双层地基渗透破坏模型试验研究

双层地基渗透破坏模型试验研究

1堤基模型规划1998年长江洪水时，大坝上出现了许多危险因素，其中366个安全因素出现在大坝上，一些大坝坍塌。时至今日,大堤险情的分析多是现象描述,很少论及其发生的机理。文献曾对181个大坝险情进行分析,结果发现距堤脚50m范围内出现险情的概率为50%,100m内为70%,但其原因何在,不允许出现险情的范围有多大,并无答案。因此在指导大堤抢险与加固方面至今仍缺乏科学的论据。现有地勘资料统计结果表明,长江中下游及珠江的北江大堤80%以上的堤基是双层和三层结构。典型的双层地基,其上层土多为渗透系数10-4～10-5cm/s数量级的弱透水层,而下部多为10-1～10-2cm/s数量级的强透水层,两层土渗透系数的比值多数大于100,长江荆江大堤中闵家潭大堤就属这类典型的双层地基。渗流场的理论分析及实际观测结果表明,当两层土渗透系数之比大于100时,渗流场中水头分布的特点是,江水上涨后堤脚附近的弱透水层将承担60%以上的水头,比值越大承压水头越大,土层较薄时最容易达到破坏水力比降,而流土破坏。分析统计结果,堤基的渗透破坏多数出现在这类堤基。随着两土层渗透系数比值的逐渐减小,渗透破坏特征趋向于均匀堤基。本文模型规划是建立在双层地基渗流场渗流特性分析的基础上,紧紧围绕双层地基中形成承受水头的因子,将其分为k2/k1>100、50和<20共3种情况,以体现不同的承压状态,并能反映不同的地质结构。土料方面根据土的渗透稳定特性选用黏土、砂土及砂砾石3种类型,以分析堤基的渗透破坏机理与下层承压水头大小以及土层渗透变形特性之间的关系。最后将复杂的双层地基按土的组成细分为砂土与两种砂砾石互层以及黏土与砂及砂砾石互层两类4种情况,分别进行模型试验。从渗流场的特性而言,这4种模型基本上涵盖了自然界中双层地基的各种地质结构。2模型试验技术和设备2.1研究对象及问题的确定决定模型试验的主要因素是模型规划,其中关键问题是地层的分解和土料选择。双层地基同样地质结构复杂,研究工作者的首要任务是如何将其分解为几种典型地层结构,并分别描述其渗透破坏的发生和发展过程,最终解读双层地基的渗透破坏机理。根据什么原则分解双层地基,是当前需要探讨的问题,本文根据当前对双层地基渗流场特性及土的渗透稳定理论的研究水平,按下层形成承压水头大小的因子,以渗透系数为准则,将其分解为k2/k1>100、50和<20共3种类型。在土料的选择方面,目前砂砾石层取原级配土样的难度较大,所有的地质资料中地层结构均没有土的颗粒组成方面的资料,多数只给出了土名,少数给出了土的渗透系数。决定地基渗透稳定性的两大因素是水力比降和土体的渗透稳定性质。如果不考虑地基土的渗透稳定特性,双层地基的研究将是空中楼阁。决定无黏性土渗透稳定性的首要因素又是颗粒组成,由于没有土的颗粒组成资料,给模型试验中土料选择和模型规划带来很大难度,致使以往的许多模型试验及双层地基的渗透变形研究均未考虑土体本身的渗透破坏特性,即使是强透水层也选用中、粗砂,上部弱透水层选用不透水盖板上穿孔的模拟方法,其结果实际上是研究均匀砂层与盖板之间的接触渗透稳定问题。土的渗透稳定理论表明,对于不均匀系数大于5的砂砾卵石土,如果渗透系数大于2×10-2cm/s,它一定是管涌型土。颗粒组成的特点是其中小于2mm的细粒含量一定小于25%,这一理论为我们选择土料的颗粒组成提供了依据。管涌型土的渗透破坏水力比降远小于流土破坏的中粗砂,对渗透系数大于2×10-2cm/s的强透水层本文选用细料含量小于25%的砂砾石料。