[发明专利]一种粗粒土土体内部稳定性的判定方法

说明书

一种粗粒土土体内部稳定性的判定方法，其步骤是：(1)对粗粒土填料进行颗粒分析试验，得到填料的级配特征粒径d3，并测定填料的含水率和颗粒密度；(2)按粗粒土填料设定密度压实后形成粗粒土土体，确定土体的孔隙率n，借助常水头渗透试验测定填料在孔隙率n下的渗透系数K；(3)根据粗粒土土体的孔隙率n和渗透系数K，计算得到其等效渗透孔隙平均直径D，(4)通过对比D与d3的大小，从而得到粗粒土土体在孔隙率n下的内部稳定性判别结果。该方法原理明确、操作和计算简便，利用常规的土工试验设备就能准确地判定粗粒土土体的内部稳定性，为岩土材料结构稳定性的评价提供可靠依据。

技术领域

本发明涉及一种土体内部稳定性的判定方法。

背景技术

岩土工程中将粒径d为0.075mm～60mm颗粒的质量，大于颗粒总质量50％的土称为粗粒土。粗粒土因具有压实性能好、透水性强、填筑干密度大、抗剪强度和承载能力高、沉降变形小等特点，在岩土工程中有着广泛的应用，如用于土石坝和路基工程的填筑以及软土地基处理中的换填材料。然而，粗粒土粒径组成分散、颗粒间孔隙大、粒间黏结力小，在渗流作用下伴随而来的是较差的内部稳定性，也即在水的渗流作用下容易出现渗透破坏问题，严重影响粗粒土的工程特性。为确保土工结构的安全与稳定，在工程设计时必须分析粗粒土的内部稳定性。

随颗粒级配和土体密实程度的不同，渗流作用下粗粒土土体的破坏表现为流土或管涌两种典型形式。流土是指在上升渗透水流作用下，局部土体表面隆起或颗粒群同时起动而流失的现象，多发生在颗粒间紧密结合、彼此有较强制约力、具有稳定内部结构的土中；而管涌是在渗流作用下，土中细颗粒在孔隙通道中移动并被带出土体以外，常见于细颗粒受到较小约束、具有不稳定内部结构的粗粒土。

目前，可通过《土工试验规程》(SL237-1999)中的渗透变形试验直观的确定粗粒土土体的内部稳定性。但其需要专门的试验设备和有经验的试验操作人员进行复杂的操作，且试验过程长。故无需进行渗透变形试验的理论判别方法显得愈发便捷和重要。

《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)中规定的判别粗粒土土体内部稳定性的方法为细料含量法：认为当细料质量含量P<25％时内部不稳定，渗流作用下表现为管涌破坏，当P≥35％时内部稳定，渗流作用下表现为流土破坏。但对于25％≤P<35％范围内的粗粒土，方法无法准确区分其内部稳定性，不能判定渗流作用下的破坏类型。

粗粒土填料内部稳定的判定及管涌或流土破坏形式的确定，可通过分析土中细颗粒能否沿渗流孔隙通道流失来实现。若土中渗流孔隙平均直径小于流失细颗粒粒径，说明土体发生的是整体性流土破坏，反之为管涌破坏。为计算不同颗粒组成和孔隙率下土中渗流孔隙平均直径的大小，当前通常将渗流孔道抽象成一簇簇相互平行的等直径毛细圆管，基于毛细管模型孔隙体积和管壁表面积分别与土体孔隙体积和颗粒表面积相等的原则，建立了孔隙体积-表面积等效毛细管模型的毛细管模型判别方法：通过毛细管径来表征土体孔隙平均直径的大小。但是，土中孔隙尺寸关系到土的渗透性，只有与土体渗透系数相等的毛细管模型才能真实反映土中孔隙的几何特征。孔隙体积-表面积等效毛细管模型未考虑土中实际弯曲的渗流路径对土体渗透性的影响，计算得到的孔隙平均直径偏大，模型渗透系数大于土体的实测值。同时，土中实际渗流路径弯曲程度越高，随渗流流失的细颗粒越容易遭遇较大弯曲段而发生淤堵，阻止颗粒的进一步流失，最终导致土体内部稳定性增强。可见，孔隙体积-表面积等效毛细管模型忽略实际弯曲渗流路径，也使得粗粒土填料内部稳定性的判定结果存在较大误差。

发明内容