（地质工程专业论文）红层填料渗透特性及渗流作用下路堤稳定性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 红层泥岩是一种特殊岩土，具有抗压强度低、易风化、遇水易软化、崩 解、膨胀、填筑密实度对含水量很敏感等特点。伴随着国民经济的发展，在 红层软岩地基上修筑的土工建筑物越来越多。以红层作为填料，修建的土工 建筑物受到红层所具有的特殊水理性质的影响，容易引起很多诸如边坡溜坍、 路基翻浆、路堤渗流和路基滑移等工程地质问题。水的渗流作用是边坡稳定 的关键因素，本文以成南高速公路d k l 8 0 + 4 6 肚d k l 8 0 + 6 4 0 段的红层路堤边 坡为背景，对渗流相关参数、渗流自由面形态以及渗流作用下的路堤稳定性 进行研究。 通过室内渗透试验、自制l ，型相关模型试验测得在不同压实度下水平向 和垂直向的渗透系数，并根据达西定律等相关理论推倒出适用于该模型的计 算公式，得到水平向和垂直向渗透系数随着压实度的增加逐渐减小，验证了 该方法测定渗透系数的可行性。同一压实度下，水平向大于垂直向的渗透系 数，其比值在1 - - 4 之间，证明了由于施工的影响而造成填筑层面的存在，体 现了红层填料的各向异性。 利用f l a c 数值软件建模计算，在保持介质均匀各向同性条件下，渗透 系数和孔隙率大小、水头压力的变化、渗流路径的长短以及将介质视为各向 异性条件下，水平和垂向的渗透系数比值对渗流自由面形态和坡面出渗点位 置的影响。结果表明水头压力大小、渗流路径的长短以及水平和垂向的渗透 系数比值大小对其产生影响，而渗透系数和孔隙率的大小仅对渗流达到稳定 的时间产生影响。通过室内模型试验对其研究，进一步验证了f l a c 数值计 算分析的可靠性。 通过f l a c 软件对成南高速公路d k l 8 0 + 4 6 0 - 一d k l 8 0 + 6 4 0 段的红层路堤 边坡在是否考虑渗流作用下进行稳定性计算，结果显示不考虑渗流作用下， 路堤边坡安全系数f = 2 1 5 ，处于稳定状态；在考虑渗流作用下安全系数 f = i 1 9 ，降低了4 5 ，处于临界边缘，若加上外界因素诸如暴雨等触发因素 的影响下就可能会引起路堤的失稳破坏，因此渗流作用对路堤的稳定性有很 大的影响，在路堤的设计施工中应加以考虑。 关键词渗流，各向异性，渗透系数，模型试验，f l a c 数值分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t r e dm u d s t o n ei sas p e c i a lr o c k i th a ss o m es p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha s l o wc o m p r e s s i o ns t r e n g t h , s o f t e n i n g ，d i s i n t e g r a t i o n , d i l a t a b i l i t ya n ds e n s i t i v et ot h e r e c l a m a t i o nc o m p a c t i o nd e g r e ew h e nm e e t i n gw i t hw a t e r w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m y , m o r ea n dm o r ee a r t hs t r u c t u r ew a sc o n s t r u c t e do nt h er e d s o f tr o c k w i t ht h ei n f l u e n c eo fw a t e r - p h y s i c a lp r o p e r t i e so fr e dr o c ls o m e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e m s 卸l p e a r e ds u c ha ss l o p es l i d e ，s u b g r a d ef r o s t b o i l i n g a n de m b a n k m e n ts e e p a g e n es e e p a g eo fw a t e ri st h ec r i t i c a la f f e c t i n g f a c t o ro ns l o p es t a b i l i t y w i t ht h eb a c k g r o u n do fd k l8 0 + 4 6 0 嗽l8 0 + 6 4 0 s e c t i o no ff r e e w a yf r o mc h e n g d ut on a n c h o n g ，s e e p a g ep a r a m e t e r s ，f l e ef a c e s h a p ea n de m b a n k m e n ts t a b i l i t yu n d e rt h ea c t i o no fs e e p a g ew e r es t u d i e di nt h e p a p e r a