火山渣鐵路路基的滲透穩定性研究

陳 堅,羅 強,劉孟適,梁多偉

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

火山渣鐵路路基的滲透穩定性研究

陳 堅,羅 強,劉孟適,梁多偉

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室,成都 610031)

火山渣顆粒由于本身含有較多的蜂窩狀孔隙,導致火山渣礫石土的滲透特性有別于普通的礫石土,使得由其填筑的鐵路路基極易發生雨水下滲將填料中細顆粒帶走的管涌式沖蝕破壞。據此,分析火山渣礫石土填料的滲透破壞類型,運用自制加工的垂直滲透儀測定雨水在路基中下滲時的水力坡降值與臨界水力坡降值,探討雨水滲透下火山渣礫石土路基的滲透穩定性。研究表明:火山渣礫石土填料的滲透破壞類型為過渡型,其發生滲透破壞的臨界水力坡降值大于9.12,遠大于雨水在路基中下滲時的水力坡降值1.02,表明采用火山渣礫石土填筑的路基在雨水的長期滲透沖蝕下不會發生滲透破壞。

鐵路路基;火山渣礫石土;滲透特性;水力坡降

1 概述

ADDIS ABABA—DJIBOUTI鐵路(圖1)是埃塞俄比亞(Ethiopia)乃至東非腹地物資進出口主要通道,是埃塞俄比亞(Ethiopia)中部地區與西部、東部地區經濟、交通走廊的中軸,同時連接首都ADDIS ABABA、重要城市ADAMA、DIREDAWA、DJIBOUTI等。SEBETA—MIESO段是ADDIS ABABA—DJIBOUTI鐵路干線中的一段,該段鐵路全長328 km,全部位于東非大裂谷中,地層以火山巖、火山噴出巖土和次生巖土為主。火山渣質礫石土填料(以下簡稱“火山渣填料”)在鐵路沿線分布廣泛,儲量豐富,是一種火山噴發中經過高溫燃燒噴出后冷卻形成的礦渣狀多孔、輕質材料(圖2),廣泛用于埃塞俄比亞的土木工程建設中[1,2],如用于填筑埃塞俄比亞高速公路的底基層與路基。同時,火山渣也是一種優良的輕質混凝土材料[3-6],在我國部分地區的公路路基工程中也有少量應用[7],但未見在鐵路路基工程中應用的相關報道。

由于天然火山渣顆粒內含有較多的蜂窩狀孔隙,導致填料的滲透特性有別于普通的礫石土填料,特別在埃塞俄比亞雨季降雨量大的情況下,由火山渣填筑的鐵路路基極易發生雨水下滲將填料中細顆粒帶走的管涌式沖蝕破壞。因此,長期雨水滲透下的滲透穩定性是火山渣重要的路用性能之一。

圖1 ADDIS ABABA—DJIBOUTI線路走向示意

圖2 火山渣顆粒內部的蜂窩狀孔隙

為此,本文根據《水利水電工程地質勘查規范》(GB50487—2008)[8]分析了火山渣礫石土填料的滲透破壞類型,運用自制加工的垂直滲透儀測定了雨水在路基中下滲時的水力坡降值與臨界水力坡降值,探討了火山渣路基的滲透穩定性。

2 火山渣填料的基本物理性質參數

填料的基本物理性質參數試驗均參照《鐵路工程土工試驗規程》(TB10102—2010)[9]進行。由篩分試驗得到填料的粒徑組成如圖3所示。由顆粒密度試驗得到填料的顆粒密度為2.514 g/cm3,毛體積密度為2.047 g/cm3,根據顆粒的毛體積密度與顆粒密度,由公式(1)計算得到顆粒內部蜂窩狀孔隙體積占顆粒外輪廓線以內體積的比例達18.6%(以下簡稱“顆粒內部蜂窩狀孔隙體積比”)。由擊實試驗得填料的最大干密度為1.59 g/cm3,最佳含水率為15.4%。

式中 e′——顆粒外輪廓線內,與外表面連通的孔隙體積占整個顆粒外輪廓線以內總體積的比例;

圖3 填料的粒徑級配曲線

3 火山渣填料的滲透破壞類型判別

要判定填料在長期雨水滲透下是否會發生管涌破壞,須要首先判定其滲透破壞類型,若填料的滲透破壞類型為流土,表明填料不會發生管涌破壞,不須再進行填料的滲透穩定試驗;若填料的滲透破壞類型為管涌破壞,則還須進行填料的滲透穩定性試驗,進一步判定填料在雨水下滲時的滲透穩定性。