下层为管涌型土的地基,渗透破坏的发生和发展过程与流土型的砂土地基有何区别,最终控制渗透稳定的地层是上层还是下层,控制整个堤基渗透稳定的水力比降应如何确定,堤内不允许渗透破坏的范围多大等,至今很少看到专门的模型试验资料,因此本文的模型试验主要研究以下3个问题:(1)上下土层渗透系数之比大于100时,下层选用渗透系数大于2×10-2cm/s的管涌型土,这类堤基渗透破坏的发生、发展过程以及渗流控制的主要地层和水力比降;(2)上下土层二者渗透系数之比分别小于50和20时地基渗透破坏特征及最终控制渗透破坏的地层和水力比降;(3)上层曾经发生过渗透变形而未破坏的双层地基,江水位再次升高后堤基渗透破坏的特征,以此达到全面揭示双层地基渗透破坏机理的目的。2.2试验设备和试验配置(1)双向地基模拟试验采用砂槽模型,总长5.80m,宽0.65m,高0.80m,进口稳压室长0.65m,完全可以模拟半无限长的双层地基。模型槽一侧为有机玻璃,可以直接观察地基的渗透破坏特征,另一侧装有测压管,以量度地基不同部位的水头值。水压力是用移动式水箱逐级施加的,以模拟江水位的逐步上升过程。(2)堤底宽度及上层厚度以模型渗流场必须与原型相似的原则确定模型尺寸。原型大堤高度8.0m,上、下游边坡比为1∶3和1∶2.5,堤顶宽度6.0m,则堤底宽度为50m。若取模型比例为1∶40,则堤底在模型中的宽度为125cm。按照水力条件,双层地基中上层易出险情的厚度应当是小于堤的高度,否则上层不易出现破坏水力比降,按此原则模拟上层土的厚度以保证模型渗透破坏时模拟的水头条件与实际情况相类似。模型上游为垂直断面,以模拟河床深泓下切的不利情况。图1为砂槽试验模型示意图。(3)砂石细料/砂石的筛选试验土料必须保证选用原级配土。按文献提供的地层土性结构,堤基共选用5种土料。其中3种是强透水的砂砾料,渗透系数为10-1cm/s的数量级。根据土的渗透稳定性质及江河中下游沉积的砂砾石料常见的颗粒组成特点,选用缺乏中间粒径1～5mm的砂砾石,以2mm的粒径将其分为粗料和细料,其中细料含量分别为25%、20%和17%,试验结果都为管涌型土,易于渗透破坏。第二种为中砂,第三种土为低液限黏土。试验土料的基本性质列于表1及表2,颗粒组成曲线绘于图2。(4)试验组合及结果模型布置遵守两条原则,①土料一定是原级配土;②渗流场中的水头分布一定要反映双层地基的特点,即模型下层必须出现一定的承压渗流。对江河大堤已有地质资料分析结果,最后将双层地基细分为两类4种情况,试验组合列于表3。试验结果列于表4。2.3地基土壤条件及试验水头的设置(1)一般情况下,不饱和的堤身在短期内不会出现渗流,因而假定大堤是不透水的,用刚性盖板来代替。为防止试验过程中因地基的微量下沉引起盖板与砂基之间呈不良接触,引起盖板与砂基的接触冲刷,经过反复试验,最后确定每次试验时在盖板下先填一层约8cm厚的高含水率高塑性密实红黏土,试验过程中地基若有微量下沉,红黏土自行膨胀,保证与地基仍呈紧密接触。地基土料按级配要求专门配成,分层仔细填筑。填筑到要求高度后填上红黏土,夯实后压上刚性盖板并紧固于模型槽壁。(2)试验水头是分级逐级施加的,以利于测定临界水力比降。每级水头都要测读3次测压管水位及渗流量,稳定水位至少30min,若30min内测压管水位及渗流量呈变化趋势,延长观测时间,直到各项指标稳定后再升高水头。水头的升高值按等比级数逐级增大,出现异常现象后适当减小升高幅度。2.4试验结果分析(1)考虑双层地基渗流场的主要特点是两层土渗透系数之比大于20,下层处于明显的承压状态,渗流方向主要呈水平向,只有到堤脚后一部分渗流才接近垂直向从堤脚上部砂层中逸出,因而在水力比降的计算分析时下层强透水层采用水平向的平均水力比降,上层水力比降采用垂直向的平均水力比降的近似方法,对试验资料的整理与分析结果不会有较大误差。(2)从4个方面分析试验结果:①测压管水位与渗流量;②试验过程中目测的各种现象;③试验后模型开挖的结果,包括管涌通道的位置、大小描述及土层颗粒组成取样试验结果;④分析资料时采用布莱使用的平均水力比降的概念分层整理各层的水力比降,因为布莱概念现为工程普遍所采用。