含石量對土石回填體滲流特性影響的試驗研究

黃 鋒,楊正旭,周啟宏,劉星辰,張 班

(1.省部共建山區橋梁及隧道工程國家重點實驗室,重慶交通大學 重慶 400074; 2.重慶交通大學 土木工程學院,重慶 400074; 3. 中鐵二十局集團第三工程有限公司,重慶 400065)

0 引 言

隨著我國西部開發與“一帶一路”戰略的加速推進,西南山地城市交通基礎建設取得了突飛猛進的發展,重慶作為典型的山地城市,基礎建設的發展必須以開山填谷的方式打破復雜地形條件的制約,因此在城市淺表地層以深厚土石回填體為主。不同于常規均質巖體與土壤,土石回填體大都由體積離散性強且形態不規則的巖塊與黏土混合而成。受施工粗糙與監管疏忽的影響,多數回填體土石級配不良,其滲透性特性難以把握[1-4]。因此,西南多雨氣候條件下土石回填體隧道與基坑的防水、加固工藝的改良一度成為施工建設單位的難題。

早期學者大多針對土的滲透特性開展了系列研究[5-7]。其中,太沙基等[5]針對粗粒土提出的滲透系數經驗公式(1)受到廣大研究者的認可;中國水科院劉杰[6]在太沙基經驗公式(1)的基礎上加大了土顆粒控制粒徑范圍,對粗粒土滲透系數經驗公式進行了改進,如式(2);朱崇輝[7]通過引入不均勻系數及曲率系數對太沙基經驗公式(1)進行了改進,如式(3):

(1)

(2)

(3)

式中:k為粗粒土的滲透系數;k10與k20分別為水溫10 ℃與20 ℃時的粗粒土滲透系數,cm/s;e為孔隙比;d10與d20分別為土顆粒的有效粒徑,即土體粒徑級配分布曲線上顆粒粒徑占比10%與20%所對應的土顆粒粒徑,cm;R為與其它未知因素的相關系數,可通過數據擬合獲得;Cu為不均勻系數;Cc為曲率系數,可根據土體顆粒有效粒徑計算獲得。

隨著非均勻性顆粒介質的滲透理論的發展,圍繞著砂土、砂礫等離散性大且黏聚力差的非均勻基質滲透水特性研究不斷涌現出大量成果。蘇立君等[8]利用相關性分析方法針對天然砂土滲透系數提出經驗計算公式(4);梅世昂等[9]則通過一系列滲流試驗研究,得出了砂礫土的滲透系數經驗公式(5)。可見,多數研究通過選取合適的粒徑來表征整體砂土的粒徑。

(4)

(5)

式中:C為無因次系數,可取為157;n為孔隙率;P5為砂礫土中細顆粒的含量;d0為顆粒的控制粒徑,cm。

考慮到黏土與粗粒土間的滲透系數差異主要是由黏土結合水占據大量的滲流孔隙,而使基質內部滲流通道減少所致。因此,在計算黏土滲透系數過程中,為了排除結合水對孔隙比參數的影響,需將黏土基質中結合水占據孔隙體積與土顆粒體積之比定義為無效孔隙比,而有效孔隙比則由總孔隙比與無效孔隙比作差獲得。基于此,黨發寧等[10]與楊忠翰等[11]通過滲透試驗及有效孔隙比測試分別得到了黏性土與紅、黃黏土的滲流系數經驗公式如下:

(6)

k=10-7(3 442e4-12 923e3+18 124e2-11 245e+

2 603)

(7)

式中:eu為有效孔隙比;e0為無效孔隙比。

鑒于土石混合體級配構成與介質體積、形狀的非均勻性,其物理力學性質也因此極為復雜,滲透特性也不同于均質黏性土與規則砂礫料[12]。常規土體、砂礫等單一基質材料的滲透系數經驗公式對土石混合體并不適用。因此,周中等[13]考慮土石混合體滲透特性的影響因素,基于土體與礫石的獨立滲透系數及相互影響機理,采用冪平均法提出土石混合體滲透系數經驗公式(8):

k=[P5(kG)f+(1-P5)(kS)f]1/f

(8)

