砂砾土注浆结石体抗冲刷特性试验研究_孙勇.pdf
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1、第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023砂砾土注浆结石体抗冲刷特性试验研究孙勇1,牛建东1,陈康1,刘建新2,邱亮亮3,纪雨辰1(1.中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075;2.中南林业科技大学 涉外学院,湖南 长沙 410004;3.长沙恒德岩土工程技术有限公司,湖南 长沙 410075)摘要:砂砾土广泛分布于洪涝灾害多发区,而注浆是提高土体抗冲刷能力的一种常用方法,探明注浆对砂砾土抗冲刷特性的影响对于提高砂砾土路基的防洪
2、性能有重要指导作用。通过自行设计的动水冲刷试验台进行砂砾土注浆结石体动水冲刷试验,以颗粒冲刷流失率作为注浆结石体抗冲刷性能的定量评价指标,研究砂砾土注浆结石体在不同动水流速、含水率、注浆量以及养护龄期下的冲刷特性变化规律,并采用灰色理论分析动水流速、含水率、注浆量以及养护龄期与砂砾土注浆结石体颗粒冲刷流失率之间关联度。结果表明,冲刷的动水流速越高,砂砾土注浆结石体的颗粒冲刷流失率越高;砂砾土处于低水流速环境中时,增大注浆量可有效降低砂砾土的颗粒冲刷流失率;当砂砾土处于高水流速环境时,通过提升注浆量并不能有效提高抗冲刷效果;砂砾土注浆结石体在处于最优含水率时抗冲刷能力最强;随着注浆量的提升,结石
3、体抗冲刷能力不断增大,但增速逐渐降低,而留存结石体形态逐渐从不规则锥形体发展为椭球体,留存结石体的尺寸也在不断增大;随着养护龄期的增长,注浆结石体的抗冲刷能力有一定的提升,但增长速度逐渐降低趋于平缓;对砂砾土结石体冲刷流失率影响程度从大到小依次为动水流速、含水率、注浆量和养护龄期。关键词:砂砾土;注浆加固;抗冲刷特性;灰色关联分析中图分类号:TU472.6 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号:1672-7029(2023)03-0931-10Experimental study on scour resistance characteristics of grout
4、ing stone body in sandy gravel soilSUN Yong1,NIU Jiandong1,CHEN Kang1,LIU Jianxin2,QIU Liangliang3,JI Yuchen1(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.Swan Coll,Central South University of Forestry and Technology,Changsha 410004,China;3.Changsha Hengde Geotechni
5、cal Engineering Technology Co.,Ltd.,Changsha 410075,China)Abstract:Sandy gravel soil is widely distributed in flood disaster prone areas,and grouting is a common method to improve the ability of soil erosion resistance.It is important to explore the influence of grouting on the scour characteristics
6、 of sandy gravel soil foundation to improve the flood control performance.By water flushing test 收稿日期:2022-04-04基金项目:国家重点研发计划子课题(2018YFC1505403);企事业单位委托项目(SZYLKY2020002);大学生创新创业项目(2020105330013)通信作者:牛建东(1975),男,安徽淮南人,讲师,博士,从事注浆工程研究;Email:DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220647铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月b
7、ench for the gravel soil grouting concretion body dynamic water erosion test,particle flushing turnover as grouting concretion body anti-scouring performance evaluation indexes,the quantitative research on the gravel soil grouting concretion body on different water flow rate,moisture content,groutin
8、g quantity and maintenance under the age of anti-scouring feature change rule.The grey theory was used to analyze the correlation between the velocity of moving water,water content,grouting amount and curing age and the erosion loss rate of gravel grouting stones.The results show that the higher the
