路堤土降雨入渗响应的模型试验研究

1、第 34卷 第 3期 2010年 6月武汉理工大学学报 (交通科学与工程版 Journal o f Wuhan University of T echnolo gy(T r anspor tatio n Science &Eng ineering Vo l. 34 N o. 3June 2010路堤土降雨入渗响应的模型试验研究*收稿日期 :2010 01 21李 聪 (1985 :男 , 博士生 , 主要研究领域为岩土工程、 非饱和岩土体渗流稳定*交通部西部交通建设科技项目资助 (批准号 :200531874010李 聪(武汉大学土木建筑工程学院 武汉 430072摘要 :采用重庆环城

2、高速公路建设用土 , 在降 雨条件 下进行 了压实度 不同的 两组路 堤室内 模型试 验 , 分 析了不同加 载降雨过 程路堤土压 力、 变 形、 基 质吸力的 变化规律 , 总结出 降雨对路堤 的影响 位置、 深度和时效性等 . 通过试验观测发现 : 突然降雨或长期的暴雨对路堤土压力和变形有显著 影响 ; 路堤中部对降雨的响应有一定的滞后性 ; ! 降雨对 路堤的影响深度与填土的类 型和粒径 有关 ; 压实度越大 , 膨胀土的膨胀越明显 , 而路堤中吸力与含水量受降雨的影响越小 . 关键词 :路堤 ; 降雨 ; 试验 ; 土压力 ; 变形 ; 基质吸力 中图法分类号 :U 416. 1DOI

3、:10. 3963/j. issn. 1006 2823. 2010. 03. 030近年来 , 环境因素对工程可靠性与安全性的影响受到了国内外学者广泛的关注 , 如季节性温 度变化对道路、 大坝等开裂的影响 ; 降雨对各种边 坡稳定的作用等 .土的含水量控制着它的密度和强度 , 因此是 考虑路基土稳定性的关键因素 . 这种理论通常用 在道路铁道路基中 , 同时也广泛应用于大坝 ; 含水 量变大会加大滑坡的可能性 , 因为土体变重 , 孔隙 水压力增加 , 抗剪强度降低 .N. Randy Rainw ater 1等人在美国田纳西州 选定 4个地点埋设了全面的监测系统用于收集气 象、 路 基含

4、 水 量、 渗 透 和 温度 数 据 . P. D. Jack so n 2等人提出了一种采用电阻率来描述工程路 基土含水 量 分布 的 无损 试 验监 测 系统 . U. E. Sham y 3采用 Richards 公式模拟水流 , 假设土的 水力特性服从 Broo ks Corey 关系通过有 限元方 法研究了非饱和无限长边坡的降雨入渗响应 . 我 国的杨果林4 5等人针对 2种膨胀土 , 在不同排水边界条件和不同路堤边坡坡度条件下 , 模拟路堤在不同气候条件下 , 通过 8组膨胀土路堤模拟试 验 , 研究分析了膨胀土路堤中含水量、 土压力及胀 缩变形的变化规律 .本文通过人工降雨模型试

5、验分析了路基其他 3种指标对降雨的直接响应 . 作为路基工程材料 , 它的土力学特性及含水量变 化与压实度密 切相 关 , 并选择了压实度分别为 96%和 93%的 2组不 同模型试验 .1 模型试验简介试验土样取自重庆环城高速公路建设用土 . 依据 #土工试验规程 (SL237-1999 6, 结 合研 究目的进行了比重试验、 界限含水量试验 (试样土 过 0. 5m m 筛 、 击实 试验、 渗 透、 颗 分等常规 试 验 , 结果见表 1.模型试 验 在 模型 槽 (长 1850m m, 高 900m m, 厚 320m m 内建立路基结构模型 , 观测路基 在荷载和降雨反复作用下的变形

6、和应力变化 , 以表 1 重庆土样基本物理性质指标土 粒相 对 密度 液限 /%塑 限 /%塑性 指数 /%最优 含 水量 /%最大干密度 /(g %cm -3渗透 系数 1(96% /(cm %s -1渗透系数 2(93% /(cm %s -12. 712718. 38. 78. 422. 222. 1&10-74. 8&10-7及含水量的分布、 水分迁移规律、 路基变形和坡坏 形态 . 根据高路堤工程的实际特征设计并实施模 型试验 , 考虑到路堤对中心线的左右对称性 , 取对 称的一半作为原型 .本模型试验装置系统由模型槽、 加载装置、 降 雨装置、 土压力测试装置、 孔隙

