陳 亮， 余 旺， 羅春木， 何健健

（1.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點試驗室，南京 210098；2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098； 3.國網(wǎng)常州市金壇區(qū)供電分公司，江蘇常州 213200）

管涌是指土體在滲流作用下細(xì)顆粒通過粗顆粒之間的孔隙而移動的滲透變形現(xiàn)象. 當(dāng)壩基受到滲流沖刷時，容易發(fā)生管涌侵蝕，管涌侵蝕增大土體的孔隙通道和滲透性，降低壩基強度，造成堤壩的發(fā)生，是大壩安全運行的隱患［1-2］.

由于管涌發(fā)生過程中不斷發(fā)生細(xì)顆粒流失，導(dǎo)致管涌后無黏性土的顆粒級配發(fā)生較大變化，甚至產(chǎn)生較大沉降，進(jìn)而影響無黏性土的力學(xué)特性［3-4］. 目前，已有學(xué)者研究無黏性土管涌發(fā)生后的力學(xué)性質(zhì)變化.其中，羅玉龍［5］認(rèn)為孔隙水滲流沖刷土骨架產(chǎn)生可動細(xì)顆粒，可動細(xì)顆粒跟隨孔隙水滲流運移流失，土顆粒重新排列、沉積，導(dǎo)致無黏性土細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性發(fā)生改變；Sterpi［6］利用常規(guī)三軸試驗儀器進(jìn)行管涌侵蝕試驗，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒的流失會逐漸改變無黏性土的抗剪強度，影響無黏性土彈性模量、內(nèi)摩擦角和泊松比；Ke 和Takahashi［7-8］通過室內(nèi)一維滲流方向自下而上的管涌試驗，發(fā)現(xiàn)細(xì)顆粒流失會導(dǎo)致無黏性土孔隙率、滲透性的增加，土體抗剪強度降低；Chang［9］等對管涌侵蝕后的無黏性土進(jìn)行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)在大量細(xì)顆粒損失后，土壤的峰值剪切強度降低，但是臨界狀態(tài)下的剪切強度隨著細(xì)顆粒的損失而略微增加；楊詠梅［10］利用自研管涌侵蝕—滲流—應(yīng)力耦合試驗系統(tǒng)，研究管涌過程中細(xì)顆粒流失量對無黏性土抗剪強度的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒級配對于散粒土管涌發(fā)生后無黏性土抗剪強度具有較大影響，無黏性土細(xì)顆粒越多，可以流失的細(xì)顆粒也越多，無黏性土抗剪強度變化越大；Chen［11］通過三軸壓縮試驗，在內(nèi)部侵蝕過程中采用了一種侵蝕控制的實驗方法來達(dá)到指定細(xì)顆粒的流失量，研究由于管涌而導(dǎo)致細(xì)顆粒流失后的土體應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在大量細(xì)小顆粒流失后，土體的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)從最初的剪漲行為轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N壓縮的行為.

前人研究管涌發(fā)生后無黏性土抗剪強度的方法多基于三軸壓縮試驗，而三軸試驗的儀器研制成本較高、操作較為繁瑣，與之相比，靜態(tài)貫入試驗有著儀器研制成本低、操作簡單的優(yōu)勢. 因此，本文通過自制貫入系統(tǒng)，對不同細(xì)顆粒含量試樣進(jìn)行管涌發(fā)生后的靜態(tài)貫入試驗，分析總結(jié)了無黏性土細(xì)顆粒含量、管涌過程中的水力梯度及細(xì)顆粒流失量等因素對無黏性土發(fā)生管涌發(fā)生后抗剪強度變化的影響.

1 試驗概況

1.1 試驗儀器

本文自制圓柱體管涌發(fā)生試驗槽，如圖1 所示.試驗槽的材料采用有機玻璃，以便于觀察試樣細(xì)顆粒運移情況，其高為50 cm，內(nèi)徑為140 mm. 在試驗槽的側(cè)壁從上到下每隔5 cm設(shè)置一個水壓力傳感器接口，共8個水壓力傳感器，編號從下到上依次為1～8，1號水壓傳感器距離試驗槽底部100 mm. 水流從下而上流過試樣. 為使水流均勻流入，在離試驗槽底部100 mm處設(shè)置隔水透板，并在高度的1/3 和2/3 處應(yīng)分別設(shè)置邊界控制環(huán)，配合裝樣時在側(cè)壁涂抹的凡士林一起防止試樣與模型接觸面上的優(yōu)先發(fā)生.