式中:kG為礫石的滲透系數,cm/s;kS為土的滲透系數,cm/s;f為無因次系數,可以通過少量試驗回歸分析確定。

綜上所述,滲流介質構成、顆粒級配及有效孔隙比等參數均是影響黏土、砂土、砂礫、土石混合體滲流特性的主要因素,多數研究基于滲透試驗利用經驗公式對介質滲透系數進行表征。針對均質單一介質的滲透特性的研究較多且結論成熟,而對于土石顆料粒徑級配不良、尺寸形狀不均的土石混合體滲透特性的研究較少。考慮到土石回填體中含石量對滲透性能影響顯著,且既有經驗公式的適用性難以把握。因此有必要針對土石回填體滲流特性的含石量敏感性開展常水頭試驗,對比分析土石回填體的滲透系數響應趨勢與細顆粒流失規律,并對應給出滲透系數的經驗擬合公式,可為土石回填土含石量的控制及地層加固工藝的優化提供參考與借鑒。

1 大粒徑土石回填體常水頭滲透試驗

1.1 土石回填體工程特征與樣品制備

工程土石回填體取自重慶軌道交通10號線二期蘭花湖停車場基坑與出入段隧道土建施工現場。現場地表土石回填體地層深厚且處于欠固結狀態,土石回填體強度通常受區域性地表強降水及地下水遷移的影響而發生弱化。現場土石回填體地層在降水入滲與施工擾動共同作用下極易出現地表塌陷、基坑邊坡滑塌、隧道掌子面變形等施工問題,施工期間多通過地表注漿對軟弱地層進行加固,同時利用基坑井點降水與掌子面帷幕注漿止水等工藝對工區范圍內地下水進行引排與堵截。室內試驗及現場灌水法測得土石回填體相關的基本物理參數見表1。

表1 土石回填體基本參數Table 1 Basic parameters of soil-rock backfill

首先將現場獲取的工程土石回填體粗略篩分為兩部分:0～5 mm的細顆粒土與5～60 mm的粗顆粒塊石。隨后,并按照0%、20%、40%、60%、80%、100%的粗顆粒塊石的摻混比例(含石量v)進行混合。為了檢測試驗樣品的顆粒級配,再次針對摻混后的土石回填體進行篩分與稱量統計,獲得不同含石條件下土石回填體的顆粒級配曲線如圖1。隨著土石回填體含石量的增加,粗顆粒增多而細顆粒減少,因定義細顆粒土與粗顆粒塊石的界限為5 mm,故含石量0%的土石回填體內無大于5 mm的粗顆粒,而含石量100%的回填體內則無小于5 mm的細顆粒。綜上所述,通過原狀土石回填體的粗略篩分混合而成土石混合體滿足常水頭滲透試驗樣品的級配要求。

圖1 不同含石量樣品的級配曲線Fig. 1 Grading curve of samples with different stone contents

1.2 土石回填體常水頭滲透試驗方案

針對土體常水頭滲透試驗,GB/T50123—2019《土工試驗方法標準》中規定圓筒內徑須大于土體顆粒直徑的10倍。周中等[13]采用自制常水頭滲透試驗儀開展測試期間,按照規范要求僅將基質最大粒徑控制在2 cm。可見,為了滿足大粒徑土石回填體常水頭滲透試驗規定,對試驗儀器尺徑提出更高要求。因此,依據實際工程背景筆者采用LDST-300粗粒土常水頭滲透儀(圖2)對大粒徑土石回填體滲透系數進行測定,該設備主要由供水箱、試樣桶、測壓管和集水槽四部分組成,剛性試樣桶內徑為300 mm,高為500 mm,設備滿足TB10751—2018《高速鐵路路基工程施工質量驗收標準》最大粒徑不大于75 mm的粗粒土的常水頭滲透試驗要求。

圖2 試驗裝置示意Fig. 2 Schematic diagram of test device

為了分析含石量對土石回填體滲透特性的影響,考慮土石回填體中塊石含量(顆粒粒徑大于5 mm屬于塊石顆粒),設計6組常水頭試驗工況,如表2。

表2 試驗方案Table 2 Test scheme

常水頭試驗步驟大致如下:

1)工程土石回填體取回后需進行烘干、篩分等工作,確定土石級配。隨后將篩分樣品分為顆粒尺寸為0～5 mm的土顆粒與塊體尺寸為5～60 mm的塊石兩部分,控制工況設定含石量配置試驗樣品并均勻拌合。

