泥石流寬級配礫石土結構特征實驗研究

馮鑫, 陳興長*, 陳慧, 唐勤, 謝奎林

(1.西南科技大學環境與資源學院, 綿陽 621010; 2.西南科技大學天府新區創新研究院, 綿陽 621010)

土體結構是影響其物理力學性能的內在因素。土的結構性是天然土在沉積過程中形成的特殊的顆粒聯結和復雜的排列方式所表現出的力學效應[1]。土結構性參數可以定量化地表達天然土結構[2-4]。但是,泥石流堆積物粒徑變化大,從黏粒到漂石均有分布[5];是一種寬級配礫石土,與其他土體有很大不同[6]。這種土中粗/細顆粒含量的變化,是影響其結構特征的關鍵因素。當細顆粒含量較低時,填充結構以粗顆粒為主,細顆粒填充到粗顆粒的空隙中;當細粒含量較高時,堆積結構以細粒為主,粗顆粒嵌入細粒中[7]。Zhang等[8]根據粗/細顆粒含量比,將土體結構定義為細顆粒控制的結構和粗顆粒控制的結構,并認為細粒含量超過30%時為細粒控制的結構,細粒含量低于30%時為粗粒控制的結構。

由于研究目的不同,泥石流寬級配土中細顆粒的界定不盡相同。例如,對泥石流運動流體和漿體而言,細顆粒的上限粒徑有0.05、1、2 mm等劃分標準[9-11]。楊進兵等[12]通過滲透實驗研究發現,粒徑小于0.1 mm的顆粒含量是影響泥石流寬級配土結構和滲透性的關鍵,并把0.1 mm定為泥石流寬級配土細顆粒上限粒徑。將遵循這一界定標準。同時還發現,當小于0.1 mm細顆粒含量超過20%時,滲透性漸趨穩定,接近細粒土的滲透性。

細顆粒含量的變化顯著影響土體的結構,使其孔隙特征改變,進而對土體強度及滲透性產生影響[13-14]。大多數土體具有雙重孔隙結構[7-8,15]:團聚體間孔隙和團聚體內孔隙[16-17]。對于泥石流寬級配礫石土,如果把粗顆粒間孔隙視為團聚體間孔隙,那么細顆粒的孔隙則可視為團聚體內孔隙。當細顆粒填滿粗顆粒孔隙時,土的孔隙特征則由細顆粒的孔隙特征所決定。因此,細顆粒含量決定寬級配土的填充結構和孔徑分布,影響土中孔隙大小及其連通性,宏觀表現就是影響土體強度和滲透性。

泥石流寬級配礫石土,粗細混雜,粒度變化大[5]。這類寬級配土的結構和特征仍需專門研究。基于寬級配礫石土中細顆粒含量的不同,將其結構劃分為三類,并通過物理實驗和數值模擬的方法,對其結構特征進行研究。研究成果不僅對深入認識寬級配礫石土結構特征及其物理性質等具有一定的理論意義,而且對泥石流防治也具有重要的實踐意義。

1 寬級配土結構和特征

土體孔隙率是影響滲透性的主要因素[18]。顆粒級配在一定程度上決定了土體的孔隙率。一般認為,不均勻系數Cu≥ 5的土為級配良好土。泥石流堆積物屬寬級配礫石土,粗細顆粒混雜,不均勻系數遠大于5[19],均屬級配良好的土。

根據土中粗顆粒的接觸關系和細顆粒的充填程度,把泥石流堆積物這種寬級配礫石土堆積結構(packing structure)分成3種類型,如圖1所示。從圖1(a)可以看出,接觸式堆積結構:粗顆粒相互接觸且呈緊密堆積,細顆粒充填于粒間孔隙。當土體中細顆粒含量不足,粗顆粒相互直接接觸時,形成這種堆積形式。從圖1(b)可以看出,緊密堆積結構:粗顆粒緊密堆積,孔隙中的細顆粒也呈緊密堆積狀態。當粗細顆粒比例合適,粗顆粒孔隙恰好被細顆粒充填時,形成這種堆積結構。土體干密度達到最大時,相應的細顆粒含量稱為最優細顆粒含量。從圖1(c)可以看出,基底式堆積結構:細顆粒呈緊密堆積,粗顆粒“鑲嵌”于細顆粒中。當粗顆粒較少,細顆粒豐富時,形成這種堆積結構。