1.2 試驗材料

試驗材料由粗顆粒和細(xì)顆粒按4∶1的比例配比組成. 粗顆粒為粒徑2.0～8.0 mm 的細(xì)礫，在試樣中充當(dāng)骨架作用；細(xì)顆粒為粒徑0.075～0.25 mm 的細(xì)砂，充填在粗顆粒骨架形成的孔隙中. 本次試驗的各組試樣細(xì)顆粒含量最大為25%，均為管涌型土［12］. 按細(xì)顆粒含量的不同，把試樣分為4 組，編號分別為FC10，F(xiàn)C15，F(xiàn)C18，F(xiàn)C25，代表不同的細(xì)顆粒含量. 試樣級配曲線如圖2，配比參數(shù)見表1.

1.3 試驗過程

1）烘干試樣. 將試樣放進(jìn)烘箱烘干，溫度設(shè)為105 ℃，持續(xù)24 h，保證試樣干燥.

圖1 管涌發(fā)生裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of piping device

圖2 試樣級配曲線Fig.2 Sample grading curve

表1 試驗材料物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of test materials

2）制樣裝樣. 按粗細(xì)顆粒4∶1配制試樣；試樣分4 層分別裝入圓筒，每2～3 cm壓實，每層裝樣后用木槌輕輕擊實到一定厚度，為了保證每層土樣的孔隙比基本一樣，在厚度一定的情況下，使每層裝樣土料的質(zhì)量一樣，通過控制干密度間接保證每層土樣的孔隙比一致.

3）飽和試樣. 通過提高試驗槽裝置底部連接的水箱進(jìn)行供水，緩慢提升水箱，當(dāng)水箱水位略高過試驗槽頂部時固定，飽和24 h.

4）開始試驗. 從飽和水頭開始，通過提高水箱的方式，每3～4 cm緩慢提高一次水頭，每級水頭固定30 min，記錄每級水頭下試樣穩(wěn)定時的孔壓及流量，當(dāng)試樣表面出現(xiàn)大面積細(xì)顆粒堆積時，停止提高水頭，讓試樣在穩(wěn)定的發(fā)生水頭下不斷沖刷，當(dāng)細(xì)顆粒不再流失后，將水箱降至試樣飽和的高度，試樣穩(wěn)定后行進(jìn)行靜態(tài)貫入試驗.

2 管涌試驗分析

目前已有許多關(guān)于管涌臨界水力梯度的理論公式［13-15］，本文確定臨界水力梯度的方法是取細(xì)顆粒被輕微沖刷出時所對應(yīng)的水力梯度以及水力梯度與流速關(guān)系曲線的拐點時所對應(yīng)的水力梯度兩者中的較小值［16］，作為管涌臨界水力梯度.

圖3 為試樣管涌發(fā)生過程. 試樣飽和時（圖3a），試樣中的細(xì)顆粒保持穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生顆粒移動現(xiàn)象；隨著上游水頭不斷增加，部分細(xì)顆粒開始移動，從裝置側(cè)壁可以發(fā)現(xiàn)有輕微的細(xì)顆粒跳動現(xiàn)象，試樣頂面變渾濁；當(dāng)上游水頭到一定高度時（圖3b），試樣側(cè)面細(xì)顆粒跳動劇烈，頂面出現(xiàn)細(xì)顆粒跳動的現(xiàn)象，部分細(xì)顆粒運動至試樣頂面，并輕微堆積，此時的水力梯度為0.75；保持上游水頭不變（圖3c），隨著時間的增加，試樣頂面細(xì)顆粒大面積覆蓋，出現(xiàn)明顯的管涌口，形成集中滲流通道.