9、 flow velocity of scour water,the higher the particle scour loss rate of gravel grouting stones.When sandy gravel soil is in low water velocity environment,increasing the amount of grouting can effectively improve the anti-scour ability of sandy gravel soil and reduce the particle scour loss rate.Wh
10、en the sandy gravel soil is in a high water velocity environment,the anti-scouring effect cannot be effectively improved by increasing the amount of grouting.The anti-scour ability of gravel grouting stone is the strongest when the sand gravel soil is at the optimal water content.With the increase o
11、f grouting amount,the scour resistance of stone body increases,but the growth rate decreases gradually.The shape of retained stone body gradually develops from irregular cone to ellipsoid,and the size of retained stone body also increases continuously.With the growth of curing age,the anti-scouring
12、ability of grouting stone body increases to some extent,but the growth rate gradually decreases and tends to be gentle.The influence degree of erosion loss rate of gravel stones from large to small is the flow rate of moving water,water content,grouting amount and curing age.Key words:sandy gravel s
13、oil;grouting reinforcement;scour resistance characteristics;grey correlation analysis 砂砾土压缩性低,抗剪强度高,是一种优良的铁路路基填料1,但砂砾土分布区域往往是我国洪涝灾害高发区23。当发生强降水气候时,会对铁路路基造成冲刷掏蚀,可能会使路基局部被侵蚀掏空,导致轨道不平顺,甚至危害行车安全45,而注浆是工程实践中常用的土体加固措施67,探明注浆对砂砾土抗冲刷特性的影响规律对于提高砂砾土路基的防洪性能具有重要指导作用。学者们对土体的抗冲刷进行了一些研究。赵天龙等8开展宽级配土石料水槽冲刷试验研究,表明泄流条
14、件越好、颗粒级配越宽,土石料冲刷性能越差。黄健钧等9对淤泥质粉沙土进行封闭水槽试验,探究了土样高度、流速及含沙量等因素对冲刷率及冲刷系数的影响。高晓静等10研究了不同黏粒含量下黏土的冲刷特性,发现随黏性颗粒含量的增加,土体的冲刷特性由无黏性形式变为黏性形式。KIMIAGHALAM等11通过冲刷侵蚀测量仪器对黏性土进行研究,发现颗粒冲刷起动的临界剪应力与黏聚力和钠离子的吸附率有关。SINGH等12通过砂性土的清水冲刷试验,发现冲刷深度的发展速度随时间推移逐渐降低。国内外学者在土体冲刷特性方面的研究取得了大量有价值的成果,但是对于注浆后土体的抗冲刷特性的研究尚不足。针对上述问题,本文开展砂砾土注浆
15、加固体冲刷试验,分析不同参数对砂砾土注浆加固体抗冲刷性能的影响,为砂砾土路基防洪注浆加固设计与施工提供参考。1 试验概况与试验方案1.1试验装置说明试验装置为自行设计的循环动水冲刷试验装置,由循环动水泵送系统、明渠可视化水槽和冲刷流失颗粒过滤系统组成。试验装置如图1所示。循环动水泵送系统由高压水泵、PVC水管和水桶组成,通过PVC管将水桶底部与水槽进水口连接形成循环冲刷,可有效减少水资源的浪费,在一组冲刷试验完成后,进行冲刷水的更换,避免携砂动水持续冲刷土样影响试验精度。注浆结石体的冲刷过程在明渠长方体水槽中完成。水槽尺寸为2.5 m0.15 m0.15 m,由3块塑料板组成,塑料板之间通过橡