圖1 土體中3種顆粒排列堆積情況 Fig.1 Three kinds of arrangement of soil particles

細顆粒的相對含量是決定寬級配礫石土結構和孔隙率的關鍵因素,也是決定其滲透性的關鍵[7]。接觸式堆積結構的孔隙率隨細顆粒含量的變化而變化;細顆粒越多,孔隙率越小,土體的密度越大,滲透性就越差。土體強度主要取決于粗顆粒間的咬合力,由于孔隙率大,容易發生變形。緊密堆積結構的孔隙率基本由細顆粒的孔隙率決定,其滲透性也基本由細顆粒的滲透性所決定,只是粗顆粒接觸的邊界效應仍然存在,此階段特征是最大干密度達到最大,孔隙率最小,滲透性開始趨于穩定值。土體強度也是3種結構中最高的。基底式堆積結構的孔隙率主要由細顆粒的孔隙率所決定,其滲透性也取決于細顆粒的滲透性。土體的強度主要取決于細粒土的強度。

2 實驗方案

為了分析和驗證上述3種土體結構及其特征,采集了北川縣雷家溝泥石流堆積樣,分別開展了擊實實驗、滲透實驗和數值模擬實驗進行研究。

2.1 實驗材料

受實驗手段的限制,實驗土樣的限制粒徑為20 mm,超粒徑部分采用等效替代法,將過大顆粒的質量替換為其他顆粒。這樣可以保持粗顆粒的含量,而細顆粒的含量和性質可保持不變[20-21]。

實驗土樣是對原始泥石流堆積樣進行篩分后,根據需要重新配置。為了保持土的結構不變,粗顆粒的相對含量須與原始樣品的相對含量一致。采用等比例替代法改變細顆粒含量可滿足這一要求。即根據原始樣品中粗顆粒的質量百分比,將添加或減去的細顆粒質量按比例分配到每個粒度組中。替換后粗顆粒之間相對含量不變,基本保證了粗顆粒結構和孔隙率不變;細顆粒的增減,可以改變粗顆粒孔隙的充填狀況,從而改變土體的孔隙率。

等比例替換法計算公式為

(1)

式(1)中:pi為替代后粗顆粒某粒組的含量,%;poi為替換前(原樣)粗顆粒某粒組的含量,%;po1為替換前(原樣)細顆粒(<0.01 mm)的含量,%;p′o1為替換后細顆粒的含量,%。

根據擊實實驗和滲透實驗對土樣的要求,利用式(1)共配置了12組實驗土樣。土樣的細粒含量由0開始,按2.5%遞增至25%和30%,土樣級配曲線如圖2所示。其中,細顆粒部分的級配組成如表1所示。

表1 實驗所用細顆粒的顆粒組成Table 1 Granular composition of the fine particles used by the experiments

2.2 實驗方法

2.2.1 擊實實驗

擊實實驗過程中保持粗顆粒的相對含量不變并逐漸改變細顆粒含量,以確定寬級配土的最優細顆粒含量。

選取圖2中細顆粒含量分別為5%、10%、15%、20%、25%和 30%的6組土樣進行擊實實驗。在給定擊實功的情況下,土體的干密度取決于土體的含水量。泥石流堆積物的含水量小于普通粗粒土和黏性土的含水量[22-25]。初步實驗結果表明,含水量為14%的土體已接近飽和,當含水量降至6%時無法濕潤。因此,每個擊實實驗土樣的初始含水量分別為6%、8%、10%和12%。

土樣的實際含水量w由式(2)確定。

(2)

擊實土樣的干密度ρd由式(3)確定。

(3)