圖3 試樣管涌發(fā)生過程Fig.3 Piping process of samples

圖4為流速隨水力梯度的變化關(guān)系曲線. 在試驗剛開始時，水力梯度與流速近似線性關(guān)系，說明土體滲流穩(wěn)定，符合達(dá)西定律. 當(dāng)曲線斜率開始發(fā)生變化時，試樣頂面出現(xiàn)細(xì)顆粒跳動并輕微覆蓋的現(xiàn)象，對應(yīng)的水力梯度為0.22，小于試樣細(xì)顆粒流出時所對應(yīng)的水力梯度. 至此，試樣開始發(fā)生管涌發(fā)生，將此時的水力梯度定義為臨界水力梯度. 以此方法確定各組試樣的臨界水力梯度，見表2.

圖4 流速與水力梯度關(guān)系Fig.4 Relationship between velocity of flow and hydraulic gradient

表2表明無黏性土的臨界水力梯度隨著細(xì)顆粒含量的增大而增大. 這是因為，當(dāng)細(xì)顆粒含量不高時，無黏性土的滲透變形能力取決于細(xì)顆粒填充粗?？紫兜某潭? 細(xì)顆粒含量越少，粗?？紫短畛涑潭仍降停饺菀装l(fā)生滲透發(fā)生，反之當(dāng)細(xì)顆粒含量越高時，就越難發(fā)生滲透發(fā)生.

表2 各組試樣臨界水力梯度Tab.2 Critical hydraulic gradient of each sample

3 貫入試驗分析

貫入試驗所采用的儀器包括普式貫入儀和加載系統(tǒng)兩部分. 貫入儀采用普式貫入儀（圖5），可測定不同深度處土的貫入阻力. 普式貫入儀包括主機、探桿和探頭三部分. 測量范圍為0～100 kg（即0～1000 N）；測試深度為0～30 cm；精度≤0.5%.加載系統(tǒng)由手搖式千斤頂和反力裝置組成.

室內(nèi)靜態(tài)貫入試驗需要考慮尺寸效應(yīng)的問題，即試樣顆粒粒徑、貫入儀探頭尺寸及圓柱體試驗槽尺寸應(yīng)滿足一定條件，否則會影響試驗測試結(jié)果. Ke和Takahashi等進(jìn)行過相關(guān)方面的研究，發(fā)現(xiàn)松散狀態(tài)下的無黏性土受尺寸效應(yīng)影響很小，中密和密實狀態(tài)下的無黏性土受尺寸效應(yīng)影響較大. 本文貫入試驗的探頭直徑為10 mm，試驗槽直徑為140 mm，比值n=14，如圖6 中虛線所示，各組試樣Dr=0.3，因此本次試驗不需要考慮尺寸效應(yīng)的問題.

圖5 貫入儀器Fig.5 Penetration instrument

圖6 承載力系數(shù)與試驗槽直徑和探頭直徑比值的關(guān)系Fig.6 Relationship between bearing capacity coefficient and ratio of test tank diameter and probe diameter

為避免試樣發(fā)生擾動，使試樣發(fā)生后一直處于飽和狀態(tài)，利用貫入儀直接在原樣上進(jìn)行貫入試驗. 由于該貫入試驗具有較好的可重復(fù)性，且管涌發(fā)生后試樣頂面管涌口位置及試樣內(nèi)部管涌通道位置并非均勻分布. 因此，每組試驗均選取5 個貫入點，其位置分布如圖7所示. 貫入過程中應(yīng)連續(xù)、平穩(wěn)地?fù)u千斤頂扳手，保證貫入速度均勻，不可太快，每隔1 cm記錄一次讀數(shù).

圖7 貫入點位置Fig.7 Penetration point position

3.1 理論依據(jù)

已有研究理論將貫入試驗測得的貫入阻力與無黏性土的力學(xué)特性通過內(nèi)摩擦角進(jìn)行聯(lián)系，使貫入試驗測試結(jié)果能夠運用到工程上. 已有研究發(fā)現(xiàn)貫入阻力對砂土的剪切強度的影響大于壓縮系數(shù)［17］，因此，貫入試驗數(shù)據(jù)可為承載力理論提供合理的計算依據(jù). 根據(jù)已有研究，本文將承載力系數(shù)Nq和內(nèi)摩擦角φ與貫入試驗測得的貫入阻力P相關(guān)聯(lián)，計算方法如下：

式中：A1、A2為回歸系數(shù)；ΔP為貫入阻力增量；Δ σ′v為豎向有效應(yīng)力增量. 其中，豎向有效應(yīng)力增量可按下式計算：

式中：ρ′為土體浮密度，g/cm3；Δh為豎向高度增量，cm；Gs為土粒比重；n為孔隙率；ρw為水的密度，取1 g/cm3.