3砂层渗流土破坏试验结果分析试验编号为Ⅱ—1,上层为中砂,下层砂砾石层料2为管涌型土,两层渗透系数之比值为179。试验观测结果表明,渗流场中的水头分布与江河大堤实际观测结果相一致。当江水位上涨后整个砂砾石层处于承压状态,水头损失很小,到堤内脚只损失16%,上部砂层承受了84%的水头。(1)渗透破坏过程。当堤脚处砂层承受的垂直水力比降为0.8时,砂层局部地方开始有浑水逸出,并冒气泡,出现渗透变形,15min后渗水变清,渗流稳定。继续升高水头,距堤脚48m(模型是1.2m)薄弱处砂层流土破坏,穿孔直达砂砾石层,此时砂砾石层中的水平水力比降由0.021猛增至0.056,并开始管涌破坏,细颗粒由砂层的破坏处大量的不断流出地表,10min后,又在模型右侧距堤脚22m(模型尺寸是55cm)处砂层第二次流土破坏。随后稍微增加水头,砂砾石层承受的水力比降呈直线上升,并达0.078,管涌破坏加剧,同时,砂层的渗透破坏进一步向堤内脚发展。不久,在紧靠堤脚的左端砂层又有两处穿孔,翻水鼓砂。从此,远离堤脚22m处的管涌洞鼓水冒砂现象减轻,48m处的冒砂孔接近消失。以后水头不再增加,但砂层不断破坏,承受水头的能力继续下降,而砂砾石层中的水力比降却自行增加到J=0.09,如图3所示。砂砾石层中的细颗粒不断由堤脚的管涌洞带出,渗流量加大,砂层破坏进一步向堤外发展,并开始与堤身脱空。图4是堤基破坏图。(2)土层渗透破坏情况。试验结束后清除上部砂层,看到砂砾石层表面有一粗颗粒带,细粒全部流失,砾石外露,深约5～6cm。取3个样品,第一个在第三次管涌带的大堤堤脚处,第二个在距堤脚外30cm处,原型12m处,第三个在堤脚出口砂砾石层无明显冲刷地带,取样深度为土料最大颗粒粒径10cm。颗粒分析结果表明,第三个样品与原样颗粒组成基本一致,第二个样品的细粒平均流失8%,第一个样品的细粒平均流失5%,换算为5cm的实际高度,分别为16%和10%,表明砂砾石的破坏是由砂层第一次破坏处开始,然后向堤脚不断发展。试验前后的颗粒组成曲线见图5。(3)试验结果。模型试验再现了两层渗透系数之比大于100的双层地基的渗透破坏特征,试验结果表明:①这类地基的渗透破坏容易出现在弱透水层距堤脚较远的某一较薄处,地基被承压水顶穿后,其后果是为砂砾石层的渗透破坏提供了较远的渗流出口。当河水位进一步升高后,砂砾石层中的水力比降容易达到破坏水力比降,开始渗透破坏,并在砂砾石层上表面不断形成一条纯为粗颗粒的管涌通道,导致堤内砂层的穿孔破坏由远到近,不断向堤脚发展。地基破坏过程可概括为砂层流土—砂砾石管涌—砂层破坏不断向堤外发展。②砂层流土破坏前的水力比降与管涌试验结果相一致,J破坏=0.89;③砂砾石层中细颗粒不断流失时的水力比降为0.09,稍小于垂直管涌试验值0.20;④最终控制双层地基渗透稳定的主要因素是砂砾石层,因砂砾石层不断管涌破坏使砂层连续破坏,导致大堤溃决。若控制砂砾石层不渗透破坏,则上部砂层破坏后不会继续破坏,堤基只有渗透变形,而不会渗透破坏。与试验Ⅱ—1相比较,本方案的特点是江水位上涨后上部砂层在堤脚只承受63%的水头,而且向堤内方向很快递增,所以砂层的开始渗透破坏位置靠堤脚。(1)渗透破坏过程。当砂层水力比降增加到约为1.06时,堤脚处立即穿孔流土破坏,然后承受的水力比降骤降为0.75。与此同时,砂砾石层中的水力比降由0.05增大到0.10,出现细颗粒流失,渗流量增大。历经30min后,整个渗流场又处于稳定状态。继续升高水头,砂砾石层中的水力比降猛增到J=0.17,开始管涌破坏。55min后,紧靠砂砾石层上表面沿砂层中出现一条渗流通道,砂层与堤身之间出现脱空现象,渗流量骤增,水位下降,停止试验。渗流量与各土层承受的水力比降绘于图6。