c c o r d i n gt ot h ep c r m e a b i l i t yt e s ta n ds e l f * m a s t e r y l t y p em o d e lt e s t t h e c o e f f i c i e n t so f p e r m e a b i l i t yi nh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o na td i f f e r e n td e g r e e o f c o m p a c t i o n sw e r eo b t a i n e d b a s e do nt h ed a r e yl a w ，c a l c u l a t i n gf o r m u l af o rt h e m o d e lw a sd e d u c e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec o c i f i c i e n t so fp e r m e a b i l i t yi n h o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i r e c t i o nd e c r e a s e dw h e nt h ec o m p a c td e g r e ei n c r e a s e d , w h i c hv a l i d a t e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em o d e lm e a s u r i n gm e t h o d i nt h es a m e c o m p a c td e g r e e , t h ec o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t yi nh o r i z o n t a lw a sl a r g e rt h a ni n v e r t i c a l ，a n dt h er a t i oo fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lw a sb e t w e e no n ea n df o u rw h i c h s h o w e dt h ea n i s o t r o p yo f r e dr o c kf i l l i n gi n d u c e db yc o n s t r u c t i o n s o m er e s u l t sw e r er e c e i v e db yf l a cn u m e r i c a la n a l y s i sa sf o l l o w s w h e n t h em e d i ao fm o d e lw a si ni s o t r o p yc o n d i t i o n , t h ew a t e rh e a da n dt h el e n g t ho f p e r c o l a t i o np a t h , a n dw h e nt h em e d i ao fm o d e lw a si na n i s o t r o p yc o n d i t i o n , t h e r a t i oo fh o r i z o n t a la n dv e r t i c a lc o d 五c i e n th a dt h er e l a t i o n s h i pw i t ht h es h a p eo f s e e p a g ef r e ef a c ea n dt h es e e p i n gp o s i t i o ni nh i g hw a l l t h ec o e t i i e i e n t so f p e r m e a b i l i t ya n dp o r o s i t yj u s te f f e c tt h es e e p i n gt i m ew h e ns e e p a g ea c h i e v e da b a l a n c e r e s e a r c ho nt h e s er e s u l t sw a sd o n eb ym o d e lt e s tw h i c hv a l i d a t e dt h e r e l i a b i l i t yc a l c u l a t e db yf l a c s o f t w a r e t h e s t a b i l i t yo f e m b a n k m e n ti nd k l 8 0 + 4 6 m 。