火山渣铁路路基的渗透稳定性研究

陈 坚,罗 强,刘孟适,梁多伟

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

火山渣铁路路基的渗透稳定性研究

陈 坚,罗 强,刘孟适,梁多伟

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室,成都 610031)

火山渣颗粒由于本身含有较多的蜂窝状孔隙,导致火山渣砾石土的渗透特性有别于普通的砾石土,使得由其填筑的铁路路基极易发生雨水下渗将填料中细颗粒带走的管涌式冲蚀破坏。据此,分析火山渣砾石土填料的渗透破坏类型,运用自制加工的垂直渗透仪测定雨水在路基中下渗时的水力坡降值与临界水力坡降值,探讨雨水渗透下火山渣砾石土路基的渗透稳定性。研究表明:火山渣砾石土填料的渗透破坏类型为过渡型,其发生渗透破坏的临界水力坡降值大于9.12,远大于雨水在路基中下渗时的水力坡降值1.02,表明采用火山渣砾石土填筑的路基在雨水的长期渗透冲蚀下不会发生渗透破坏。

铁路路基;火山渣砾石土;渗透特性;水力坡降

1 概述

ADDIS ABABA—DJIBOUTI铁路(图1)是埃塞俄比亚(Ethiopia)乃至东非腹地物资进出口主要通道,是埃塞俄比亚(Ethiopia)中部地区与西部、东部地区经济、交通走廊的中轴,同时连接首都ADDIS ABABA、重要城市ADAMA、DIREDAWA、DJIBOUTI等。SEBETA—MIESO段是ADDIS ABABA—DJIBOUTI铁路干线中的一段,该段铁路全长328 km,全部位于东非大裂谷中,地层以火山岩、火山喷出岩土和次生岩土为主。火山渣质砾石土填料(以下简称“火山渣填料”)在铁路沿线分布广泛,储量丰富,是一种火山喷发中经过高温燃烧喷出后冷却形成的矿渣状多孔、轻质材料(图2),广泛用于埃塞俄比亚的土木工程建设中[1,2],如用于填筑埃塞俄比亚高速公路的底基层与路基。同时,火山渣也是一种优良的轻质混凝土材料[3-6],在我国部分地区的公路路基工程中也有少量应用[7],但未见在铁路路基工程中应用的相关报道。

由于天然火山渣颗粒内含有较多的蜂窝状孔隙,导致填料的渗透特性有别于普通的砾石土填料,特别在埃塞俄比亚雨季降雨量大的情况下,由火山渣填筑的铁路路基极易发生雨水下渗将填料中细颗粒带走的管涌式冲蚀破坏。因此,长期雨水渗透下的渗透稳定性是火山渣重要的路用性能之一。

图1 ADDIS ABABA—DJIBOUTI线路走向示意

图2 火山渣颗粒内部的蜂窝状孔隙

为此,本文根据《水利水电工程地质勘查规范》(GB50487—2008)[8]分析了火山渣砾石土填料的渗透破坏类型,运用自制加工的垂直渗透仪测定了雨水在路基中下渗时的水力坡降值与临界水力坡降值,探讨了火山渣路基的渗透稳定性。

2 火山渣填料的基本物理性质参数

填料的基本物理性质参数试验均参照《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[9]进行。由筛分试验得到填料的粒径组成如图3所示。由颗粒密度试验得到填料的颗粒密度为2.514 g/cm3,毛体积密度为2.047 g/cm3,根据颗粒的毛体积密度与颗粒密度,由公式(1)计算得到颗粒内部蜂窝状孔隙体积占颗粒外轮廓线以内体积的比例达18.6%(以下简称“颗粒内部蜂窝状孔隙体积比”)。由击实试验得填料的最大干密度为1.59 g/cm3,最佳含水率为15.4%。

式中 e′——颗粒外轮廓线内,与外表面连通的孔隙体积占整个颗粒外轮廓线以内总体积的比例;

