不同粘粒含量土体管涌试验研究

尹子学，陈 亮*，蔡国栋，高明军，万 昱

(1.河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098；2.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

在中国，约31%的堤坝损伤与管涌有关[1]。管涌是土体渗透破坏的一种典型破坏形式，管涌导致的土体渗透变形可能引发基坑、堤坝等建筑物失稳[2-5]。国内外诸多学者都对管涌问题做了大量研究。Ke[6]等研究了土体初始细颗粒含量和土体临界水力梯度的关系，发现细颗粒含量越高，临界水力梯度越大，同时研究发现土体渗透破坏后土体强度发生明显弱化。Moffat[7-8]等研究发现外部施加轴向荷载时，土体的细颗粒流失会受到影响，土体渗透变形中轴向位移的大小受轴向荷载影响；改变土体中细颗粒部分的级配，可能会影响土体的渗透变形特性。陈亮等[9]进行了非稳定流下管涌发生发展的试验和理论研究，提出稳定流作用下土体的破坏水头高于非稳定流作用下土体的破坏水头的假想。何健健[10]等通过剃除法进行砂土管涌后的力学特性弱化规律研究，并从细颗粒流失量的角度出发，建立了修正的Duncan-Chang模型。袁涛[11]利用自主研发的加载式大型渗透变形仪，对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验，获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。

值得一提的是，防洪堤、防波堤等建筑的堤基土往往是粗粒与细粒共存、级配不连续的砂-粘土混合物[12]，因此有必要研究粘粒含量对管涌发生发展的影响。此外，管涌具有一定的空间结构性特点。土体发生管涌后，掌握不同深度土体的水力条件、细颗粒流失、力学特性变化情况，对制定针对性的修复方案具有重要的意义。本研究利用自行研制的管涌试验仪器通过向上管涌的方法对不同粘粒含量的土体进行了管涌试验。然后分别取发生管涌后的上、中、下层土体进行颗粒分析，之后按照颗粒分析结果进行重新配样并开展三轴压缩试验(CU)，分析不同粘粒含量试样管涌后上、中、下层土体的应力-应变曲线、峰值强度差异。

1 室内管涌试验

1.1 试验装置

试验装置结构为一维竖向渗流装置如图1(a)所示，主体部分为竖直有机玻璃圆筒，其内径为150 mm，高度为430 mm。竖直圆筒上部周围采用透明有机玻璃设置一道溢流槽。竖直圆筒侧面从上到下依次设置1、2、3号测压孔，用以测量不同高度位置土体的孔压。隔砂透水板的下部为高度100 mm的水流缓冲区，隔砂透水板上部240 mm高度的空间为试样装填区。按空间结构将试验土体分为上、中、下三层，如图1(b)所示。由于试验为竖直向上渗流，因此本文所定义的上层、中层、下层土体，若按照渗径方向划分，则分别对应下游、中游、上游土体。

图1 管涌试验装置图Fig.1 Equipments of piping test

1.2 试验材料

Richards等[13]在研究中指出，管涌往往发生于缺级配砾类土中。Kenney等[14]研究发现，对于缺级配土，如果细颗粒粒径小于d，粒径介于d与4d之间的颗粒含量很小，细颗粒可以在粗颗粒构成的骨架中移动，即土体可以发生管涌。根据这一结论，试验材料为粗颗粒和细颗粒组成的缺级配砾类土，其中粗颗粒为粒径2～6 mm的细砾；细颗粒包括砂颗粒和粘粒两部分，砂颗粒为粒径0.075～0.25 mm的细砂，粘粒为粒径0.001～0.005 mm的高岭土。试验材料相关物理参数见表1。各组试样的颗粒级配如图2所示。

表1 试样物理参数

图2 颗粒级配曲线Fig.2 Particle gradation curve

1.3 试验步骤

(1)试样制备：根据预设的细颗粒含量和填筑密度称取粗颗粒和细颗粒干重。先将细砂与粘粒混合均匀，然后再与粗颗粒进行混合搅拌，得到三等份搅拌均匀的土样(无粘粒试样略去细砂与粘粒搅拌的步骤)。

(2)装样：得到三等份土样后，按照图1(b)中所示，依次填装下中上三个土层。装填时分层装填击实，使土样装填均匀。

(3)试样饱和：装样结束后，采用低水头饱和的方法，缓缓提升上游水头对试样进行饱和直至试样中的水位刚好超过试样上表面，有少量水从试样顶部溢出，此时将上游水水头固定，对试样饱和24 h后再继续试验。

(4)管涌试验：按照每级2.5 cm的高度分级提升上游水头，每级水头停留10 min，当土体出现细颗粒流失时，待细颗粒停止流失时再提升水头。重复上述步骤，当试样流量出现大幅增加且土体出现大量细颗粒流失后，根据试验情况再继续提升几级水头，随后停止试验。