式中:w為土體含水量,%;mm為濕土樣質量,g;md為干土樣質量,g;ρd為土樣干密度,g/cm3;ρm為土樣濕密度,g/cm3。

實驗前,將土樣濕潤并用塑料袋密封至少12 h。準備好試樣后,分 3 層裝入直徑為152 mm的模具中,用4.5 kg的錘子(落距450 mm)擊實27下,保持相同的擊實功。擊實實驗設備為JDS-1型電動數控普氏壓實機,實驗土樣最大粒徑限制為20 mm。所述實驗符合《公路工程土體實驗方法》(JTG E40—2007)的規定。

2.2.2 滲透實驗

細顆粒是決定寬級配礫石土滲透性的關鍵因素。在粗粒結構基本不變的情況下,通過逐漸增加細顆粒來改變其孔隙率,以探討細顆粒對寬級配礫石土滲透性的影響。滲透實驗裝置如圖3所示(專利號:ZL 2011 2 0287503.3)[11]。

圖3 粗粒土常水頭滲透儀Fig.3 Constant head permeameter for coarse grained soil

滲透系數由式(4)計算確定。

(4)

式(4)中:k為滲透系數,cm/s;q為時間t(單位:s)內的滲水量,mL;L為滲流長度,cm;Δh為經過土樣滲流長度的L的水頭損失,即滲透儀穩定水頭(h)與各測壓管液面(hi)高差,cm;A為滲流斷面面積,cm2。

2.2.3 數值模擬

土體結構的數值模擬采用三維顆粒流程序-PFC3D。PFC3D是基于牛頓第二定律和力與位移的物理定律,通過離散元方法模擬顆粒介質的力學問題和顆粒流問題的軟件[26]。

在PFC3D 中,有以下假設:①顆粒粒子視為剛體;②粒子間通過內力和力矩接觸并相互作用;③其物理接觸行為為柔性接觸,接觸點允許彼此重疊。

以往學者在二維和三維的模型研究中將規則的圓盤或球體視為土顆粒的單粒形態,或采用剛性簇(clump)生成方法,每一個clump有多個ball構成,在程序中這里的ball,稱為pebble,以此達到簡化模型及計算的目的[27-28]。鑒于泥石流堆積物大多為角礫,采用PFC3D6.0新增的rblock模塊以角礫形態的顆粒單元模擬粗顆粒,以圓粒表征細顆粒,能夠更好地反映泥石流堆積體顆粒的幾何形態及其力學特性。此次模擬共生成4種不規則的角礫顆粒單元,如圖4所示。

圖4 不規則的角礫形態的顆粒單元 Fig.4 Granular units of irregular breccia morphology

數值模擬主要用于分析土體的結構,為了降低計算量,模擬在直徑和高均為6 mm的圓柱形桶內生成寬級配礫石土料顆粒,包括粒徑為2～2.5、1.5～2、1～1.5 mm的不規則粗顆粒(rblock)和0.1 mm的規則細顆粒(ball)。模型選用線性接觸模型,主要接觸類型為ball-ball、ball-facet、ball-rblock、rblock-rblock和rblock-facet 5類,線性力是由具有恒定法向剛度kn和剪切剛度ks的線性彈簧產生,顆粒間阻尼系數為0.7[29]。堆積結構模擬的細觀參數如表2所示。

表2 線性接觸模型細觀參數Table 2 Mesoscopic parameters of linear contact model

在多數離散元研究中,其孔隙率的變化趨勢均以填料密實度作為評判依據,這一概念廣泛應用于離散元的研究領域中[30-31]。需要注意的是,土體顆粒存在顆粒內孔隙和顆粒間孔隙[16-17],而使用的孔隙率(n)僅指顆粒間孔隙率,定義為顆粒間孔隙體積與堆積土體體積的百分比。即假設為細顆粒粒子內孔隙被排除在孔隙率(n)之外。

模擬土樣的孔隙率由式(5)確定。

(5)