d k l 8 0 + 6 4 0s e c t i o no f f r e e w a y f r o mc h e n g d ut on a n c h o n gw a sc a l c u l a t e di nt a k i n gt h ea c t i o no fs e e p a g ei n t o a c c o u n to rn o tb y 月cn u m e r i c a la n a l y s i s i ts h o w e dt h a tw h e nt a k i n gn o 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 if 页 a c c o u n to ft h ea c t i o n , t h ef a c t o ro fs a f e t yw a s2 1 5w h i c hi ns t e a d ys t a t e , w h e n t a k i n gt h ea c t i o no fs e e p a g ei n t oa c c o u n t ，t h ef a c t o ro fs a f e t yw a s1 1 9w h i c hi n c r i t i c a ls t a t e i fc o n s i d e r e ds o m ee x t e r n a li n f l u e n t i a lf a c t o r ss u c ha sr a i n s t o r m ，t h e e m b a n k m e n tw o u l dd a m a g e s ot h ea c t i o no fs e e p a g eh a dag r e a te f f e c to nt h e s t a b i l i t ya n di ts h o u l db ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no fe m b a n k m e n t k e yw o r d ss e e p a g e ，a n i s o t r o p i e ，c o e f f i c i e n to fp e r m e a b i l i t y , m o d e lt e s t , f l a c n u m e r i c a la n a l y s i s 西南交通大学硕士学位论文第1 页 1 1 选题意义 第1 章绪论 水是影响路基强度和稳定性的重要因素之一，容易引起路基的 沉陷、坍塌、滑坡、翻浆冒泥等病害。已建、在建和拟建的成渝铁 路、宝成铁路、成昆铁路、广大铁路、内昆铁路、遂渝铁路、渝怀 铁路、兰渝铁路等铁路工程；成南高速、成雅高速、成渝高速、广 巴高速等公路工程中不可避免的遇到边坡溜坍、路基翻浆、路基变 形、基底渗流等问题。国内外学者针对水影响路基的稳定性作了很 多研究，提出了土工建筑物的修建要做好防水、排水设计等防治措 施，“以防为主，防治结合”，具体诸如路基原始地面下一定深度设 置地下排水系统( 管式盲沟) ，路堤一定高度内设置横向管式排水盲 沟，并建立完善的地表水排水系统，构成空间立体的排水系统，排 除地表水的入渗，削弱地下水的影响，在很多工程实践中取得一定 的成效，而本文研究的成南高速公路d k l 8 0 + 4 6 0 d k l 8 0 + 6 4 0 段的 红层路堤边坡却存在着特殊性。 该红层路堤边坡基岩为侏罗系遂宁组含2 5 2 7 8 钙质的泥岩、 砂岩，上覆一定厚度的红层粘性土。局部微地貌为圈椅形汇水地形， 上部冲沟水量较大，该段路基为高填方，填料为红层粉砂岩及泥岩。 该路堤边坡填高约1 8 m ，三级放坡，每级平台宽度为2 m ，坡脚高程 为3 0 0 m ，平均坡度3 4 0 。高填路堤地段原为该局部水文径流通道， 汇入线路右侧小溪。施工时因下伏软弱粘性土承载力不足，导致路 堤发生滑塌，采用悬喷桩+ 砂砾垫层+ 士工格栅+ 反压护道措施处治。 经现场调查发现，高填路堤堵塞地下水和地表水原有径流和排泄通 道，虽在线路左侧设置了排水沟和涵洞，对集中降雨或地表水的排 泄起作用，但线路左侧水沟裂缝和路基右侧骨架护坡中下部及地面 均有水渗出，现象表明排水设施对地下水的径流和排泄作用不大， 导致地下水在路基和基底界面以及填石路基体内部渗流、溶解带走 可溶的盐分如钙质成分，软化岩体，降低填石路基的密实度，随着 时间的积累，特别是该区域长期绵雨下渗，最终有可能导致路基边 坡整体失稳破坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 因此，渗流问题是路堤边坡稳定的关键因素。渗流改变了原有 地下水的径流路径和动力条件，通过确定渗流自由面的位置，可以 明确地下水在边坡中的赋存特性及其运动过程，有助于正确认识地 下水在边坡稳定以及变形中的应用。特别是伴随着国民经济的发展， 在红层软岩地基上修筑的土工建筑物越来越多，以红层作为填料， 受到红层所具有的特殊工程性质的影响，对红层地区的地下水的渗 流形态、运动过程以及渗流作用下路堤稳定性影响的研究就更具有 巨大的工程实际意义。 1 2 国内外研究现状 地下水是影响边坡稳定的重要因素之一，边坡的渗流问题是边 坡稳定的关键因素，据统计，约9 0 的自然边坡和人工边坡的破坏 与地下水作用有关，地下水作为边坡失稳过程中的诱发因素【i 】。基 于渗流理论，综合考虑各种因素的影响，对边坡的渗流研究必须选 择合适的渗流模型、渗流参数、边界条件及相应的计算方法。 1 2 1 渗流自由面 在岩土边坡、土坝、地下洞室及地下水运动等渗流分析中，均 存在有渗流自由面问题。