16、胶条进行密封;每块塑料板外侧用螺栓固定3块钢板,以防止塑料板932第 3 期孙勇,等:砂砾土注浆结石体抗冲刷特性试验研究变形。明渠水槽共分为 4个区域,消能段、整流段、过渡段是为了缓冲高压高速的水流,使其匀速流入试验段,试件在试验段进行冲刷。为防止试件被冲走,在距水槽出口20 cm处放置带有滤孔的挡板。水流流速通过便携式流速仪(LS300-A)测量,在试验开始前需先调节高压水泵水压,配合流速仪调节试验段水流流速,使其稳定在试验预设值,然后再放入试样进行冲刷。冲刷流失颗粒过滤系统由滤网和水桶组成,通过滤网对冲刷流失的颗粒进行过滤,防止土样流失的颗粒堵塞水泵。1.2试验方案本次研究用砂砾土取自湖南
17、省安化县资江河滩处,如图2所示。该处砂砾土属于级配不良土,级配曲线如图3所示,土样的基本性质见表1。将土样过 20 mm 筛,去除土体中的粗颗粒与杂质,将土样烘干,加水焖料,得到扰动土样。注浆材料为纯水泥浆,水泥为PO 42.5普通硅酸盐水泥,水为长沙地区普通自来水。水泥浆液的水灰比为0.6:1。采用空压机进行注浆,注浆压力为0.3 MPa。待注浆完毕后,将试样脱模,在标准条件下进行养护。制备的试样尺寸为70.7 mm70.7 mm70.7 mm。冲刷试样如图4所示。(a)设计图;(b)3D模型示意图;(c)实物照片图1循环动水冲刷试验装置Fig.1Circulating scour test
18、 apparatus图2取土现场Fig.2Site of test soil collection933铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月将试样养护至预定龄期后,对试样进行冲刷。冲刷前称重,质量记为m0。前2 min内每30 s记录1次流失颗粒质量,而后每隔60 s记录1次流失质量,直至连续2次记录的流失质量相差不超过1 g,即视为冲刷试验完成。将冲刷完成后留存的注浆结石体试样烘干,换算为原含水率下的试样质量m1。每种工况下试验3次,最终结果取平均值。定义颗粒冲刷流失率PLR(Particle Loss Rate)作为注浆结石体抗冲刷性能的定量评价指标:PLR=1-m1m0(
19、1)式中:PLR为颗粒冲刷流失率,%;m0为原注浆结石体试样质量,g;m1为经过动水冲刷后结石体试样质量,g。采用对比试验法探究动水流速、砂砾土含水率、注浆量以及注浆养护龄期对砂砾土注浆结石体抗冲刷性能的影响。试验动水流速v为1,2和3 m/s13,砂砾土最优含水率为11.9%,故选取含水率为10%,12%,14%和16%。注浆量以浆液充填率 FR(Filling Rate)来描述,FR为浆液体积与注浆对象体积的比值,试验选取5%,10%,15%和20%4种注浆量条件14,并设置未注浆砂砾土作为对照。注浆养护龄期 CP(Curing Period)为 1,3 和7 d。注浆结石体抗冲刷工况以及
20、试验结果如表 2所示。2 试验结果2.1动水流速对抗冲刷特性的影响冲刷的动水流速越高,试样的颗粒冲刷流失率也越高。在注浆量低于15%时,随着流速提高,颗粒冲刷流失率与水流流速近似呈线性关系,而当注浆量高于15%时,随着流速的增加,颗粒冲刷流失率的增长速度逐渐降低。不同流速条件下的颗粒流失率如图6所示。图3砂砾土颗粒级配曲线Fig.3Grain gradation curve of sandy gravel soil表1试验砂砾土基本性质Table 1Vehicle information for the initial calibration天然含水率/%18.9饱和含水率/%30.7塑限/%
21、16.8液限/%26.3塑性指数9.5相对密实度0.55最优含水率/%11.9最大干密度/(gcm3)1.69图4冲刷试样Fig.4Soil samples for scouring图5试样冲刷过程Fig.5Process of sample scouring934第 3 期孙勇,等:砂砾土注浆结石体抗冲刷特性试验研究2.2含水率对抗冲刷特性的影响随着试样土体初始含水率从10%提高至16%,颗粒冲刷流失率曲线表现为先减小再逐渐提高,最终趋于平稳。在含水率为 12%,即土体最优含表2 冲刷试验结果Table 2 Results of scouring tests试验分组1234567891011
22、12动水流速v/(ms1)111222222333含水率/%121212101214161212121212龄期CP/d137111137137颗粒冲刷流失率PLR/%FR-089.389.389.395.493.897.596.693.893.897.497.497.4FR-5%74.862.258.485.682.389.591.871.465.289.180.873.5FR-10%61.450.745.177.272.680.381.963.855.776.769.763.8FR-15%47.542.831.565.756.362.564.151.241.660.953.844.5FR-
23、20%36.931.624.757.649.854.054.442.737.553.045.439.6(a)=12%,CP=1 d;(b)=12%,CP=3 d;(c)=12%,CP=7 d图6不同流速条件下的颗粒流失率Fig.6Particle loss rate at different flow rates935铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月水率时,砂砾土注浆结石体冲刷流失率最低,即注浆加固体在土体最优含水率下的抗冲刷性能最佳。此外,注浆量越高,土体初始含水率对颗粒流失率的影响越低。不同初始含水率下的颗粒流失率如图7所示。2.3养护龄期对抗冲刷特性的影响在相同注浆量
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