滲透破壞類型的判別根據《水利水電工程地質勘查規范》(GB50487—2008)[7]給出的無黏性粗顆粒土的滲透變形判別方法進行,該方法的基本要點如下。

首先,由公式(2)計算得到的幾何平均粒徑作為粗粒與細粒的分界粒徑。

式中 d10——小于該粒徑的含量占總質量土重10%的顆粒粒徑,mm;

式中，bki（k＝1，2，…，Z；i＝1，2，…，5）表示k等級第i項主要因素的隸屬度集中值，即加權平均值。

d70——小于該粒徑的含量占總質量土重70%的顆粒粒徑,mm。

然后,根據幾何平均粒徑的大小,即可得到試樣中細粒的百分含量P,并按如下原則確定土的滲透變形類型。

(1)不均勻系數小于5的土可判為流土。

(2)對于不均勻系數大于5的土可采用下列判別方法。

流土:

過渡性取決于土的密度、粒級和形狀:

管涌:

根據上述要點,填料的滲透破壞類型判定過程如下。

由圖3中填料的級配曲線可得填料的d70=5 mm, d10=0.075 mm,根據式(2)可計算得到填料的粗粒與細粒的分界粒徑為

根據式(6)的結果可知,試樣中粒徑小于0.61 mm的顆粒為細粒,相應的百分含量P為31.7%,根據式(4)可判定混合料的滲透破壞類型為過渡型。因此,須要通過滲透穩定試驗進一步驗證填料在雨水下滲時的滲透穩定性。

4 火山渣填料的滲透穩定性試驗

式(7)與式(8)是土滲透穩定性的判別準則,可見,要判定出填料在雨水下滲時的滲透穩定性,須要測定出雨水下滲時的水力坡降值以及填料的臨界水力坡降值。

式中 i——水在土體中滲流時的水力坡降值;

icr——土的臨界水力坡降值。

4.1 雨水下滲水力坡降值的測定

由于路基面設有人字形的排水橫坡,下雨時路基面難以形成較深的積水,雨水沿路基面的徑流深度可近似為0,即認為雨水在路基中下滲時路基面的積水深度為0。據此,采用水頭高度與試樣上表面齊平(保證試樣上表面的水深為0)的室內自由下滲試驗模擬雨水在路基中的下滲現象,以測得雨水下滲時的水力坡降值i。

試驗參照《水利土工試驗規程》(SL237—1999)[10]進行。所用儀器是一套自制加工的垂直滲透試驗儀(圖4),填料的d85=8 mm,儀器筒內徑D= 100 mm＞5×d85=40 mm,表明試樣尺寸符合規范要求。

圖4 自制加工的垂直滲透試驗儀

圖5是該儀器的結構示意,圖中測壓管1與測壓管2之間的垂直距離l1為160 mm,試驗時保持水頭高度與試樣的上表面平齊,水流由上至下自由下滲,每隔30 min測讀1次水位與滲水量,當各參數基本穩定時,記錄2個測壓管的水頭值,計算二者的水頭差Δh,由式(9)就得到雨水下滲時的下滲水力坡降i。

式中 h1——測壓管1的水頭高度,cm;

h2——測壓管2的水頭高度,cm;

l1——測壓管1與測壓管2之間的垂直距離,為16 cm。

圖5 垂直滲透儀結構示意(單位:mm)

由于現場路基的壓實系數控制值為93%,因此,取試樣的壓實度控制值為93%。試驗測定了試樣在最佳含水率與飽和含水狀態的下滲水力坡降值,試驗結果如表1所示。由表1可以看出,試樣在最佳含水狀態下的下滲水力坡降為1.02,飽和狀態下的下滲水力坡降為0.78,取1.02作為雨水下滲的水力坡降值。

表1 室內下滲試驗結果

4.2 填料臨界水力坡降值的測定

土體中的細顆粒在滲流作用下,開始從骨架顆粒的間隙中被帶出時對應的水力坡降值稱為土體的臨界水力坡降。試樣的壓實度控制值仍為93%,試驗仍參照《水利土工試驗規程》(SL237—1999)[10]進行。