迄今，用有限元法、边界元法及离散元法 等数值计算方法求解无压渗流时，最困难最复杂的问题之一。由于 渗流自由面的位置是预先未知的，属于混合边界问题，必须同时满 足d i r i c h l e t 边界条件( 第一类边界条件) 和n e u m a n n 边界条件( 第二类 边界条件) 。较为准确地确定渗流自由面，对于正确认识地下水在边 坡稳定以及变形中地应用，了解地下水在边坡中的赋存特性及其运 动过程等均是很有好处的，因此渗流面的研究是很有意义的。 求解渗流自由面传统采用的有限元法属于变网格法。由于渗流 自由面作为渗流域的自然边界面是待定的，是一个非线性问题，因 而需要迭代求解，随着迭代的不断进行修改自由面位置并调整网格， 直到自由面位置稳定为止，但当初始自由面假定不合理时，网络处 理就十分困难，变网格法也就相应存在一些缺陷。因此后来发展用 固定网格法来求解渗流自由面问题，固定网格法分为两种。 第一类是调整单元渗透矩阵法，如b a t h e 的单元渗透矩阵法埘， 王贤能等的高斯点法【3 l ，凌道盛等的虚节点法【】等。b a t h e 法在迭代 过程中把跨越自由面和自由面以上单元的渗透系数一律按实际渗透 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 系数的千分之一计算，与实际不稳合；王贤能根据高斯点的位置确 定高斯点对应的渗透系数，计算单个高斯点对渗透矩阵的贡献，对 所有高斯点求和得到单元的渗透矩阵；凌道盛等提出的有自由面分 析的虚节点法，其特点属于一种真正的固定网格法，对网格不作任 何改动，并能精确地描述跨越自由面单元的渗透矩阵，可同时使用 于平面渗流问题和空间问题。 第二类是调整流量法，如d e s a i 提出的剩余流量法嘲，张有天的 初流量法【l ，速宝玉的节点虚流量法m ，吴梦喜提出了虚单元法州等。 d e s a i 法通过计算自由面单元内过自由表面的流量来修改各节点的 势，直到过自由面的流量小于某一允许值为止。d e s a i 法的缺点是每 一迭代步需要计算出自由面的具体位置、自由面的面积以及法向流 量且工作量大；张有天的初流量法对d e s a i 法作了许多重大的改进， 并从理论上给出了完整的描述，但其对跨自由面单元的近似自由面 以下节点的高斯点不予计算，故计算精度不太高；速宝玉的节点虚 流量法由于无需确定计算过程中的近似自由面，故其精度一般较高。 虚单元法在处理有自由面穿越的单元时，节点的移动路径难以确定。 李珏【9 】等采用伽辽金t r e f f i z 间接法，对渗流自由面问题进行数 值模拟，并与试验结果进行比较，结果表明该方法有效，精度是满 意的。 b r e z i s t t e l 等将渗流控制方程扩展到整个计算区域，提出了 e p ( e x t e n d e dp r e s s u r e ) 法。j e a n | h i 应用有限差分法求解了此扩展的控 制方程。陆培毅1 1 2 1 等提出分段连续函数h 。( p ) q a 参数号取值为网络点 在y 方向上间距的一半更合理，并通过数值试验，将此方法的结果 与已有结果对比，证实改进后自由面光滑，溢出点位置合理，模拟 精度高。 邹振宇1 1 3 l 提出的变刚度法是将计算区域拓展为整个几何区域， 在迭代中通过改变刚度矩阵，逐步逼近真值来求解自由面，这种方 法克服了传统单元渗透矩阵调整法的不足，具有编程简单、计算效 率和精度高等特点。 葛锦宏【1 4 】等利用无单元法中积分网络和结点相互独立的优点， 提出了有自由面渗流的无单元法。无单元法是采用滑动最i i , - 乘法 来近似场函数的一种方法，已在很多领域得到应用。其节点可以随 机分布，且和积分网格无关，通过对待求节点在其影响域进行插值， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 可以建立场函数的高阶连续可导的近似函数，因此具有灵活和精度 高的优点。 陈洪凯1 1 5 1 等在进行三峡工程永久船闸边坡岩体渗流研究过程 中，提出了复合单元全域迭代法。复合单元全域迭代法( g l o b a l c o m p o s i t ee l e m e n ti t e r a t i o n ，简称c c e t ) 属于网格固定法，是基于对 已有网格固定法的分析而提出的，其本质是定义渗流自由面单元为 由渗流实域与渗流虚域共同组成的复合单元，并将复合单元的渗透 系数按虚域与实域的相对比例随迭代次数进行调整，具有程序处理 方便、计算结果精度高等特点。 金生 1 6 1 等采用空间有限元离散、隐式时间方法求解描述饱和非 饱和渗流场非线性抛物型方程，对复杂坝体自由面渗流的求解精度 高、计算方便。利用该方法对辽宁清河发电厂曹家沟灰场灰坝进行 了三维数值计算，计算结果与实测及水电比拟实验结果比较表明计 算结果是可靠的。 1 2 2 渗透系数 岩土体渗流参数的正确选取是渗流计算分析中的重要环节。数 字计算或模拟试验的精度再高，若选取参数不当也将导致计算分析 结果的不可靠，而使得渗流控制方案不安全或过于浪费。因此，渗 透系数的确定至关重要。影响渗透系数大小的因素很多，主要取决 于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，在水文地 质学上，有很多种确定方法，主要分为两类，一是室内实验测定， 还包括数值模型法、渗透系数的反演等；另一类是野外测定法，包 括渗水试验法、井中的s l u g 试验( s l u gt e s t ) l ”l 以及竖管测定法 ( s t a n d p i p et e s t ) t i n 。