7、水压力监测装置、 位移监测系统等构成 . 试验采用自行设计的杠杆 系统施加附加荷载 , 加载杠杆采用钢管制作 , 通过 铰接的方式与刚架相连 , 通过增减砝码的方式控 制荷载的大小 . 人工模拟降雨用 12mPE 塑料管 横穿于模型槽上方 , 并在模型槽上方接 3个喷头 , 通过简易雨量计装置控制降雨量 . 土压力测试采 用丹东三达测试仪器厂生产的 DYB 2型电阻应 变式微型土压力传感器结合 YT D 17静态电阻应 变仪测试土压力 . 土体中孔隙水压力监测系统为 测试负压的张力计 , 探头选用高进气值的陶瓷探 头 . 土 体 的 位 移 监 测 系 统 由 JLC 15J 型 读 数显微镜

8、联合测微百分表共同组成 . 图 1标出了 根据试验内容模型中需埋设的仪器与测点布置 , 模型 II 由于 设备损坏取消 了其中的 5#、 6#张 力计 .图 1 重庆土模型试验 示意图模型试验的内容及过程包括土样制备、 土样 装填、 仪器的准备与埋设、 加载与降雨、 读数记录 五部分 . 模型 I 采用最优含水量备土 , 分层击实至 压实度 96%, 分级加载至 33. 87kPa, 然后分 4次 降雨 ; 模型 II 备土含水量为 10%, 分层击实至压 实度 93%, 加载至 31. 88kPa, 然后分 3次降雨 , 详细的加载与降雨过程见表 2.表 2 重庆土模型试验加 载与降雨过程表

9、模型 荷载 /kP a 降雨量 /mm 加载 1加载 2加载 3加载 4加载 5降雨 1降雨 2降雨 3降雨 4I 5. 2812. 0818. 8725. 5433. 8753050150 I I 31. 8830501502 试验结果分析2. 1 路堤变形分析通过百分表观测与读数显微镜跟踪位移标来 获得路堤堤身与边坡变形的特征 . 百分表读数结 果见图 25.图 2 模型 I 靠近路中百分表读数随时间变化 图 3 模型 I 靠近路肩百分表读数随时间变化从图 23可以看出 , 模型 I 百分表的读数逐 渐变小 , 但随着降雨会出现短暂的并且幅度较大 的回升 , 这是由于雨水的作用重庆路堤土会

10、出现 瞬间的膨胀 , 在外荷载及排水的作用下 , 2d 内百 分表的读数又会回落到降雨前水平附近 . 在路肩 处第 1次降雨过后百分表的读数并未回到降雨前 水平是因为第 1次降雨量 5mm 非常小 , 路堤土 吸水膨胀后 , 短时间并未出现受荷向外排水的明 显固结过程 , 并且路肩受降雨影响显著 . 在靠近路 中处 , 百分表的读数随降雨有一定的滞后 , 当降雨 2的降雨量达到 30mm 时才出现了 1mm 的明显 上升 ; 随后的第 3次降雨对路中影响不大 , 第 4次 降雨量达到 150m m(暴雨 读数又有显著上升 . 从图 45可以看出 , 模型 II 第 1次降雨后 , 路堤沉 降速

11、率 显著 变大 , 短 时间 内 下降 约 0. 3 m m, 并且路肩对第 1次降雨的响应更快 速 , 1d 内就下降了将近 0. 3mm. 第 2次和第 3次降雨对 路堤沉降的影响并不显著 .比较两模型还可以发现 , 模型 I 是在加载稳 定一个月后降雨 , 并且填土压实度为 96%大于模 型 II, 因此 , 模型 I 路堤填土比模型 II 更为密实 ,吸水膨胀潜势更 高 , 相 反模型 II 的湿 陷潜势 更 大 ; 模型 I 在降雨条件下出现瞬时膨胀现象 , 而模 型 II 却一直处于下沉趋势 , 说明膨胀土压实度越 大对雨水的膨胀响应越明显. 图 4 模型 II 靠近路中百分表读数

12、随时间变化图 5 模型 II 靠近路肩百分表读数随时间变化由于仪器问题 , 深部位移标读数误差较大 , 在 此不一一列举 ; 路堤深部对雨水入渗的变形响应 还需进一步深入研究 .2. 2 路堤与边坡中的土压力分析 土压力试验结果表明降雨对路肩和路中下方 的竖向土压力影响不大 , 而在边坡下方埋设的 III 号土压力盒读数因模型 II 压实度较小随 降雨波 动较大 , 如图 67所示 .图 6 模型 II 中 III 号点竖向土压力随时间变化 图 7 模型 II 中 III 号点侧向土压力随时间变化模型 II 降雨开始后两天内边坡中 的竖向土 压力明显变小 , 下降 1kPa 后开始回升 , 而