式(5)中:Vv為土中孔隙所占體積,cm3;V為土體總體積,cm3。

3 實驗結果

3.1 擊實實驗結果

此次擊實實驗制備了6組土樣,分別配置4種不同初始含水率。土樣配置及實驗結果如表3所示。

表3 不同細顆粒含量土樣的擊實干密度Table 3 Compacted dry densities of the soil samples with different fine particle contents

根據表3的實驗結果,采用函數逼近法,建立擊實干密度與初始含水率間的相關關系,可表示為

ρ=a1w2+b1w+c1

(6)

式(6)中:ρ為土的擊實干密度,g/cm3;w為土的初始含水量;a1、b1、c1為擬合系數。

按式6對表3中各土樣進行擬合,結果列于表4。從擬合的相關系數可以看出,當細顆粒含量較少時,干密度和初始含水量的相關性較差。泥石流堆積物中粗顆粒在擊實過程中主要通過位置的調整達到擊實的效果,水對粗顆粒擊實度影響很小,所以擊實干密度受初始含水量影響也就較小。這也從另一個角度說明,當細顆粒含量較少時,土體的結構主要由粗顆粒決定,細顆粒僅僅充填其中。

表4 擊實干密度與初始含水率相關性擬合結果Table 4 Fitting results of the correlation between compacted dry density and initial water content

通過對這6種不同細顆粒含量的礫石土擬合方程求導[式(6)和表(4)],可得到其最大干密度和最優含水量,如表5所示。

表5 不同細顆粒含量土樣的最大干密度和最優含水量Table 5 The maximum dry density and optimal water content of soil samples with different fine particle contents

根據表5的實驗結果(圖5),基于實驗最大干密度不大于理論最大干密度的原則,采用函數逼近法獲得細顆粒含量與最大干密度的擬合關系為ρm=1.994 0-0.058 7cos(0.199 1p)-

圖5 細顆粒含量與土體最大干密度的關系Fig.5 Relationship between the content of fine particles and the maximum dry density of soil

0.008 7sin0.199 1p,R2=0.953 9

(7)

式(7)中:ρm為不同細粒含量土的最大干密度,g/cm3;p為土中細顆粒含量,%。

通過對式(7)求導,可得到此次實驗土體的最大干密度及對應的最優細粒含量分別為2.053 g/cm3和16.52%。

由圖5可知,土體中隨著細顆粒含量的增加,不同細粒含量礫石土的最大干密度先增加,后減小。這是因為當土體中細顆粒含量較少時,由粗顆粒構成的孔隙無法充分填充,孔隙率較大;隨著細顆粒含量的增加,孔隙逐漸被充填,孔隙率變小,土體干密度逐漸增大。這一階段土體的結構為接觸式堆積結構。隨著細粒增加,孔隙率降低,土的滲透性也不斷降低。當細顆粒含量超過最優細粒含量時,粗顆粒骨架作用減弱,細顆粒逐漸占主導位;隨著細顆粒的進一步增加,粗顆粒被細顆粒替代,土體的孔隙率也逐漸增加[32],干密度反而會減小。這一階段土體的結構為基底式堆積結構。土體處于接觸式堆積狀態時,增加的細顆粒直接填充粗顆粒空隙,隨著細粒含量增加,土體干密度快速增加(圖5);土體處于基底式堆積狀態時,細顆粒的增加替換掉了部分粗顆粒,干密度的減少主要與粗細顆粒的質量差,或者與細顆粒的孔隙率有關。

規則顆粒最緊密堆積時的孔隙率為0.259 5;最松散堆積時的孔隙率為0.476 4,且孔隙率與顆粒的排列方式有關[7,33]。忽略顆粒形狀的影響,假設顆粒形狀是規則的,粗顆粒處于最緊密堆積,細粒充滿粗粒間的孔隙;若細粒處于松散堆積,其理論含量為15.5%;若細粒處于最緊密堆積,其理論含量20.6%(理論的最優細粒含量)。實際上土顆粒本身并不規則,不規則形狀的微小增量會占據球粒間的孔隙,堆積體的孔隙體積和孔隙率就會減小[33]。根據實驗結果計算得到的16.52%的最優細粒含量,小于規則顆粒堆積的理論值。這主要是因為泥石流堆積物中粗顆粒大多為角礫,磨圓度很差;顆粒本身的不規則導致粗顆粒孔隙率較理論值小。

