高速公路浸水路堤渗透稳定特性试验分析

杨飞翔

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

1 概述

水在土体孔隙中的流动称为渗流，路基作为一种由散粒体岩土材料填筑而成的土工构筑物，水的浸入将导致填料的强度和路基结构稳定性下降。浸水路基是指坡脚或堤身常年处于设计水位以下的路基结构，通常处于水塘、内涝、滨河及水库等地段。现阶段关于浸水路基破坏的机理研究大多集中在路基边坡稳定性和车辆荷载作用下路基沉降变形方面，对路基填料本身的渗透稳定性研究较少。事实上，当路基两侧浸泡水位差较大时，路基整体将受到渗透水流的作用引起管涌或流土类型的渗透破坏，引起填料内部掏空或出渗口整体破坏，对路基的路用性能和安全性产生不良影响。

对土渗透破坏类型的研究主要是通过渗透试验或理论公式计算两种方法[1]。目前关于理论公式的研究成果尚不成熟，许多关于土体渗透破坏类型判别和渗透破坏临界水力坡降的研究都是根据大量试验得出的具有半经验性质的结论，不能分析判别自然界所有土类的渗透破坏类型，而土体的渗透变形试验结果能直观可靠的代表该类土渗透是管涌还是流土。因此，大多数关于土渗透破坏的研究都是采用试验的方法[2]。本文通过对高速公路路基粗粒土填料的渗透变形试验，分析填料的渗透破坏类型和临界水力坡降，判断路基在水的渗流作用下最不利位置处的渗透稳定性。

2 工程概况

杭兰高速公路某沿河浸水路基段设计高度为15.64 m，路基面宽度为26 m，设计正常水位6.6 m，单侧浸水。路堤边坡变坡点高度8.0 m，设有宽2 m的护坡道，其上下边坡坡率分别为1∶1.5，1∶1.75，路基下为不透水的黏性土地基(见图1)。

3 填料的基本物理性质

试验所用填料为冲积土，母岩主要成分为砂岩。按照JTG E40—2007公路土工试验规程[3]对该路基填料进行颗粒分析试验，得到填料的级配曲线如图2所示。填料粒径变化在0.1 mm～60 mm，不均匀系数Cu=16.94，曲率系数Cc=2.20，大于2 mm的部分占71.3%左右，填料类型属于砾石类土。由于冲积土具有明显的分选现象，图2中1 mm～2 mm粒径组处曲线呈水平段，该粒径组质量仅占总质量的1.6%。通过开展网篮法和容量瓶法，测得填料的颗粒密度ρs=2.48 g/cm3，采用重型击实试验得最大干密度ρd,max=2.12 g/cm3，最优含水率wopt=6.8%。

4 浸水路基填料临界水力坡降的测定

通常将粗粒土中的土颗粒按分界粒径划分为粗料和细料，粗料形成土体骨架，细料填充在骨架孔隙之中。在水的渗流作用下粗粒土通常会发生管涌或流土两种渗透破坏形式。管涌是指细料在土骨架孔隙中移动、流失的现象，表明细料受粗料骨架的约束程度较小，细颗粒很容易随渗流发生流失；流土主要为在渗流的作用下，渗流出口处局部土体整体浮动、流失的现象[4]，表示土中细颗粒受粗颗粒骨架约束程度较高，土体整体性较好，在达到某一水力坡降时粗料和细料同时随渗流发生流失。将开始发生管涌或流土破坏时对应的水力坡降称为临界水力坡降icr。因此，当土体实际承受的水力坡降J≥Jcr时，将发生管涌或流土的渗透破坏，J

4.1 填料的渗透变形试验方法

试验参照SL 237—1999土工试验规程[5]进行，所用垂直渗透变形仪如图3所示。仪器试样区高度450 mm、内径D=300 mm，底部侧壁设进水口、顶部侧壁设溢水口。由于渗透仪刚性金属侧壁与试样土颗粒呈点状接触，侧壁与土颗粒之间的孔隙明显大于试样内部土颗粒之间的孔隙，导致边壁附近的细颗粒受到的约束程度小于试样内部，试验过程中边壁附近的细颗粒容易随渗流发生流失，影响试验结果的判断。因此，为避免渗透仪边壁效应的影响，规范规定渗透仪内径应大于填料d85的5倍，且在制样过程中渗透仪内壁需要涂抹高塑性黏土或橡皮泥等柔性材料封堵边壁孔隙。从图2可知，试验所用土样的特征粒径d85=10.7 mm，渗透仪内径D=300 mm>5×d85=53.5 mm，渗透仪尺寸满足规范要求。

