲透系數演化規律及損傷變化特性。

值得一提的是，防洪堤、防波堤等建筑的堤基土往往是粗粒與細粒共存、級配不連續的砂-粘土混合物[12]，因此有必要研究粘粒含量對管涌發生發展的影響。此外，管涌具有一定的空間結構性特點。土體發生管涌后，掌握不同深度土體的水力條件、細顆粒流失、力學特性變化情況，對制定針對性的修復方案具有重要的意義。本研究利用自行研制的管涌試驗儀器通過向上管涌的方法對不同粘粒含量的土體進行了管涌試驗。然后分別取發生管涌后的上、中、下層土體進行顆粒分析，之后按照顆粒分析結果進行重新配樣并開展三軸壓縮試驗(CU)，分析不同粘粒含量試樣管涌后上、中、下層土體的應力-應變曲線、峰值強度差異。

1 室內管涌試驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置結構為一維豎向滲流裝置如圖1(a)所示，主體部分為豎直有機玻璃圓筒，其內徑為150 mm，高度為430 mm。豎直圓筒上部周圍采用透明有機玻璃設置一道溢流槽。豎直圓筒側面從上到下依次設置1、2、3號測壓孔，用以測量不同高度位置土體的孔壓。隔砂透水板的下部為高度100 mm的水流緩沖區，隔砂透水板上部240 mm高度的空間為試樣裝填區。按空間結構將試驗土體分為上、中、下三層，如圖1(b)所示。由于試驗為豎直向上滲流，因此本文所定義的上層、中層、下層土體，若按照滲徑方向劃分，則分別對應下游、中游、上游土體。

圖1 管涌試驗裝置圖Fig.1 Equipments of piping test

1.2 試驗材料

Richards等[13]在研究中指出，管涌往往發生于缺級配礫類土中。Kenney等[14]研究發現，對于缺級配土，如果細顆粒粒徑小于d，粒徑介于d與4d之間的顆粒含量很小，細顆粒可以在粗顆粒構成的骨架中移動，即土體可以發生管涌。根據這一結論，試驗材料為粗顆粒和細顆粒組成的缺級配礫類土，其中粗顆粒為粒徑2～6 mm的細礫；細顆粒包括砂顆粒和粘粒兩部分，砂顆粒為粒徑0.075～0.25 mm的細砂，粘粒為粒徑0.001～0.005 mm的高嶺土。試驗材料相關物理參數見表1。各組試樣的顆粒級配如圖2所示。

表1 試樣物理參數

圖2 顆粒級配曲線Fig.2 Particle gradation curve

1.3 試驗步驟

(1)試樣制備：根據預設的細顆粒含量和填筑密度稱取粗顆粒和細顆粒干重。先將細砂與粘粒混合均勻，然后再與粗顆粒進行混合攪拌，得到三等份攪拌均勻的土樣(無粘粒試樣略去細砂與粘粒攪拌的步驟)。

(2)裝樣：得到三等份土樣后，按照圖1(b)中所示，依次填裝下中上三個土層。裝填時分層裝填擊實，使土樣裝填均勻。

(3)試樣飽和：裝樣結束后，采用低水頭飽和的方法，緩緩提升上游水頭對試樣進行飽和直至試樣中的水位剛好超過試樣上表面，有少量水從試樣頂部溢出，此時將上游水水頭固定，對試樣飽和24 h后再繼續試驗。

(4)管涌試驗：按照每級2.5 cm的高度分級提升上游水頭，每級水頭停留10 min，當土體出現細顆粒流失時，待細顆粒停止流失時再提升水頭。重復上述步驟，當試樣流量出現大幅增加且土體出現大量細顆粒流失后，根據試驗情況再繼續提升幾級水頭，隨后停止試驗。

(5)細顆粒流失量統計：試驗結束后分層取樣，烘干后進行顆粒篩分并稱量得到各層砂顆粒流失量及粘粒流失量。

(6)管涌后三軸壓縮試驗：按步驟(5)的顆粒篩分結果重新配樣并進行固結不排水三軸壓縮試驗。

2 管涌試驗結果分析

2.1 水力梯度與流速變化

隨著上游水頭的抬升，幾組試樣流速前期隨著水力梯度的變大而變大;達到臨界水力梯度后，曲線斜率先變小后變大，對應顆粒起動的過程，此時管涌已經發生[15]。試驗過程中不同粘粒含量土體流速隨水力梯度變化情況如圖3所示。