3.2 滲透實驗結果

3.2.1 細粒含量與滲透系數的關系

為了進一步分析寬級配土的結構,對細粒含量為0～25%的土樣進行了滲透實驗。實驗數據計算過程及實驗結果列于表6。

表6 細顆粒含量與滲透系數關系實驗計算過程及結果Table 6 Experimental calculation process and results of the relationship between fine particle content and permeability coefficient

根據表6中數據擬合可得到細粒含量與滲透系數的相關關系,如圖6所示。

圖6 細粒含量與滲透系數的關系Fig.6 Relationship between fine particle content and permeability coefficient

從圖6中可以發現,實驗土體的滲透系數與細粒含量呈負指數關系,即

k=a2e-p/b2

(8)

式(8)中:k為土體的滲透系數,cm/s;p為土體中細顆粒含量,%;a2、b2為擬合系數。

通過擬合,系數a2、b2分別為0.011 4和3.619 3,R2=0.974 5。分析發現,系數a2是細粒含量為0時土體的滲透系數,與粗顆粒的級配有關。系數b2除受粗顆粒級配影響外,主要與細顆粒的滲透性有關;其滲透系數越大,b2也越大,反之亦然。

3.2.2 堆積結構對滲透性的影響

寬級配土的滲透及滲透穩定性主要取決于粗、細粒在土體中的比例關系。當細顆粒含量較低時,填充結構以粗顆粒為主,細顆粒填充在粗顆粒之間的空隙中。土體孔隙較大,滲透性較好,滲透系數主要取決于粗粒組成。由于細顆粒填不滿粗粒孔隙,在土體中不受粗粒束縛,滲流作用下很容易流失,可形成管涌型破壞[34]。隨著細顆粒含量的增加,滲透系數會快速減小(圖6)。這是接觸式堆積結構土體滲透性的一個重要特點。當細粒含量超過16.52%(最優細粒含量)時,土的滲透系數漸趨一穩定值;細顆粒逐漸取代粗顆粒的骨架結構,其滲透性無限接近于細粒土的滲透性。這是基底式堆積結構的顯著特點。其滲透破壞是整個土體的破壞,稱為流土型破壞[34]。綜上分析,將土的滲透系數開始漸趨穩定值作為土體處于緊密堆積的閾值,稱滲透系數從迅速減小階段過渡到趨于穩定值階段的土體堆積結構為緊密堆積結構。

由圖6可知,土體達到最優細粒含量時,其滲透系數并未達到最低。分析認為,粗細顆粒均處于最緊密堆積時,粗顆粒的邊界效應會導致土的滲透未達到“最低”。隨著細粒含量的增加,粗顆粒逐漸“懸浮”在細粒中間,原來粗顆粒相互接觸部位滲流的邊界效應消失,滲透性逐漸接近于細粒土的滲透性。圖6中,當細粒含量為16.52%時,土體的滲透系數由10-4數量級降為10-5數量級,并維持在這個數量級別上(表6)。10-5數量級屬于粉質黏土的滲透級別。根據顆粒分析數據(表1),實驗土樣中細粒部分(<0.1 mm)小于0.005 mm(黏粒粒徑上限)的黏粒占細粒總質量的27.8%;其滲透系數基本就在10-5數量級。

具有不同粗/細顆粒含量的寬級配土體可能形成雙重孔隙結構:由于擊實作用而產生的骨料內孔隙和骨料間空隙[8, 35-37]。骨料內部孔隙是細顆粒的真實孔隙。骨料間(粗顆粒)空隙不是土體的真實孔隙,包括真實孔隙和細顆粒固體的體積(圖7)。對于給定的骨料間空隙率,細粒含量越低,整體孔隙率越高,滲透性越好。相反,對于基質填充土,骨架結構由細顆粒支撐,骨料內部孔隙占主導地位。整體孔隙比近似等于骨料內部孔隙比。因此,基底式堆積結構填充土的滲透性取決于骨料內部孔隙。