13、后第 2次降雨竖向土压力有所下降但不明显 , 第 3次降 雨 150mm 时竖向土压力陡降将近 1. 5kPa; 因为 III 号土压力盒上方填筑高度不大 , 土体在竖向可 以自由膨胀 , 所以降雨导致土体膨胀使得由重夯 压实形成的强结构性得到了释放 , 从而导致土压 力减小 . 侧向土压力随降雨也有明显的波动规律 . 第一次降雨后侧向土压力陡增约 0. 7kPa, 然后 回落 ; 第 2次降雨侧向土压力增加 0. 3kPa. 这是 由于突然降雨出现的暂态水荷载来不及消散会使 土压力变化较大 , 而长期的暴雨 , 会使边坡发育较 多张拉裂隙 , 雨水快速渗入深部 , 土压力增大 . 当 第 3

14、次降雨量达到 150mm , 由于冲刷 渗透作用 边坡发生一定程度的浅层失稳侧向土压力骤降到 很小值 .2. 3 路堤与边坡中的基质吸力分析基质吸力与含水量关系虽不是一一对应的 , 但 单独的吸湿或脱湿过程吸力值与含水量呈单调变 化 , 因此吸力的变化能定性地反映含水量的变化规 律 , 2组模型的基质吸力的观测数据见图 8, 9.从图 8中可以看出模型 I 边坡上 1#4#测 点 的基质吸力最大值将近 80kPa,明显大于压实图 8 模型 I张力计各测点读数随时间变化图 9 模 型 II 张力计各测点读数随时间变 化度较小的模型 II, 随着雨水的入渗土体含水量增 大 , 基质吸力变小 .模型

15、 I 中 3#, 4#张力计在降雨过程中 , 读数 值下降 , 直到所有降雨完成至干燥期间才出现上 升 , 是因为坡脚处的水分自然损失很困难 , 因此坡 脚处采取良好的排水措施相当重要 , 1#, 2#张力 计读数在降雨期间会出现正负波动是因为边坡上 部的雨水蒸发和渗透比较容易 , 降雨之后的含水 率损失较快 , 而 6#张力计在整个试验过程中 , 基 质吸力最大最小值之差只有不到 30kPa, 这是因 为路中心线附近的土体含水量对降雨的响应有一 定的滞后 , 并且没有边坡的响应那么明显 .由图 9可知 , 模型 II 中第一次降雨 2#、 4#张力计读数就降为 0, 这是因为压实度越小 ,

16、基质 吸力与含水量变化受降雨影响越大 , 雨水越容易 入渗 .3 结 论1 突然降雨或长期的暴雨对路堤土压力和 变形有显著影响 , 所以应加强新建道路和暴雨期 间路面及边坡的排水措施 .2 路肩及边坡对降雨的响应明显并且迅速 , 路中土压力、 变形和吸力的变化有一定的滞后性 . 3 降 雨对 路 堤 的 瞬 时影 响 深 度 大 于 150 m m; 因为路堤中埋深不小于 150mm 的测点数据 都受降雨影响显著 . 但需要说明的是 , 重庆模型采 用的填土最大粒 径为 2cm, 且去 掉了土中的 页 岩、 泥岩 , 与现场的实际情况有差别 , 因此 , 这里得 出的降雨影响深度比现场小得多

17、.4 重庆环城高速公路建设用土吸力最大值 可能大于 90kPa, 而张 力计量测 范围限制 在 90 kPa 内 , 可采用更大量程的吸力量测仪器 .5 压实度越大 , 膨胀土的膨胀越明显 , 而路 堤中吸力与含水量受降雨的影响越小 , 雨水入渗 越困难 .参 考 文 献1Rainw ater N. Co mpr ehensive monito ring systems fo r measur ing subg rade mo isture condit ionsJ. T rans po rtation Eng ineering , 1999, 125(5 :439 443. 2Jackson

18、 P D. N on invasiv e moisture monito ring w ith in an ear th embankment a precur sor to failure J. N ET &E Internatio na l, 2002, 35:107 108.3Shamy U E. Numerica l study of r ainfall Infiltr atio n in unsaturated slopesC/P roceeding s of Sessio ns of Geo Denv er, Denv er, Co lo rado , U SA , 200

19、7.4杨果林 , 刘 义虎 . 膨胀土 路基含 水量在 不同气 候条件 下的变化规律模型 试验研究 J. 岩石力 学与工 程学 报 , 2005, 24(24 :4524 4533.5杨果林 , 黄 向京 . 不同气 候条件 膨胀土 路堤土 压力的 变化规律试验研究 J. 岩 土工 程学 报 , 2005, 27(8 : 948 955.6中华人民共和国水 利部 . (SL 237 1999 土工 试验规 程 S. 北京 :中国水利水电出版社 , 1999.Experimental Study on the Response of RoadEmbankment to Rainfall Infi

20、ltrationLi Cong(College of Civil Engineering , Wuhan Univ er sity , Wuhan 430072, ChinaAbstract :T he filled so ils coming fr om freew ay around city in Chong qing w ere used to simulate tw o ro ad embankments w ith different compactness in lab, w hich is under the condition of r ain infiltration. T he variation law s of earth pressure, deformation and matrix suctio n in