图3 填料的粒径级配曲线

3 火山渣填料的渗透破坏类型判别

要判定填料在长期雨水渗透下是否会发生管涌破坏,须要首先判定其渗透破坏类型,若填料的渗透破坏类型为流土,表明填料不会发生管涌破坏,不须再进行填料的渗透稳定试验;若填料的渗透破坏类型为管涌破坏,则还须进行填料的渗透稳定性试验,进一步判定填料在雨水下渗时的渗透稳定性。

渗透破坏类型的判别根据《水利水电工程地质勘查规范》(GB50487—2008)[7]给出的无黏性粗颗粒土的渗透变形判别方法进行,该方法的基本要点如下。

首先,由公式(2)计算得到的几何平均粒径作为粗粒与细粒的分界粒径。

式中 d10——小于该粒径的含量占总质量土重10%的颗粒粒径,mm;

式中，bki（k＝1，2，…，Z；i＝1，2，…，5）表示k等级第i项主要因素的隶属度集中值，即加权平均值。

d70——小于该粒径的含量占总质量土重70%的颗粒粒径,mm。

然后,根据几何平均粒径的大小,即可得到试样中细粒的百分含量P,并按如下原则确定土的渗透变形类型。

(1)不均匀系数小于5的土可判为流土。

(2)对于不均匀系数大于5的土可采用下列判别方法。

流土:

过渡性取决于土的密度、粒级和形状:

管涌:

根据上述要点,填料的渗透破坏类型判定过程如下。

由图3中填料的级配曲线可得填料的d70=5 mm, d10=0.075 mm,根据式(2)可计算得到填料的粗粒与细粒的分界粒径为

根据式(6)的结果可知,试样中粒径小于0.61 mm的颗粒为细粒,相应的百分含量P为31.7%,根据式(4)可判定混合料的渗透破坏类型为过渡型。因此,须要通过渗透稳定试验进一步验证填料在雨水下渗时的渗透稳定性。

4 火山渣填料的渗透稳定性试验

式(7)与式(8)是土渗透稳定性的判别准则,可见,要判定出填料在雨水下渗时的渗透稳定性,须要测定出雨水下渗时的水力坡降值以及填料的临界水力坡降值。

式中 i——水在土体中渗流时的水力坡降值;

icr——土的临界水力坡降值。

4.1 雨水下渗水力坡降值的测定

由于路基面设有人字形的排水横坡,下雨时路基面难以形成较深的积水,雨水沿路基面的径流深度可近似为0,即认为雨水在路基中下渗时路基面的积水深度为0。据此,采用水头高度与试样上表面齐平(保证试样上表面的水深为0)的室内自由下渗试验模拟雨水在路基中的下渗现象,以测得雨水下渗时的水力坡降值i。

试验参照《水利土工试验规程》(SL237—1999)[10]进行。所用仪器是一套自制加工的垂直渗透试验仪(图4),填料的d85=8 mm,仪器筒内径D= 100 mm＞5×d85=40 mm,表明试样尺寸符合规范要求。

图4 自制加工的垂直渗透试验仪

图5是该仪器的结构示意,图中测压管1与测压管2之间的垂直距离l1为160 mm,试验时保持水头高度与试样的上表面平齐,水流由上至下自由下渗,每隔30 min测读1次水位与渗水量,当各参数基本稳定时,记录2个测压管的水头值,计算二者的水头差Δh,由式(9)就得到雨水下渗时的下渗水力坡降i。

式中 h1——测压管1的水头高度,cm;

h2——测压管2的水头高度,cm;

l1——测压管1与测压管2之间的垂直距离,为16 cm。

图5 垂直渗透仪结构示意(单位:mm)

由于现场路基的压实系数控制值为93%,因此,取试样的压实度控制值为93%。试验测定了试样在最佳含水率与饱和含水状态的下渗水力坡降值,试验结果如表1所示。由表1可以看出,试样在最佳含水状态下的下渗水力坡降为1.02,饱和状态下的下渗水力坡降为0.78,取1.02作为雨水下渗的水力坡降值。