试样压实系数λ按0.93进行控制，即试样干密度ρd=2.12×0.93=1.97 g/cm3。将试验土料在渗透仪内按“体积-质量控制法”分层制样后，采用常水头自下而上进行饱和，以完全排除试样中的空气。试验中供水管连通渗透仪底部进水口，逐级施加水头使水向上流经试样从顶部溢水口流出。待渗流稳定后，测记测压管水位差、水温，并用量筒测读溢水口的渗流量，每次测读时间间隔为20 min。当连续4次测得水位及渗流量基本稳定，又无其他异常现象时即可提升下一级水头。试验过程中需仔细观察试样上表面是否出现颗粒跳动、表面隆起、开裂的管涌或流土现象，一旦发生管涌或流土，且渗流量显著增大，则停止试验。

4.2 试验结果分析

将试验中测得的各级水力坡降J和渗流速度V绘制在双对数坐标上，即图4中的lgJ-lgV关系曲线。试验结果表明，在水力坡降J较小段，J和V之间具有较好的线性关系，试验渗流稳定且符合达西定律；当水力坡降J=0.768时，试样表面出现两处雾状水流，澄清的水开始变浑浊，经过一段时间渗流后雾状水流停止；当水力坡降J=1.063时试样表面再次出现多处细粒跳动且跳动的粒径逐渐增大，但此时试样仍能承受一定大小的水头，渗透破坏通道还未完全形成；当水力坡降J=1.314时，渗流量随时间显著增大，试样表面冒水翻砂严重，表面已完全被细料所覆盖，此时试样达到渗流破坏。

表1为试验中试样表面出现显著现象对应的水力坡降。通过分析各阶段试验现象可知，试样承受的水力坡降J=0.768时试样内部的细粒开始被渗流水带出，取该级坡降和前一级坡降作为临界水力坡降Jcr，但此时试样随时间发展流量稳定，甚至能进一步承受更大的水头，直到水力坡降J=1.314时试样才发生破坏。因此，可以判定试验所用填料的渗透破坏类型为过渡型管涌。

表1 填料渗透变形试验结果

GB 50487—2008水利水电工程地质勘查规范[6]也给出了判定粗粒土的渗透破坏类型的方法：

1)确定土的不均匀系数和级配类型，其中级配类型分为级配连续型或者级配不连续型。所谓级配不连续型是指土的颗粒组成中至少有一个以上粒组的颗粒质量分数不大于3%，否则就称为级配连续型。

3)根据土的不均匀系数和细料热量分数P即可判定土的渗透破坏类型：

a.不均匀系数不大于5的土可判为流土破坏；

b.不均匀系数大于5的土,P≥35%为流土破坏，25%≤P<35%为过渡型管涌破坏，P<25%为管涌破坏。

本文中，由于填料的不均匀系数Cu=16.94>5，1 mm～2 mm粒径组质量仅占总质量的1.6%，故填料为不均匀土中的级配不连续型土，粗、细颗粒区分粒径d=1.5 mm，从图2可知细料质量分数P=29%。基于文献[6]中的方法，可判定填料的渗透破坏类型为过渡型管涌，与试验结果一致。

5 最不利位置渗透稳定性判定

根据工程经验和流网计算可知，单侧浸水路堤渗流最不利位置为背水坡与不透水地基面交点，该点渗流的水力坡降达到最大，路基填料最容易发生渗流破坏。为保证路基填料结构不随渗流发生典型破坏，该点处的水力坡降应满足：

(1)

其中，J为背水坡与地基面交点处的水力坡降；Jcr为填料的临界水力坡降；[n]为控制安全系数，对于管涌型土取1.5，流土型土取2.0；[J]为设计允许水力坡降。

参照GB 50286—2013堤防工程设计规范[7]中对于不透水地基上填筑均匀土堤的工况，在下游无水情况下，堤坡与不透水面交点处的渗流坡降Jb(如图5所示)可按式(2)确定：

(2)

其中，α为路堤边坡与水平面夹角；m为路基边坡坡率。

因此，该工况下浸水路基的最不利位置处水力坡降Jb=1/1.75=0.571，最后的验算结果见表2。分析表2可知，在单侧浸水路堤渗流最不利位置，土体承受的水力坡降0.571小于填料渗透试验测得的临界坡降0.656，但大于设计的允许水力坡降0.437，表明当前填料虽然不会在设计水位的渗流作用下发生渗透破坏，但安全储备不足，后期运营过程中存在出现管涌破坏的风险。因此，需在该处一定范围采取必要的防渗排水措施，防止填料中细料的流失而使路基结构破坏。

表2 最不利位置处渗流稳定验算结果

6 结语

浸水路基的渗流稳定性是影响其结构稳定性的重要因素之一。通过对杭兰高速公路某沿河浸水路堤填料的渗透稳定性试验，分析得出该类砾石土填料的渗透破坏类型和临界水力坡降。研究表明：填料的细粒质量分数为29%，渗透破坏类型为过渡型管涌，填料在出现管涌现象后仍能承受更大的水头，临界水力坡降为0.656，破坏坡降为1.275。根据GB 50286—2013堤防工程设计规范对渗流最不利位置处的渗流坡降计算，得出最不利位置处的渗流坡降为0.571，大于设计允许水力坡降0.437。填料将存在出现管涌型渗透破坏的风险，需采取一定的防渗排水措施。