(5)细颗粒流失量统计：试验结束后分层取样，烘干后进行颗粒筛分并称量得到各层砂颗粒流失量及粘粒流失量。

(6)管涌后三轴压缩试验：按步骤(5)的颗粒筛分结果重新配样并进行固结不排水三轴压缩试验。

2 管涌试验结果分析

2.1 水力梯度与流速变化

随着上游水头的抬升，几组试样流速前期随着水力梯度的变大而变大;达到临界水力梯度后，曲线斜率先变小后变大，对应颗粒起动的过程，此时管涌已经发生[15]。试验过程中不同粘粒含量土体流速随水力梯度变化情况如图3所示。

图3 不同粘粒含量土体流速随水力梯度变化情况Fig.3 The velocity of soil varies with hydraulic gradient under different clay content

各组土体临界水力梯度及流速和细颗粒涌出时的水力梯度及流速如表2所示。管涌时，土体的粘粒含量越大，试样的临界水力梯度越小，细颗粒涌出时的水力梯度越小，流速越大。

表2 不同节点水力梯度和流速

2.2 细颗粒流失量

由图4可得，试样的细颗粒流失量呈现明显的空间结构性特点：细颗粒流失量沿着试验渗径方向逐渐变小，下层流失量最大，上层流失量最小。例如粘粒含量为25%时，试样中、下层的细砂流失百分比分别为17.5%、31%，而试样上层的细砂流失百分比只有4.25%。整个试样的细颗粒流失量与中层的细颗粒流失量相接近。

图4 不同粘粒含量下细颗粒流失情况Fig.4 The loss of fine particles under different viscosity content

从粘粒含量的角度看，粘粒含量的增加使得整个试样的砂颗粒流失量和粘粒流失量都随之增加。可见，粘粒对土体的细颗粒流失起到一种促进作用，粘粒更容易随渗透水流移动，携带粘粒的渗透水流对细颗粒产生一定冲击，粘粒也可能起到类似滚珠的作用，使细颗粒更容易在孔隙中移动。增加粘粒含量时，粘粒的促进作用增强。

3 管涌后的剪切试验结果分析

不同粘粒含量的各层试样应力应变曲线如图5所示。当轴向应变小于1.5%时，各条曲线几乎重合，剪应力随轴向应变增加速度较快；轴向应变大于3%时，各条曲线之间的距离逐渐拉开，曲线的斜率变化出现一定差异。各组出现峰值强度的应变区间在6.2%～7%之间，可见粘粒含量对试样达到峰值强度时的轴向应变无明显影响。随着粘粒含量增加，各层土体峰值强度均有降低趋势。此外管涌后土体的变形性质存在一定的空间结构性特点。渗透破坏后上层土体应变软化趋势与初始试样接近，应变软化削弱程度较低；渗透破坏后中、下层土体应变软化。削弱趋势较明显。由此可见，土层深度越深，砾类土的应变软化趋势越容易受到削弱。

图5 不同粘粒含量各层土体的应力应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of soils with different clay particle content

根据图5，得到不同粘粒含量下的各层土体峰值强度变化曲线如图6。初始试样是未经管涌破坏的试样，各组峰值强度分别为432、420、415、406、396 kPa。较Cc=0%，粘粒组峰值强度降低幅度分别为2.78%、3.94%、6.01%、8.33%，出现峰值强度的变化是因为在细颗粒含量不变的情况下，粘粒替代了一定质量的细砂颗粒，可见即使不发生管涌，粘粒含量的增加也会使得土体峰值强度降低。下层土体是管涌破坏最严重的土样，其各组峰值强度分别为399、377、370、335、319 kPa,较Cc=0%峰值强度降低幅度分别为5.51%、7.26%、16.04%、20.05%。相比于初始试样，发生管涌后，粘粒含量越大，土体峰值强度下降幅度越大。这进一步证实了粘粒对土样的细颗粒流失起一定的促进作用。粘粒含量越大，这种促进作用则越明显。

图6 不同粘粒含量下峰值强度曲线Fig.6 Peak strength curves of different clay contents

土体峰值强度随土层深度的增加而降低，是由于土体的渗透变形程度随土层深度增加而增加。由于细颗粒流失百分比与土层深度正相关。土层深度越深，细颗粒流失越严重，孔隙体积增加越大，土体结构越松散，导致土体渗透变形越严重，对整个土体的强度损失影响越大。

4 结论

1)含粘粒土样的临界水力梯度和开始发生管涌破坏时的水力梯度与粘粒含量呈负相关。破坏时流速与粘粒含量呈正相关。

2)管涌后的土体，土层深度越深，土体细颗粒流失量越大，土体的强度损失越大，土体应变软化趋势越不明显。

3)粘粒含量对土体细颗粒流失起到促进作用，使得管涌后含粘粒的土样强度损失更大。粘粒含量越大，这种促进作用越明显，强度损失越大。