(2)土层破坏情况。试验后开挖检查发现,砂层中紧靠砂砾石层有一条弯曲的松土洞穴,由出口直达进口,进口宽8cm,中间宽25cm,高度10～12cm,如图7所示。洞中填满了比较干净的砂,挖出松砂后相应于松土洞位置的下部砂砾石层中看到细颗粒明显流失,但深度仅为2cm。由于取样深度必须是10cm,实测结果发现,砂砾石层中细颗粒的平均带出量仅为2%,2cm内的带出量实际将达8%～10%。颗粒分析结果表明,渗流通道中砂层的颗粒组成紧靠砂砾石表面明显变粗,小于0.25cm的细颗粒流失量达17%,表明发生层面接触冲刷。这一结果表明,由于砂砾石的细粒含量达25%,抗渗强度提高,砂砾石层上表面管涌破坏后接触带的颗粒变粗、孔隙变大,接触面的抗渗强度降低,随后引起砂层的接触冲刷,图8是开挖后在砂土层中的渗流通道,图9为砂砾石层表面渗流通道的颗粒组成。(3)试验结果。试验Ⅱ—2表明:①随着砂砾石层中细料含量的增多,渗透系数减小,上下两土层渗透系数的比值相应减小,因而砂砾石层中的承压水头减小。②当两层土渗透系数之比减小到50时,上部砂层承受的水头不仅明显减小,而且向堤内很快递减,所以流土破坏多半发生在靠堤脚附近。③上部砂土的破坏水力比降依然是本身管涌试验的破坏水力比降,砂砾石层中水平破坏水力比降J=0.17,略小于垂直破坏水力比降0.26。④表层砂砾石层管涌破坏后级配变粗,等效粒径D20与砂层d10之比高达70,由文献知,只要砂砾石层中的J>0.07,砂层就会产生接触冲刷。由于接触冲刷水力比降小于砂砾石层的破坏水力比降,因而地基的渗透破坏便由砂砾石层的管涌转向砂层的接触冲刷。整个破坏过程可概括为表层流土—砂砾石层管涌—两层土之间接触冲刷—砂层下部出现水平渗透通道。4cm整粒砂石层本试验进一步研究了两层地基渗透系数之比大于100的地层结构的渗透破坏性状。区别在于表层为黏土,并在距堤脚21cm,相当于原型8.4m处预设ϕ10cm直达砂砾石层的孔洞,以模拟黏土层曾经穿孔破坏,但整个地基仍未破坏,江水位再次上升的情况。砂砾石层选用了渗透系数k=7.5×10-1cm/s,小于2mm的颗粒含量只有17%的管涌型土,试验编号为Ⅱ—3。(1)管涌破坏社会主义法的机制本试验同时可阐明地基已设减压井,但井身无反滤保护下的渗透破坏特性。试验过程表明,尽管两层土渗透系数之比达389,由于黏土层已经穿孔破坏,砂砾石层提早减压,堤脚处黏土层只承受19%的水头。由于表层土已经穿孔破坏,砂砾石层中的水力比降随江水位上涨很快增大,而且渗流呈紊流状,当增大到0.2时,预留孔出浑水,开始出现渗透变形。当砂砾石层中的水平水力比降增加到0.37时管涌破坏,细颗粒连续不断地带出预留孔,并堆积在孔口外,孔口上游黏土层堤内脚的垂直水力比降显著增大达1.71。黏土层的破坏与试验Ⅱ—1相类似,由远处向堤脚发展,结果在孔口上游偏右侧堤脚处砂层重新穿孔破坏,大量渗流改向由新的破坏处集中流出,预留孔口失效。渗流量不断加大,经70min后,砂砾石层上表面5cm高度内的细颗粒基本流失干净,黏土层的整体破坏也由堤脚逐渐向上游发展,渗流变为泥浆,堤底与黏土层之间出现脱空,渗流量大增。图10为渗流量与水力比降的关系图。(2)细颗粒流失量的计算试验结束后揭开上部黏土层看到砂砾层中有一条通向进口、全为粗颗粒的渗流通道,宽约10cm,高度5cm,通道内全是砾石。取3个样品进行颗粒分析,以新穿孔洞上游侧的砂砾石层中细颗粒的带出量最多,10cm高度内细颗粒的平均流失量为7%,换算到5cm高度,带出量达13%,占总量的76%。图11为地基渗透破坏路径图,图12为砂砾石层的颗粒组成曲线。(3)砂石层的管涌破坏试验结果查明了以下问题:①黏土层的提前破坏使砂砾石层的减压,较早的分担了较大水头,但只有渗透变形而不渗透破坏,当J=0.37时砂砾石层才渗透破坏,大于原有抗渗强度0.19。