由于貫入試驗涉及的最大試樣滲徑長度為25 cm，按式（4）計算得試樣最大浮密度為1.27 g/cm3，計算得試樣頂面至底部的有效應(yīng)力增量為0.311 N/cm2，而貫入阻力在深度為15 cm以上時，均大于200 N. 由此可知，承載力系數(shù)Nq與貫入阻力增量ΔP呈正比關(guān)系. 根據(jù)已有研究資料［18］，回歸系數(shù)A1、A2均大于零. 由此可知，土體內(nèi)摩擦角φ與貫入阻力增量ΔP呈正比關(guān)系，而砂土的抗剪強度表達(dá)式，如式（5）所示，直接與內(nèi)摩擦角相關(guān). 因此，可通過貫入阻力的變化情況間接反映砂土的抗剪強度變化情況.

式中：τf為土的抗剪強度，kPa；σ為滑動面上的法向應(yīng)力，kPa；φ為土的內(nèi)摩擦角.

3.2 力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律

3.2.1 細(xì)顆粒含量的影響 為了研究試樣細(xì)顆粒含量對無黏性土力學(xué)性質(zhì)的影響［19-20］，分別繪制試樣未發(fā)生管涌和管涌發(fā)生后兩種工況下，不同細(xì)顆粒含量試樣的貫入阻力隨貫入深度的變化情況，如圖8所示.

圖8（a）為四種不同細(xì)顆粒含量試樣，在管涌發(fā)生前的貫入阻力隨貫入深度的變化情況. 由圖可知，試樣FC10、FC15 和FC18 的力學(xué)特性較為接近，而試樣FC25 在相同貫入深度處的貫入阻力明顯大于另外三組. 這是因為四組試樣的相對密實度均為0.3，土體處于松散狀態(tài)，細(xì)顆粒在土體中主要起填充粗顆粒形成的孔隙的作用，試樣FC25的細(xì)顆粒含量明顯高于另外三組試樣，其對應(yīng)的孔隙比最小，因此力學(xué)特性最好.

圖8（b）為四種不同細(xì)顆粒含量試樣，在管涌發(fā)生后的貫入阻力隨貫入深度的變化情況. 從圖8（b）中可以看出，管涌發(fā)生后試樣FC25在同等貫入深度處的貫入阻力變?yōu)樽钚?，而另外三組試樣較為接近；且與圖8（a）對比可知，管涌發(fā)生后，試樣FC10、FC15和FC18的力學(xué)特性變好，而試樣FC25的力學(xué)特性變差.

試樣FC10、FC15、FC18、FC25均為松散狀態(tài)（Dr=0.3），當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較大（FC≥25%）時，細(xì)顆粒在土體中除了起填充孔隙作用外，還起傳力介質(zhì)作用，管涌發(fā)生后，由于起傳力介質(zhì)作用的細(xì)顆粒的流失，導(dǎo)致土體變得更加松散，且孔隙比變大，因此土體在管涌后力學(xué)特性下降了. 若無黏性土細(xì)顆粒含量較少（FC≤18%）時，細(xì)顆粒只起填充孔隙作用，不充當(dāng)傳力介質(zhì)，所以管涌發(fā)生后，雖然細(xì)顆粒流失導(dǎo)致土體孔隙比變大，但其傳力結(jié)構(gòu)變化較小，且由于填充在粗顆?？紫堕g的細(xì)顆粒的流失，使得粗顆粒間發(fā)生相對移動時少了細(xì)顆粒的潤滑作用，因此土體在管涌后力學(xué)特性得到提升.