圖7 骨料間空隙體積配置關系Fig.7 Void volume configuration relationship between aggregates

接觸式堆積結構中細粒在潤濕/干燥過程中膨脹/收縮;細粒含量越低,最優含水量越低(表5)。孔隙中細粒膨脹/收縮會導致骨料內孔膨脹/收縮,但不改變土體的總體積[8]。基底式堆積結構中基質填充土對含水量變化敏感[8]。在恒定含水量下加載,骨料間孔隙率的變化占主導地位。然而,在含水量變化過程中,細顆粒的膨脹/收縮顯著影響孔徑的變化,骨料內孔隙的變化占主導地位[33],細顆粒含量越高,最優含水量就越大(表5)。

3.3 數值模擬結果

數值模擬的方法可從體積尺度計算不同細顆粒含量土體的孔隙率,一定程度上彌補了擊實實驗干密度換算孔隙率時土粒比重的差異,并能更直觀地展示結構特征及其變化。首先根據設計的4種角礫粗顆粒單元,模擬了不同試樣系數下粗顆粒的含量,確定實驗條件下粗顆粒最緊密堆積狀態;然后在緊密堆積的粗顆粒空隙中填充不同含量的細顆粒,以研究不同細顆粒含量土體結構及其特征。

3.3.1 粗顆粒緊密堆積實驗

基于設定的模擬實驗計算域(圓柱桶),生成不同試樣系數的粗顆粒堆積體,通過分析粗顆粒數量和體積的變化規律確定最緊密時的粗顆粒含量。實驗結果如圖8所示。

圖8 不同試樣系數生成的粗顆粒數量與含量關系Fig.8 Relationship between the number and content of coarse particles generated by different sample coefficients

實驗發現,當粗顆粒含量達到64.32%時,填充至與圓柱體頂面接觸,說明此時粗顆粒已經填滿計算域;粗顆粒含量增至67.63%后,繼續增加,顆粒間會產生重疊。這說明實驗條件下粗顆粒已經達到緊密接觸。粗粒含量與前人研究的最緊密結構粗顆粒含量一致[38-39]。因此認為粗顆粒含量達到67.63%時形成緊密結構。

3.3.2 實驗結果

從數值重構模型圖及其剖面圖可直觀地看出(圖9、圖10),隨著細顆粒的增加,粗顆粒骨架形成的孔隙被細顆粒填充,且逐漸密實,由接觸式堆積結構轉化為緊密堆積結構。當細顆粒繼續增加,粗顆粒骨架逐漸變為粗細顆粒聯合骨架,由緊密堆積結構轉化基底式堆積結構。其中,PFC3D所模擬出的基底式堆積結構并非最理想狀態下所有粗顆粒間的接觸全部喪失,部分粗顆粒有接觸但整體呈現粗顆粒“鑲嵌”于細顆粒中。

深藍色、淺藍色和灰色分別為粒徑2～2.5 mm、1.5～2 mm和1～1.5 mm的不規則粗顆粒;綠色為粒徑0.1 mm的規則細顆粒

深藍色、淺藍色和灰色分別為粒徑2～2.5 mm、1.5～2 mm和1～1.5 mm的不規則粗顆粒;綠色為粒徑0.1 mm的規則細顆粒

基于3種堆積結構的數值重構模型特性,設計10組在相同計算域范圍條件下的不同細顆粒含量堆積土體的模擬實驗,并計算了孔隙率,其中第1組為凈粗顆粒組。模擬結果如圖11所示。