二者各有优缺点，现场实测法的优点是考虑到地 层结构及分布因素的影响，较为准确；但该方法又有其致命的缺点， 即耗时、费力、成本高、易受季节影响，因而使该方法的应用受到 限制，目前仅在一些大型工程或水源地评价中采用。普通工程投资 有限，工期短，现场实测渗透系数的很少，所以渗透系数的室内试 验方法是一个值得研究的问题。 郑木莲 2 0 l 根据常水头渗透试验原理研制出简单适用的常水头多 孔混凝土渗透仪，测试了混凝土在不同配合比时的渗透系数。 介玉新川等利用自制的室内渗透装置对某垃圾场的垃圾土进行 渗透试验，比较不同密度下的渗透系数的差别。试验结果表明渗透 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 系数随着密度的不同，在1 0 弓一1 0 4 c m s 之间变动。 迟宝明等利用竖管测定法来现场测定湖底沉积物的渗透系 数，结果表明湖底沉积物的渗透等级为极微透水。 j a h n s l 2 3 ) ( 1 9 9 6 ) 采用高斯牛顿方法识别岩土的渗透系数， a b b a s p o u 一：”( 2 0 0 1 ) 建立了基于共轭梯度法的非饱和渗流参数识别的 方法，盛金昌嘲采用序列二次规划法建立了三维天然岩体的渗流参 数反演方法并进行了工程验证。 徐蔚1 2 1 依据土石坝渗流场中各测点水位的实测值与计算值做的 最优化拟合准则，建立渗透系数的反演模型。并以青山水库主坝渗 流分析为例，将大坝概化为平面模型，利用其断面多个测点观测数 据，反演出大坝各个区域的渗透系数。分析结果与以往的勘测结果、 分析结果基本上一致。 徐洪1 2 7 1 等结合高等土力学中的渗流理论，采用速度分解方法， 推导出了渗透系数的普遍表达式，描述了渗流各向异性时总渗流系 数随流线方向的变化情况。 周敏【2 j 等应用神经网络模型来反演确定了边坡岩体的渗透系 数，并进行了有限元计算，编制了相应的计算程序。并以一大型露 天采场边坡为例，通过计算分析表明，水头预测值与观测值吻合， 为边坡的稳定性分析提供了依据，也证明了该法的有效性。 沈振中【2 ，】等应用最优化理论，提出了利用水头和渗流量等观测 资料反演岩土体渗透参数的可变容差法。该法在近似可行概念的基 础上，利用非线性单纯形法直接寻优，可以求解各类具有不同类型 约束条件的优化问题，计算效率有较大提高，可解决一般实际工程 渗流问题的参数反演问题。 1 2 3 渗流稳定性计算 渗流计算方法主要有解析法、实验模拟法和数值计算方法洲。 在实际的土坡稳定性分析中，往往习惯基于极限平衡理论的极限平 衡法，最常用的主要有瑞典圆弧法和毕肖普法等。但对于土质边坡 稳定问题，极限平衡法不考虑土体的应力一应变关系，所以对于比较 复杂的地质条件，用该法计算较困难。在具体工程实践中，地质条 件复杂，影响因素较多，并伴随计算机的快速发展，越来越多的学 者趋于采用有限元等相关软件来进行稳定性计算，其功能强大。特 别是有限单元法，基本上可以满足所有工程的计算要求。该法的优 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 点能适应所有复杂的工程地质条件，不需对地层进行太多的简化， 计算精度高，速度快。 焦永斌1 3 1 1 等用有限元方法对岳城水库土坝滑坡进行计算，根据 实际情况，按节点形成总体矩阵即可求解浸润自由面。再根据渗流 作用概念，将作用在滑动面上和划分土块的表面水压力转换为等价 的体积力，即把各节点的水头值换算成各单元渗透力。从而一次完 成在渗流以及其他外力作用下的稳定分析计算。经分析计算结果与 实际情况相符合 周荣福1 3 2 1 用2 d f l o w 软件来计算分析稳定渗流状态下的浸润线 的位置以及各点压力水头值。用户只需将断面尺寸、地基土层物理 参数、水头、边界条件等数据直接输入，就可以得到渗流流速矢量 图、浸润线等值线图、渗透压力水头数值表等直观易于理解的计算 结果。 熊政 3 3 1 等对a d i n a 软件在土石坝渗流场计算中的应用进行研 究，a d i n a 软件是基于有限元技术的大型通用分析仿真平台，将温 度场模块分析功能应用于渗流场的分析，并用死活单元技术，首先 假定自由面的位置，直接将处于自由面以上的单元网格“杀死”，只 “激活”处于自由面以下的单元网格，然后施加相应边界条件进行分 析；并根据计算结果调整单元的死活，相应修正边界条件后重新计 算直到达到计算精度，从而得到浸润线的位置，并进行渗流量等相 关计算。 许玉景【3 】等将a n s y s 软件温度场模块分析功能应用于渗流场 的分析，并用死活单元技术，通过迭代算法计算自由水面位置( 浸润 线) ，解决土坝渗流稳定问题的求解。该方法可以解决复杂边界、多 种介质的渗流问题，为工程应用提供极大的便利，通过实例验证该 法是可行有效的。 王向东 3 5 1 等利用f l a c - 3 d 程序对昆明东支线f d 2 边坡的两种 开挖坡率方案进行了数值模拟，其结果表明用f l a c - 3 d 程序分析土 质边坡的稳定性是可行的。 梁宁慧f 3 6 】等采用f l a c - 3 d 软件对岩质边坡建模进行稳定性计 算，探讨岩体渗透系数对边坡稳定性的影响。