2)試樣桶裝樣前需在內壁均勻涂抹凡士林減小摩擦阻力帶來的試驗誤差。隨后將試驗樣品分10層裝入,并對層間接觸面進行鑿毛處理,控制分層厚度為特征粒徑d85的1.5～2倍(即層厚50 mm),依據初始干密度1.8 g/cm3,將試樣分10層裝入圓筒內,基于實際情況結合相關文獻[12,14]結論,統一控制不同含石量試樣壓實度為0.8,固定落距為40 cm,使用質量為9 kg,直徑100 mm的擊實錘進行試樣擊實,控制擊數實況為98次,共計擊實能量為987.84 kJ/m3。擊實錘壓實期間采用環刀取樣進行壓實度抽樣檢測,每層試樣裝填合格后,開啟試樣筒底部進水管對試樣自下向上逐漸浸潤至飽和后關閉。

3)隨后,將供水管接入試樣筒頂部注入試樣筒內,降低調節管至試樣靠上1/3高度處,形成水位差,使水滲入試樣后經調節管流出。隨后保持試樣筒內水位不變,使試樣處于常水頭環境下進行滲透,待測壓管水位穩定后,記錄各測壓管水位差,同時測量記錄集水槽自調節管口接取滲透水的體積與進水管的水溫。隨后分別降低調節管至試樣的中部與下部1/3處改變水力坡降進行重復測試,最后計算3次測試滲透系數的平均值。

2 土石回填體滲流特征含石量敏感性分析

2.1 土石回填體滲透系數含石量敏感性分析

基于土石回填體常水頭滲透試驗數據,可通過式(9)計算獲得試樣滲透系數(k20),并利用平均處理方法對3次試驗結果進行統計見表3。可知,土石回填體標準滲透系數隨含石量的增加而迅速增長。

(9)

式中:Q為時間t內滲透水量,cm3;L為裝填試樣高度,cm;H為平均水位差,cm;t為時間,s;A為裝填試樣橫斷面面積,cm2;ηT為水在水溫T下的動力黏度,10-6kPa·s,試驗水體溫度約20 ℃;ηT/η20為效正系數。

表3 土石回填體常水頭滲透試驗結果Table 3 Results of constant head permeability test of soil-rock backfill

基于周中等[13]對土石混合體中含石量與滲透系數關系的研究結論,發現筆者研究對象(最大塊石粒徑為60 mm的土石回填體)的含石量與滲透系數之間同樣滿足顯著的指數關系,如圖3。在試驗數據及規律合理的基礎上,觀察到最大塊石粒徑為60 mm的土石回填體滲透系數隨含石量增加而增大過程中,含石量為60%可作為滲透系數指數增長的拐點,當含石量大于60%時,土石回填體滲透系數增幅顯著增大。與周中等[13]所用試樣不同,筆者采用的土石回填體試樣顆粒級配中粒徑<1 mm的細顆粒少,而粒徑>5 mm的顆粒多,使得介質的滲透性因孔隙度的增大而變差,而塊石的形狀與磨圓度對介質的滲透性也存在一定程度的影響。

圖3 經驗公式計算結果Fig. 3 Calculation results of empirical formula

為了探究土石回填體滲透系數經驗公式的適用性,選取前文提到的具有代表性的公式(4),公式(8)對筆者試驗結果進行計算比對。可見,土石回填體含石量較低時,計算結果較接近,而當含石量>60%時,除了周中公式外,其他經驗公式計算結果差異性逐漸顯著,這主要與試驗樣品與方法不同有關。其中,公式(1)與公式(2)只單獨考慮了土的滲透系數而計算結果偏小,更適用于小顆粒均勻土體滲透系數的計算;公式(4)因考慮了不均勻系數與曲率系數而計算結果偏大,更適用于砂礫土的滲透系數計算。而文中最大塊石粒徑為60 mm的土石回填體試驗數據與公式(8)的高度擬合則說明了公式(8)的適用范圍與試驗的合理性。