圖11 細顆粒含量與孔隙率的關系Fig.11 Relationship between fine particles content and porosity

如圖11所示,堆積體的孔隙率隨細顆粒含量的增加而先降低后增加。通過對擬合曲線求導計算得到擬合的最低孔隙率為19.24%,相應的細顆粒含量為22.23%。

4 討論

物理實驗和數值模擬均表明,粗/細顆粒含量是決定土體結構的關鍵。數值模擬土的結構是土顆粒在重力作用下自然堆積形成的,無法達到理論上的最緊密堆積狀態,模擬結果顯示最低孔隙率為19.24%。擊實實驗也同樣無法達到土體最緊密狀態,尤其粗顆粒起骨架作用時,細顆粒可以填滿空隙,但很難被壓密實。按擊實實驗最大干密度換算,實驗條件下土的孔隙率仍然達到22.53%。物理實驗和數值模擬均表明,由于粗顆粒的骨架作用,處于理論上最緊密堆積狀態的土體結構很難形成。

當粗顆粒通過位置調整達到緊密堆積,細顆粒填滿粗顆粒空間時,基本上可視為緊密堆積,此時土的物理力學性能接近最優。Terzaghi等[40]認為,混合粒狀天然土體的特性主要取決于最細的 20%。劉杰等[34]研究發現,當粒徑小于0.1 mm的含量大于18%時,碎石土可作為壩體的防滲體。泥石流寬級配礫石土中最優細粒理論含量為20.6%(規則顆粒的理論值),由于粗顆粒大多是角礫,形狀的不規則導致實際值比理論值低。數值模擬顯示,細顆粒含量達到22.23%時,土體的孔隙率最小。這是因為數值模擬時土粒是在重力作用下自然堆積,粗顆粒未達到最緊密堆積狀態,導致粗顆粒間空隙較大。擊實實驗條件下的最優細粒含量為16.52%,小于理論值。一方面是由于顆粒本身的不規則導致,另一方面,由于粗顆粒的骨架效應導致細顆粒很難達到最緊密。因此,可以認為泥石流寬級配礫石土緊密堆積結構的細顆粒含量上限為20%。

土的滲透性與土中孔隙及其連通性有關,可以從另一個角度反映孔隙情況。實驗表明,土的滲透系數隨細顆粒含量的增加呈自然指數降低[14,41]。當寬級配土中細顆粒含量較少,呈接觸式堆積時,滲透系數較大;隨著細顆粒的增加,當處于緊密堆積結構時,由于粗顆粒與粗顆粒相互接觸,邊界效應導致土的滲透系數不能達到最小,而是隨著細顆粒含量的增加,粗顆粒邊界效應的消失,滲透系數漸趨穩定。滲透性的這種變化也反映了土體結構的變化。

5 結論

泥石流寬級配礫石土的級配寬,粒度變化大,粗細混雜,其結構特征與普通土體有所不同。根據土中粗顆粒接觸關系和細顆粒充填程度,提出寬級配土的3種堆積結構,并通過擊實實驗、滲透實驗和數值模擬等手段對其進行驗證和分析,得出如下主要結論。

(1)當土體中粗顆粒直接接觸且呈緊密堆積,細顆粒充填其中時,則形成接觸式堆積結構;當土體中粗顆粒緊密堆積,細顆粒也呈緊密堆積狀態且充滿粗粒間空隙時可形成緊密堆積結構;當細顆粒呈緊密堆積,粗顆粒“鑲嵌”于細顆粒中時,則形成基底式堆積結構。

(2)細顆粒含量是決定寬級配礫石土結構的關鍵。當細顆粒含量較少時,形成接觸式堆積結構;當細顆粒含量較多時,形成基底式堆積結構;當細顆粒填滿緊密堆積的粗顆粒空隙時,形成緊密堆積結構,相應的細顆粒含量稱為最優細顆粒含量。

(3)寬級配土的礫石多呈不規則狀,無論物理實驗還是數值模擬都無法達到理論的緊密堆積;綜合理論分析和本次實驗,認為在生產實踐中寬級配土緊密堆積結構的細粒含量上限為20%;超過這個含量,土中粗顆粒的骨架作用會被減弱,土體強度也會下降。