结果表明随着岩体渗 透系数的增大，孔隙水压力增大，边坡安全系数降低。 张奇华p 7 】等采用f l a c - 3 d 软件对某水电站右坝肩边坡岩体稳 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 定型进行计算，分析讨论了渗流对边坡稳定性的影响。 1 3 主要研究内容及技术路线 本文以成南高速公路d k l 8 0 + 4 6 0 d k l 8 0 + 6 4 0 段的红层泥岩填 料路堤作为研究对象，研究内容主要分为现场勘察、室内模型试验 和数值模拟计算三个部分。 1 3 1 现场勘察 对现场进行勘察，了解工点的实际工程概况，取某一断面进行 实测，得到地质断面并推测得出原始地形。分雨季和旱季两个不同 时期对现场进行多次勘察，调查路堤边坡出渗点的位置以及渗流量 的大小，判断流量是否受到季节性降雨的影响。在广泛收集资料的 基础上，结合现场调查获取基本的研究资料； 1 3 2 室内试验 室内试验分为两大部分： l 常规的室内试验 包括物理性质、力学性质以及室内渗透试验。通过这些常规的 室内试验，为模型试验以及相关计算提供参数。 2 模型试验 ( 1 ) 测定渗透系数的模型试验。依照野外测定方法中的竖管测定 法的原理来改进的“l ”型模型试验来测定红层填料在不同压实度下 的水平和垂直渗透系数，为现场工点工程实际问题提供相关参数； ( 2 ) 验证模型试验。通过对红层填料在不同压实度下和以不同介 质为填料进行模型试验来验证通过f l a c 数值软件对影响渗流自由 面相关因素分析结果的可靠性。 1 3 3 数值模拟计算 数值计算分为三个部分： 1 通过数值计算研究影响渗流自由面的相关因素： ( 1 ) 在保持水头压力不变，边界条件相同，视模型介质为均匀各 向同性的条件下，分别用f l a c2 d 软件来进行数值模拟计算，研究 渗透系数和孔隙率的大小对渗流自由面形态和坡面出渗点位置是否 产生影响； ( 2 ) 在保持边界条件和渗流相关参数不变的条件下，用f l a c2 d 软件来建模计算分析渗流路径的长短和水头压力大小对渗流自由面 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 和出渗点位置是否产生影响。 ( 3 ) 在保持水头压力不变边界条件相同，将模型介质视为各向异 性的条件下，用f l a c2 d 软件来研究介质的各向异性程度对渗流自 由面和坡面出渗点位置的影响； 2 用f l a c2 d 软件对现场进行建模计算，得到渗流自由面位 置，并与现场实测进行比较； 3 用f l a c2 d 软件分别对路堤在不考虑渗流作用下和考虑渗 流作用下进行稳定性计算，分析渗流作用对该路堤的稳定性是否产 生影响，从而为以后的设计提供指导。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章红层泥岩填料的水理特性研究 红层泥岩是一种特殊岩土，具有抗压强度低、易风化、遇水易 软化、崩解、膨胀、填筑密实度对含水量很敏感等特点。按照规范 要求其属于c 类不良路基填料，但在红层地区特别是山区的路基工 程建设受到众多条件限制，使得很多工程都需要以红层作为路基填 料，相应就带来很多诸如边坡溜坍、路基翻浆、路堤渗流和路基滑 移等工程地质问题。这些问题大部分都以水为触发因素，研究红层 泥岩填料的水理特性具有重要的工程意义。 2 1 红层泥岩的成分及结构 物质成分及土体结构是控制土体物理力学性质的重要因素，它 不但反映了形成环境，还从物质基础上影响着工程性质。不同物质 成分及其含量的变化对红层泥岩有较大的影响。例如，蒙脱石等粘 土矿物含量过高，就可能增加红层软粘土的膨胀性；可溶成份如芒 硝、石膏、碳酸盐等含量高，导致地下水、地表水的溶蚀，可溶成 分析出、引起填料结构破坏和渗透性的增加，引起路基渗流滑移问 题，降低路堤的长期强度。 西南地区红层泥岩主要的矿物成分有伊利石、蒙脱石等粘土矿 物、另含有较多的石英、方解石、少量含有长石、燧石、云母、石 膏、芒硝等。其化学成分以s i 0 2 、a 1 2 0 3 、f e 2 0 3 ，c a o 为主其中s i 0 2 含量占5 0 一7 0 、a 1 2 0 3 含量占1 3 一1 6 、c a o 含量占2 5 - 7 3 8 、 f e 2 0 3 含量占4 - 7 、其中游离f e 2 0 3 约为0 2 6 o 3 。红层泥岩微 结构主要有泥质结构、粉砂泥质结构、紊流状结构、架空结构，这 种结构特征从本质上决定了红层软岩的低强度性质。 2 2 红层泥岩填料的压实特性 为确定最佳含水量和最大干密度，为路基铺设提供压密参考依 据，本次选用g b 7 9 6 0 8 7 击实仪，操作依照g b t 5 0 1 2 3 1 9 9 9 土工 试验方法标准对在遂渝线取得的红层泥岩填料做击实试验，所得 结果见图2 - 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 681 01 21 41 61 8 啪 图2 1 红层泥岩填料击实曲线 从图中可知，红层泥岩填料的最佳含水量和最大干密度分别为 1 2 8 l 和1 8 5 5 k n m 3 。