2.2 土石混合體細顆粒流失量化分析

土石回填體常水頭滲透試驗期間,集水槽中的水逐漸由渾濁變為清澈,說明土石回填體內細顆粒隨水體遷移與滲透發生流失。對比試驗結束后試樣的土體流失情況如圖4。可見,在含石量較低時(0%～20%),土石回填體試樣僅局部出現小區域土體流失,呈法向傾斜分布,試樣成型較好。含石量增至40%時,試樣土體流失區域有所擴大,呈法向條形分布,表面露出少量粗顆粒,試樣成型良好。含石量繼續增大(60%～80%),試樣土體流失區域擴大并由法向條形向環向擴展貫通呈片,表面大量粗顆粒外露,試樣基本成型。含石量為100%時,試樣缺少細顆粒的黏聚,僅靠粗顆粒骨架難以成型。綜上所述,常水頭滲透作用下土石回填體細顆粒的流失量及流失范圍均隨含石量的增加而增大,土石回填體成型能力也因塊石占比的增加而變差。依此可見,土石回填體地層中細顆粒土在降雨入滲及地下水遷移作用下發生流失是地層失穩、塌陷災害的主要誘因。

控制集水槽內渾濁液體細顆粒的2次沉降、收集、烘干、稱重的間隔為5 min,分別繪制6種土石回填體試樣細顆粒流失量隨滲透時間的變化曲線,如圖5。細顆粒土的累計流失量隨滲流時間的延長由小變大并在最終趨于平穩,而細顆粒流失速度(曲線斜率)隨滲流時間的延長呈現出先增大后減小的規律。結合圖4揭示的土石回填體試樣透水形態變化分析可知,常水頭滲透試驗期間,試樣粗顆粒所占比重隨細顆粒流失量的增加而增大,因此在滲流試驗前期(約30 min)內,細顆粒流失速度存在由小到大的變化,而試驗后期細顆粒流失速度由大到小變化主要是試樣內部細顆粒流失殆盡所致。

圖4 不同含石條件下透水試樣土體流失及成型狀態Fig. 4 Soil loss and forming state of permeable samples under different stone content conditions

圖5 不同含石條件下透水試樣細顆粒流失時程曲線Fig. 5 Time history curve of fine particle loss of permeable samples under different stone content conditions

定義試樣中細顆粒流失量占比C為土石回填體試樣中細顆粒在滲流作用下累計流失質量ml與土石回填體試樣中初始摻入細顆粒質量ms之比,如圖6,擬合為經驗公式為:

(12)

式中:ml為流失土體質量;ms為土石回填體中土的質量;v為含石量。

土石回填體內細顆粒流失占比與材料含石量呈指數正相關的原因主要有兩方面,一方面是前文所述大量塊石的摻入形成粗顆粒骨架,介質滲透系數隨孔隙率的增大而增大,進而加快了自由水遷移帶走細顆粒的速率;另一方面則是土石回填體中塊石粗顆粒骨架與細顆粒土的黏聚性下降,自由化滲透路徑固定且粗顆粒表面細顆粒附著率低,導致大量輕質細顆粒流失。

圖6 不同含石條件下細顆粒累計流失占比Fig. 6 Proportion of cumulative loss of fine particles under different stone content conditions

3 結 論

以在建工程工區地層的土石回填體的滲透水特征與地層加固工藝為背景,基于回填體的真實含石量與顆粒級配,于實驗室內完成了最大粒徑為60 mm下不同含石量土石回填體常水頭試驗研究,得到了如下3點主要結論,可為土石回填土體地層的注漿加固工藝與截排水措施優化提供參考。

1)大粒徑土石回填體滲透系數隨含石量的增加呈指數形式增長,當含石量大于60%時,土石回填體滲透系數增幅顯著增大。土-石回填體滲透系數經驗公式的參數優化應綜合考慮細顆粒土體與粗顆粒塊石的綜合影響。

2)土石回填體滲流作用下細顆粒的累計流失量隨滲流時間的延長呈現小-大-平穩的過程,而流失速度則呈現出先增大后減小規律。土石回填體內細顆粒流失與材料含石量呈指數正相關。

3)顆粒級配不良的土石混合體中粗顆粒骨架間孔隙是自由水遷移與滲流的主要通道,而細顆粒的黏聚性及表面附著性不佳是土體流失關鍵因素。