②基本上是试验Ⅱ—1的重演。砂砾石层的管涌破坏导致黏土层的流土破坏由远处向堤脚方向发展,致使大堤与堤基相脱空。③整个破坏过程试验与Ⅱ—1类似,同样可描写为黏土层破坏—砂砾石层管涌—黏土层的破坏向堤内发展。5土层渗透系数研究由黏土层和砂层组成的地基,二者渗透系数之比只有15,主要研究两土层渗透系数相差不大的类型。这类地基的第一特性是下层砂层承压性状不明显,其次是下层土的渗透破坏形式多为流土型。试验编号为Ⅱ—4。(1)水力比降方面这类地基的渗透变形特性是当堤脚处的垂直水力比降为2.17时,出口土体局部隆起,高度1.5cm,出现裂缝,并逸出小股浑水,稍后水清;继续升高水头,拟将黏土层堤脚处的垂直水力比降升至3.0,未达到此值黏土层已经穿孔破坏,破坏水力比降约为2.5。此后黏土层承受的水力比降不断下降,但破坏从黏土层中继续向上游发展,渗流呈泥浆状,而砂层中的水力比降由0.87增加至1.50,未见渗透破坏。最后由于黏土层中的渗流通道与上游连通,渗流量骤增,停止试验。流量与水力比降的关系绘于图13。(2)砂层对土体的破坏拆除模型进一步观察破坏情况,发现黏土层与大堤接触面之间有一条很浅而断续的塌陷槽,上游段长35cm,下游段长55cm,宽10cm,中段30cm无塌陷,表明不是接触冲刷槽。塌陷槽下部土体仍然很硬,保持原状,往下一定深度为一条直径约6cm的孔洞,里面填满了松软土体,含水率很高。孔洞出口有10cm长度与砂基相毗邻,其它地段位于黏土层中,砂与黏土之间接触良好。出口堆积的全部是土粒。堤脚处的砂层比试验初期上拱高度4.5cm,但未流土破坏。图14为地基渗透破坏情况示意图。(3)地下水流土破坏机理试验结果表明:①由于两层土渗透系数之比只有15,渗流场中水头的分布特性与均匀地基相接近;②对于两土层渗透变形均为流土型的双层地基,尽管下部砂层承受了较大的水力比降,渗透破坏仍然开始于上部黏土层。黏土本身流土破坏水力比降可按文献确定,计算结果JKP=2.48,与模型试验实测值2.50相一致;③因下层砂土渗透变形型式为流土型,只要上部稍有压重,破坏水力比降将会明显提高,因而当承受的水力比降高达1.50时,土体只有变形而不会渗透破坏;④这类双层地基出口流土破坏后,向上游发展的途径主要在上部黏土层。黏土层中形成管涌通道的水平水力比降为1.5,为垂直破坏水力比降的0.6倍。⑤整个破坏过程可描写为黏土层流土破坏—流土呈水平向发展—黏土层中出现渗流通道。6堤基的渗透破坏机理本文根据双层地基可能出现的各种渗流特性,按土的渗透系数及渗透变形特性,将复杂的双层地基分解为4种类型,基本上反映了双层地基的全部地层结构。分别进行模型试验的结果查明了江河大堤双层地基中最危险的地层结构以及渗透破坏原因与土的渗透破坏型式之间的关系。(1)江河大堤的双层地基,出现最多最典型也是易出险的地层结构是上层较薄的弱透水层,下层又是渗透系数为10-1～10-2cm/s量级,渗透破坏型式为管涌型的强透水砂砾石层。这种地层结构的特点是k2/k1>100,江水一旦上涨,80%左右的水头将由上部土层来承担,上部土层较薄时,最容易引起流土破坏。二是上部流土破坏后下部砂砾石层中的水力比降很容易达到破坏水力比降,容易渗透破坏。江河大堤堤基的渗透破坏多数就出现在这种地基中。(2)两层渗透系数之比大于100的双层地基,渗透破坏的机理是上部较薄的弱透水层无论是黏土或砂土往往在距堤脚较远的较薄处流土破坏,使下层砂砾石有了渗透破坏的渗流出口,同时导致砂砾石开始承担较大水头,当水力比降超过允许水力比降后,细颗粒将由上部破坏处连续不断向外流失,并呈水平向向上游发展,形成纯砾石层的集中渗流通道。砂砾石层中出现集中渗流通道的后果造成上部土层的流土破坏由远到近不断向堤外发展,使大堤底部脱空而失稳。砂砾石层不渗透破坏,