圖3 不同粘粒含量土體流速隨水力梯度變化情況Fig.3 The velocity of soil varies with hydraulic gradient under different clay content

各組土體臨界水力梯度及流速和細顆粒涌出時的水力梯度及流速如表2所示。管涌時，土體的粘粒含量越大，試樣的臨界水力梯度越小，細顆粒涌出時的水力梯度越小，流速越大。

表2 不同節點水力梯度和流速

2.2 細顆粒流失量

由圖4可得，試樣的細顆粒流失量呈現明顯的空間結構性特點：細顆粒流失量沿著試驗滲徑方向逐漸變小，下層流失量最大，上層流失量最小。例如粘粒含量為25%時，試樣中、下層的細砂流失百分比分別為17.5%、31%，而試樣上層的細砂流失百分比只有4.25%。整個試樣的細顆粒流失量與中層的細顆粒流失量相接近。

圖4 不同粘粒含量下細顆粒流失情況Fig.4 The loss of fine particles under different viscosity content

從粘粒含量的角度看，粘粒含量的增加使得整個試樣的砂顆粒流失量和粘粒流失量都隨之增加。可見，粘粒對土體的細顆粒流失起到一種促進作用，粘粒更容易隨滲透水流移動，攜帶粘粒的滲透水流對細顆粒產生一定沖擊，粘粒也可能起到類似滾珠的作用，使細顆粒更容易在孔隙中移動。增加粘粒含量時，粘粒的促進作用增強。

3 管涌后的剪切試驗結果分析

不同粘粒含量的各層試樣應力應變曲線如圖5所示。當軸向應變小于1.5%時，各條曲線幾乎重合，剪應力隨軸向應變增加速度較快；軸向應變大于3%時，各條曲線之間的距離逐漸拉開，曲線的斜率變化出現一定差異。各組出現峰值強度的應變區間在6.2%～7%之間，可見粘粒含量對試樣達到峰值強度時的軸向應變無明顯影響。隨著粘粒含量增加，各層土體峰值強度均有降低趨勢。此外管涌后土體的變形性質存在一定的空間結構性特點。滲透破壞后上層土體應變軟化趨勢與初始試樣接近，應變軟化削弱程度較低；滲透破壞后中、下層土體應變軟化。削弱趨勢較明顯。由此可見，土層深度越深，礫類土的應變軟化趨勢越容易受到削弱。

圖5 不同粘粒含量各層土體的應力應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of soils with different clay particle content

根據圖5，得到不同粘粒含量下的各層土體峰值強度變化曲線如圖6。初始試樣是未經管涌破壞的試樣，各組峰值強度分別為432、420、415、406、396 kPa。較Cc=0%，粘粒組峰值強度降低幅度分別為2.78%、3.94%、6.01%、8.33%，出現峰值強度的變化是因為在細顆粒含量不變的情況下，粘粒替代了一定質量的細砂顆粒，可見即使不發生管涌，粘粒含量的增加也會使得土體峰值強度降低。下層土體是管涌破壞最嚴重的土樣，其各組峰值強度分別為399、377、370、335、319 kPa,較Cc=0%峰值強度降低幅度分別為5.51%、7.26%、16.04%、20.05%。相比于初始試樣，發生管涌后，粘粒含量越大，土體峰值強度下降幅度越大。這進一步證實了粘粒對土樣的細顆粒流失起一定的促進作用。粘粒含量越大，這種促進作用則越明顯。

圖6 不同粘粒含量下峰值強度曲線Fig.6 Peak strength curves of different clay contents

土體峰值強度隨土層深度的增加而降低，是由于土體的滲透變形程度隨土層深度增加而增加。由于細顆粒流失百分比與土層深度正相關。土層深度越深，細顆粒流失越嚴重，孔隙體積增加越大，土體結構越松散，導致土體滲透變形越嚴重，對整個土體的強度損失影響越大。

4 結論

1)含粘粒土樣的臨界水力梯度和開始發生管涌破壞時的水力梯度與粘粒含量呈負相關。破壞時流速與粘粒含量呈正相關。

2)管涌后的土體，土層深度越深，土體細顆粒流失量越大，土體的強度損失越大，土體應變軟化趨勢越不明顯。

3)粘粒含量對土體細顆粒流失起到促進作用，使得管涌后含粘粒的土樣強度損失更大。粘粒含量越大，這種促進作用越明顯，強度損失越大。