3.2.2 細(xì)顆粒流失量的影響 由于管涌發(fā)生過程中不斷發(fā)生細(xì)顆粒流失［21-23］，土體管涌發(fā)生后的總細(xì)顆粒流失量間接反映了土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況，對土體的力學(xué)特性有較大影響. 為了研究管涌后細(xì)顆粒流失量對無黏性土力學(xué)特性的影響，取每組試樣的五組貫入數(shù)據(jù)的平均值作為該組試樣的貫入數(shù)據(jù)，分別繪制各組試樣在管涌發(fā)生過程中，發(fā)生不同細(xì)顆粒流失時的貫入阻力隨貫入深度的變化情況，如圖9所示.

圖8 細(xì)顆粒含量對無黏性土力學(xué)特性的影響Fig.8 Effect of fine particle content on mechanical properties of non-cohesive soil

圖9 細(xì)顆粒流失量對無黏性土力學(xué)特性的影響Fig.9 Influence of the loss of fine particles on the mechanical properties of non-cohesive soil

由圖9 知，管涌發(fā)生后試樣的貫入曲線發(fā)生偏移，且偏移量和試樣的細(xì)顆粒流失量有關(guān). 其中，試樣FC10、FC15、FC18隨著試樣細(xì)顆粒流失量的增大，相同貫入深度處的貫入阻力也隨之增大；試樣FC25隨著試樣細(xì)顆粒流失量的增大，相同貫入深度處的貫入阻力逐漸減小. 即無黏性土細(xì)顆粒含量較小時，其貫入阻力隨管涌過程中細(xì)顆粒流失量的增大而增大；當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較大時，其貫入阻力隨管涌過程中細(xì)顆粒流失量的增大而減小. 其原因和3.2.1的分析一致.

3.2.3 水力梯度的影響 當(dāng)作用在土體上的水力梯度不同時，土體在管涌發(fā)展過程中各參數(shù)變化規(guī)律也將不同［24］，從而導(dǎo)致管涌發(fā)生后土體的力學(xué)性質(zhì)的不同. 為了研究作用在試樣上的水力梯度對該水力梯度下發(fā)生管涌發(fā)生后無黏性土的力學(xué)特性的影響，繪制各組試樣在不同水力梯度下發(fā)生管涌發(fā)生后的貫入阻力隨貫入深度的變化情況，如圖10所示.

圖10 管涌水力梯度對無黏性土力學(xué)特性的影響（i0為作用在試樣上的最大水力梯度）Fig.10 Influence of piping hydraulic gradient on mechanical properties of non-cohesive soil（i0 is the maximum hydraulic gradient acting on the specimens）

由圖10知，管涌發(fā)生后試樣的貫入曲線發(fā)生偏移，且偏移量和管涌時作用在試樣上的最大水力梯度有關(guān). 其中，試樣FC10、FC15、FC18隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大，相同貫入深度處的貫入阻力隨之增大；試樣FC25隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大，相同貫入深度處的貫入阻力隨之減小. 即無黏性土細(xì)顆粒含量較小時，其貫入阻力隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大而增大；當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較大時，其貫入阻力隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大而減小.

4 結(jié)論與展望

本文通過對不同細(xì)顆粒含量試樣進(jìn)行靜態(tài)貫入試驗，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對管涌發(fā)生后無黏性土抗剪強度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

1）無黏性土處于較松散狀態(tài)時，不同細(xì)顆粒含量試樣在管涌前的抗剪強度較為接近；管涌發(fā)生后，細(xì)顆粒含量較低的試樣的抗剪強度得到提高，而細(xì)顆粒含量較高的試樣的抗剪強度有所降低.

2）管涌后無黏性土的抗剪強度與管涌過程中的細(xì)顆粒流失量呈以下變化關(guān)系：當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較小時，其抗剪強度隨管涌過程中細(xì)顆粒流失量的增大而增大；當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較大時，其抗剪強度隨管涌過程中細(xì)顆粒流失量的增大而減小.

3）管涌后無黏性土的抗剪強度與管涌時作用在土體上的最大水力梯度呈以下變化關(guān)系：當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較小時，其抗剪強度隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大而增大；當(dāng)無黏性土細(xì)顆粒含量較大時，其抗剪強度隨管涌時作用在試樣上的最大水力梯度的增大而減小.

4）由于靜態(tài)貫入試驗存在尺寸效應(yīng)的問題，因此本文只針對較為松散的無黏性土展開研究，而對于中密和高密的無黏性土是否適用有待進(jìn)一步討論.