红层泥岩虽然矿物颗粒较细小，孔隙较小， 但孔隙度较大，含水量也相对较高，遂渝线红层泥岩的含水量在8 左右，孔隙度在1 1 2 5 左右，表明岩石内部的孔隙和裂隙是比较发 育的，这些孔隙和裂隙控制了水侵入岩石内部的路径，这为水侵入 岩石内部提供了良好的通道，成为岩石内部的薄弱部位。 2 3 红层填料的水稳定性 为了研究水对红层泥岩填料的影响，对细粒填料进行了不同压 实度下的c b r 试验，得到其随压实度变化曲线如下图2 2 所示： 图2 - 2 细粒填料c b r 值随压实度变化曲线 从上图中可以看出，随着压实度的增加，试样的c b r 强度呈现 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 明显增加的趋势。浸水前后c b r 值变化较大，其差值也随着压实度 的增加而增大，8 7 压实度时c b r 值降低了3 7 ，9 5 压实度时差 值达到5 3 ，1 0 0 压实度时则达到8 5 ，说明红层泥岩填料的水稳 定性较差，填筑密实度对含水量很敏感。 2 4 红层泥岩填料的崩解性 所谓崩解，即是在各种外界条件循环作用下，岩石或其他物质 体内产生裂隙，开始膨胀，连续发展，直至最后整体解体，强度和 其他性质发生强烈变化的一种现象。 红层泥岩的崩解是由于内部矿物吸水膨胀，失水收缩造成的， 红层泥岩主要的矿物成分有伊利石、蒙脱石等粘土矿物，而蒙脱石 是这些矿物中胀缩特点最为明显的一种矿物。而红层泥岩填料是红 层泥岩破碎后的碎块石土，其崩解是指人工压实后粒间结构的抗水 破坏能力。填料颗粒间的连结绝大部分为人工压实后的临时粘聚力， 而由压实产生的临时粘聚力依靠颗粒表面水的表面张力而互相保持 的一种临时结构，一旦接触了外界的水，在试样中就会出现多余的 水分，颗粒表面的水膜变厚，表面张力不再对颗粒有约束能力，颗 粒间的临时粘聚力迅速消失，造成了整个发生崩解。 2 5 红层泥岩填料的抗剪强度 对红层泥岩 l o e m s ) 的土，应用粒组范围大致为细砂到中等卵 石当土样的透水性较差时，由于流量太小，加上水的蒸发，使量 测非常困难，此时宜采用变水头试验测定k 值。针对红层这种特殊 性质的土，本次均采用变水头法来测定其渗透系数。在室内对不同 压实度下的红层软岩土的击实样分别做渗透试验，其测定结果如下 表所示： 表2 1 不同压实度下的渗透系数 压实度置孔隙比e 渗透系数h c m s ) 8 7 0 6 8 66 7 9 e - 0 5 9 0 o 6 3 l2 2 l e 0 5 9 3 0 5 7 8 7 2 0 争0 6 9 5 0 5 4 85 0 9 e 0 6 9 8 0 5 0 81 ，2 5 e - 0 6 由上表数据，可得： 图2 4 孔隙比与渗透系数关系曲线图2 5 压实度与渗透系数关系曲线 2 6 2 模型试验测定法 目前大多数的测定方法将渗流介质假定为均质并且各向同性， 因此得到的渗透系数都是一个综合值。如果岩土体各处透水性不同， 则对整个研究的流场来说即是非均质，若透水性沿各个方向不同， 就是各项异性的，因此均质土不一定必须是各向同性的。天然的岩 土，在不同程度上都有些非均质和各向异性。这种非均匀透水性构 成的原因主要是由于层理的存在以及其走向的不同，颗粒组成及其 结构上的不同，孔隙和裂隙的发育不均匀性等等。对于红层填料而 言，受到施工等相关因素的影响，在某种程度上具有非均质各向异 性，因此渗透系数分别在水平向和垂直向上的确定是必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 6 2 1 模型设计 本次采用“l ”型模型来测定水平方向的渗透系数。该模型由夹角 为9 0 0 的两部分组成，竖直部分为有机玻璃管，长1 4 0 c m ，内径5 c m ： 水平部分为钢板焊制而成的矩形槽，长6 0 c m ，宽1 0 c m ，高1 0 c m ， 两管由橡胶管连接，填筑土体部分长5 0 c m ，宽1 0 c m ，高1 0 c m ( 如 图2 6 、7 所示) 。 图2 - 6 水平渗透模型示意图图2 7 水平渗透模型实物图 在模型的水平槽中分层填筑，填筑完成后盖上密封垫圈，随后 盖上水平槽的盖子，并用防水密封胶和铁夹做进一步的密封，与有 机玻璃管相连。填筑试样的两端均设计成筛网形式，保证水全截面 进入试样，并在试样达到饱和后水能流出。在竖直玻璃管中注水， 通过观察竖直管中水位随时间的变化来计算红层填料的渗透系数。 2 6 2 2 渗透系数计算公式推倒 如图2 6 所示，令竖管中消耗水的体积为n 下降速度为m ，通 过试样的渗流量q ，渗流流速为屹，流经土样的渗流量取决于玻璃 量管中水位的下降，设经过出时间，竖管的水位下降砌，渗流速率 为d h d t ，单位时间内流经土样的渗流水量则为： q = ，i - i 一4 等 式中负号表示渗流的方向与水头高度h 增大的方向相反。 根据达西定律，流经土样的渗流量又可表示为： 矿= v 2 - a 2 = 4 吒i h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 而q 邛，则：以畦一4 警 a ld h ：一4 当 1 对等式两边分别进行积分： f 4 i d h = f 一4 吒詈 a , ( i n h , 一l n 啊) = 一4 ；l ( 岛一f 1 ) “ 屯= 最h 鲁 仁， 式中，毛一试样的水平向渗透系数； 厶一水平测管内填筑试样的长度； 4 ，4 一分别为竖管和试样的横截面积； ，一分别为竖直测管中f l 和f 2 时刻的水头值。 