表1 室内下渗试验结果

4.2 填料临界水力坡降值的测定

土体中的细颗粒在渗流作用下,开始从骨架颗粒的间隙中被带出时对应的水力坡降值称为土体的临界水力坡降。试样的压实度控制值仍为93%,试验仍参照《水利土工试验规程》(SL237—1999)[10]进行。

图6 渗透稳定试验过程

试验时,每隔30 min测读一次水位及渗水量,当连续4次测得的水位及渗水量基本稳定且无异常现象时提升水位至下一水头,直至试验结束,试验过程如图6所示。共进行了2组渗透稳定试验,试验结果如表2所示。需要指出的是,由于试样过程中将水力坡降加至9.12时仍未见试样中细粒被带出的现象,受试验条件的限制,即终止了试验。因此,表2中所给出的渗透水力坡降值要小于试样的临界坡降值。由表2可以看出,两组试样的渗透系数分别为4.52×10-4cm/s, 3.43×10-4cm/s,平均值为3.98×10-4cm/s,根据《水力水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)[3]给出的土的渗透性分级,如表3所示。试样为弱透水性土,其透水性与一般的砾石类土相当[11,12],表明火山渣颗粒内部呈蜂窝状的孔隙对土体的透水性质影响不大,水在土体中主要还是通过颗粒之间的间隙渗流;试样在水力坡降值加至9.12时仍未达到渗透破坏状态,表明试样的临界坡降值远大于雨水下渗时的水力坡降值1.02,可见,采用火山渣填筑的路基在雨水的长期下渗冲蚀下不会发生渗透破坏。

表2 渗透稳定试验结果

表3 土的渗透性分级

应该指出的是,世界各地的火山渣填料由于成因、地质环境等因素的不同,其颗粒内部蜂窝状孔隙体积所占的比例也各不相同,从而导致渗透特性的不同。由于本文仅针对颗粒内部蜂窝状孔隙体积比为18.6%的火山渣填料进行了渗透稳定性试验,因此,本文的结论只适用于颗粒内部蜂窝状孔隙体积比低于18.6%的火山渣填料,而对于颗粒内部蜂窝状孔隙体积比高于18.6%的火山渣填料,还须重新进行渗透稳定性试验,论证其渗透稳定性。

5 结论

长期雨水渗透下的渗透稳定性是火山渣砾石土重要的路用性能之一。运用《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487—2008)中无黏性粗颗粒土的渗透变形判别方法探讨了火山渣填料的渗透破坏类型;基于《土工试验规程》(SL237—1999)中渗透稳定性试验的原理,设计了用于模拟雨水在路基中下渗的室内自由下渗试验,论证了颗粒内部蜂窝状孔隙体积比为18.6%的火山渣填料在雨水渗透下的渗透稳定性。研究表明:火山渣填料的渗透破坏类型为过渡型,其颗粒内部呈蜂窝状的孔隙对火山渣填料的透水性质影响不大,由其填筑的铁路路基在雨水渗透下不会发生渗透破坏。

[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.

[2] 沈金龙.火山渣掺土在埃塞118公路项目底基层施工中的应用[J].科技视界,2012(9):180-181.

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[4] 李小安,金仁弼.火山渣混凝土空心砌块外墙片抗震性能试验研究[J].哈尔滨建筑工程学院学报,1994,27(3):18-23.

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[7] 杨福珍,黄清友,张建栋.火山渣在路基工程中的应用[J].内蒙古公路与运输,2006(4):24-27.

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[9] 中华人民共和国铁道部.TB10102—2010铁路工程土工试验规程[S].北京:中国铁道出版社,2011.

[10]中华人民共和国水利部.SL237—1999土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.

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[12]张云根.高速铁路基床填料物理力学特性试验分析[D].成都:西南交通大学,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

国家973计划(2013CB036204)

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