圖6 滲透穩定試驗過程

試驗時,每隔30 min測讀一次水位及滲水量,當連續4次測得的水位及滲水量基本穩定且無異常現象時提升水位至下一水頭,直至試驗結束,試驗過程如圖6所示。共進行了2組滲透穩定試驗,試驗結果如表2所示。需要指出的是,由于試樣過程中將水力坡降加至9.12時仍未見試樣中細粒被帶出的現象,受試驗條件的限制,即終止了試驗。因此,表2中所給出的滲透水力坡降值要小于試樣的臨界坡降值。由表2可以看出,兩組試樣的滲透系數分別為4.52×10-4cm/s, 3.43×10-4cm/s,平均值為3.98×10-4cm/s,根據《水力水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)[3]給出的土的滲透性分級,如表3所示。試樣為弱透水性土,其透水性與一般的礫石類土相當[11,12],表明火山渣顆粒內部呈蜂窩狀的孔隙對土體的透水性質影響不大,水在土體中主要還是通過顆粒之間的間隙滲流;試樣在水力坡降值加至9.12時仍未達到滲透破壞狀態,表明試樣的臨界坡降值遠大于雨水下滲時的水力坡降值1.02,可見,采用火山渣填筑的路基在雨水的長期下滲沖蝕下不會發生滲透破壞。

表2 滲透穩定試驗結果

表3 土的滲透性分級

應該指出的是,世界各地的火山渣填料由于成因、地質環境等因素的不同,其顆粒內部蜂窩狀孔隙體積所占的比例也各不相同,從而導致滲透特性的不同。由于本文僅針對顆粒內部蜂窩狀孔隙體積比為18.6%的火山渣填料進行了滲透穩定性試驗,因此,本文的結論只適用于顆粒內部蜂窩狀孔隙體積比低于18.6%的火山渣填料,而對于顆粒內部蜂窩狀孔隙體積比高于18.6%的火山渣填料,還須重新進行滲透穩定性試驗,論證其滲透穩定性。

5 結論

長期雨水滲透下的滲透穩定性是火山渣礫石土重要的路用性能之一。運用《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487—2008)中無黏性粗顆粒土的滲透變形判別方法探討了火山渣填料的滲透破壞類型;基于《土工試驗規程》(SL237—1999)中滲透穩定性試驗的原理,設計了用于模擬雨水在路基中下滲的室內自由下滲試驗,論證了顆粒內部蜂窩狀孔隙體積比為18.6%的火山渣填料在雨水滲透下的滲透穩定性。研究表明:火山渣填料的滲透破壞類型為過渡型,其顆粒內部呈蜂窩狀的孔隙對火山渣填料的透水性質影響不大,由其填筑的鐵路路基在雨水滲透下不會發生滲透破壞。

[1] D.Newill,R.Robinson.Experimental use of cinder gravels on roads in Ethiopia[C]∥9th Regional Conference for Africa on Soil Mechanics and Foundation Engineering,Lagos,1987.

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[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10102—2010鐵路工程土工試驗規程[S].北京:中國鐵道出版社,2011.

[10]中華人民共和國水利部.SL237—1999土工試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社,1999.

[11]陳堅,羅強,陳占,楊堯,張云根.客運專線基床底層礫石土填料物理力學性質試驗研究[J].鐵道學報,2011,33(7):91-97.

[12]張云根.高速鐵路基床填料物理力學特性試驗分析[D].成都:西南交通大學,2009.

Study on the Seepage Stability of Railway Embankment Filled with Volcanic Cinder Gravels

CHEN Jian,LUO Qiang,LIU Meng-shi,LIANG Duo-wei
(MOE Key Laboratory of High-Speed Railway Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)

With respect to the high porosity in volcanic cinder gravel particles,the permeability of volcanic cinder gravels is different from common gravels,and the piping erosion damage may exist in the railway embankment filled with volcanic cinder gravels.Therefore,the types of seepage failure in volcanic cinder gravels are identified,the hydraulic gradient value and the critical hydraulic gradient value when rainwater infiltrates in the embankment are measured with self-made vertical tester,and the seepage stability of the embankment filled with volcanic cinder gravels is approached.The test results show that the seepage failure types of the volcanic cinder gravels are of transitivity;the critical hydraulic gradient value is more than 9.12,which is much bigger than the hydraulic gradient value of 1.02 when rainwater infiltrates;and the piping erosion damage shall not happen to the railway embankment filled with volcanic cinder gravels.

Railway embankment;Volcanic cinder gravels;Seepage stability;Hydraulic gradient

U213.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.004

1004-2954(2014)12-0014-04

2014-03-10;

2014-03-25

國家973計劃(2013CB036204)

陳 堅(1986—),男,博士研究生,E-mail:chen_jian1986@ 126.com。