2 6 2 3 测定结果及分析 对红层泥岩填料控制在最优含水量，分别在k = 0 8 5 、o 8 7 、0 9 0 、 o 9 3 、0 9 5 、o 9 8 六种压实度下进行试验，试验时室内的温度为2 0 0 ， 相对湿度为5 4 。当压实度k = 0 8 5 、o 8 7 、0 9 0 、o 9 3 、0 9 5 、o 9 8 ， 分别经过大约1 5 小时、2 0 小时、2 8 小时、5 6 小时、6 8 小时、8 8 小时后，模型的一端潮湿，逐渐有水流出，在不同时间( o 下测得一 段的流量( n 如下图2 - 8 所示： 图2 8 不同压实度下时间流量关系曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 从上图中可以看出，压实度越大，相同时间内经过土体的渗流 量越小。当压实度k = 0 8 5 、0 9 0 、0 9 3 、o 9 5 、0 9 8 时，分别经过了 1 4 2 7 m i n ，3 1 6 1 r a i n ，4 7 8 8 r a i n ，5 7 8 0 m i n ，8 1 4 7 m i n 之后，测得通过 土体的渗流量与时间成线性关系，即此时渗流通道已经形成，渗流 速度趋于恒定，即渗流已经达到稳定。此时根据推倒公式( 2 1 ) 求得 红层泥岩填料在不同压实度的标准下，其水平渗透系数的平均值如 下表所示： 表2 2 不同压实度下的水平渗透系数值 压实系数 k = o 8 5k = o 8 7k = o 9 0j 【0 9 3k = 0 9 5k = 0 9 8 k h ( e m s ) 5 1 6 e 0 54 1 5 e 0 51 s 5 e 0 57 2 6 e 0 66 5 3 e 0 61 1 2 e - 0 6 将表2 - 1 和表2 2 中两种不同方法分别测得的垂直向和水平向 渗透系数综合如下图所示： 图2 9 不同方法测定的竖向和水平向渗透系数 从上图中我们可以看出，红层泥岩填料的渗透系数随着压实度 的增加逐渐减小。在压实度眨0 8 5 的压实标准下，两种方法测得的 竖向和水平向的渗透系数缸、岛 l o 。，这与粘性土的渗透系数变化 范围在1 0 - 3 一1 0 7 c m s 之间变动o s 相吻合；同时还可以看出同一压实 度下竖向和水平向渗透系数存在差异，表现出一定的各项异性。 2 6 3 改进的模型试验 从图2 9 中，我们可以看出水平和垂直方向的渗透系数存在差 异，但规律性不明显。人为的主观因素的影响不可避免，但其主要 原因是由于水平向和垂直向的渗透系数是由两种不同的试验方法测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 得，试验土样的大小和计算方法也有所不同。由室内渗透仪测得的 垂直渗透系数，试样高度h = 4 c m ，直径9 = 6 1 8 c m 而由模型试验 测得的水平渗透系数，试样长度l - - - - 5 0 c m ，宽度d = l o c m ，高度_ i l = 1 0 c m ，因此两者获得结果的可比性相对较差。 为了更进一步的研究红层填料的渗透特性，使在水平向和垂直 向测得的结果更具有可比性，作者对模型进行改进，用类似的模型， 同样的计算方法来分别测得水平向和垂直向的渗透系数。 2 6 3 1 模型设计 模型是在“l ”型基础上进行改进的，其竖直部分均为有机玻璃 管，长l o o c m ，内径5 c m ，在水平部分有所改变。如图2 1 0 、1 1 所 示，改进的水平渗透模型填筑试样的大小变成长l o c m 、宽l o c m 、 高l o c m 的一个正方体；垂直渗透模型的渗透主体分为三个部分， i 为进水部分，由一个底部为筛网形式的水箱组成，保证水以全截 面的形式进入土样；i i 为填筑部分，钢管高h - - - - 1 0 c m ，内径9 = l o c m ， 下部为筛网形式，以保证试样达到饱和后，水能顺利流出；为出 水端，制成一定的坡度，将流出土体的水汇集至出水管，测得流量 的大小随时间的变化，从而判断渗流是否达到稳定，进而得到其渗 透系数。三部分以螺纹连接，并用防水胶保证其密封性。试样分层 填筑，依照室内渗透仪测定渗透系数的原理，将水从下而上通过土 体。当进水管接，水垂直于填筑面进入土体，将测得垂直向渗透 系数；当进水管接，水平行于填筑面进入土体，则将测得水平向 渗透系数。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 水 亚 渗 透 水管 图2 1 0 改进渗透模型的示意图 图2 1 1 改进渗透模型的实物图 2 6 3 2 测定结果及分析 对红层泥岩填料控制在最优含水量，在k = 0 8 7 、0 9 0 、0 9 3 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 0 9 5 、0 9 8 六种压实度下分别进行试验，试验时室内的温度为2 3 0 ， 相对湿度为4 8 。当压实度k = 0 8 7 、0 9 0 、o 9 3 、0 9 5 、0 9 8 ，水平 渗透模型上端出水经历的时间分别为1 7 m i n 、3 6 r a i n 、4 9 5 r a i n 、 1 1 4 3 m i n 、1 2 7 5 m i n