【正文】 3．管涌的臨界坡降與破壞坡降 對流土來說，當(dāng)滲透坡降達到某一定值時，滲透力等于土體在水中的自重，該土體處于極限平衡狀態(tài)，很快破壞，表現(xiàn)在試樣中，可以看到土體浮動，顆粒群同時起動，或者是土體先行膨脹，緊接著有隆起或斷裂等現(xiàn)象，最后突然崩潰。因此，流土的臨界坡降是較易確定的。 對管涌而言，其變形有一個發(fā)展過程。先是填料中最細一級顆粒開始跳動，這是由于該級顆粒處于平衡狀態(tài)，由靜止轉(zhuǎn)化為運動，此時的坡降叫臨界坡降，這是管涌的第一個階段。這個臨界坡降指標(biāo)表明了試樣內(nèi)部某處開始起了變化。順便指出，在鑒別管涌顆粒的跳動時，要把那些由于氣泡沖動的顆粒及水箱上升時，由于水流慣性力沖動的那些暫時跳動很快又停下來的顆粒區(qū)別開來。但是也有些顆粒跳動一段時間后，由于該處水力條件的改變而停下，而在別處又出現(xiàn)跳動，這種情況應(yīng)是管涌。隨著水頭的增高，細粒流失的部位增多，流失的粒徑也增大，試樣的滲透性也加大，并且出現(xiàn)若干通道；在儀器中可以看到有較多的細粒從孔道中被帶走，或不停地回漩；而上游測壓管水位上升緩慢，這個階段是管涌的第二個階段。它只是量變的程度有所增加，有人稱此階段為局部破壞坡降，但它沒有明顯的界限可以標(biāo)志。隨著水頭不斷升高，試樣破壞的程度加劇，各孔隙管道相互串通，細顆粒流失量大量增多，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生質(zhì)的變化，滲流量增大，上游測壓管水位升不上去，是管涌發(fā)展過程中的第三個階段，也是最后階段，其相應(yīng)的水力坡降稱為破壞坡降。 管涌過程的各個階段，在i～v關(guān)系曲線上表現(xiàn)為：當(dāng)?shù)谝粋€階段接近終了時，斜率為1的直線段發(fā)生轉(zhuǎn)折，到達管涌臨界坡降，管涌過程進入第二階段。這時i～v直線與橫軸成某一角度繼續(xù)上升。在經(jīng)歷一個過程中，到達第三階段，此時i～v曲線的縱坐標(biāo)i值隨v的增大而減小，此轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的坡降值為破壞坡降。綜上所述，對管涌的鑒定，應(yīng)以i～v曲線為主，并結(jié)合目測。順便指出，有一些砂礫料，在i～v曲線發(fā)生轉(zhuǎn)折后，即使水頭不再上升，或稍許上升，其流量卻很快增加，i～v曲線升不上去。也有另一類型的砂礫料，盡管供水箱上升到頂點（試驗條件所限），i～v曲線卻仍不下降。 4．滲透系數(shù)k值的計算 在試驗過程中，是按k=v/i公式計算滲透系數(shù)的。應(yīng)該指出，這是層流滲流的線性關(guān)系式。當(dāng)45176。的i～v關(guān)系曲線轉(zhuǎn)折后，滲流流態(tài)已屬于非線性規(guī)律，因此不能按此式計算。五、反 濾 層 試 驗 的 說 明 1．反濾層試驗中應(yīng)注意的事項 （1）首先需了解地基及料場的地質(zhì)剖面圖，掌握地基土的特證及料場的貯藏量。 （2）根據(jù)已選定的地基代表性土料，進行顆粒大小分析試驗，確定其組成和不均勻系數(shù)，并測定其滲透系數(shù)。 （3）選擇反濾料，并進行顆粒大小分析，確定其組成和不均勻系數(shù)，并測定其滲透系數(shù)是否滿足要求。繪出滲透系數(shù)與孔隙率的關(guān)系曲線。 （4）反濾料本身應(yīng)采用外管涌土。 （5）應(yīng)根據(jù)實際的滲流方向進行反濾層試驗。 2．通過試驗選擇反濾層的原則 （1）反濾層與被保護土的接觸面不應(yīng)產(chǎn)生下移。 （2）淤填后接觸帶的滲透系數(shù)至少要比被保護土的滲透系數(shù)大3倍。 （3）滲流方向由上向下時，不允許被保護土穿過濾層。六、現(xiàn)場試驗方法的選擇 目前國內(nèi)河床覆蓋層滲透變形現(xiàn)場試驗已進行過不少[34]。其試驗方法計有以下幾種：
1．試坑注水法
觀測坑有圓形、扇形、長方形及上下觀測坑等多種形式，可因地制宜選擇其中任何一種形式進行現(xiàn)場試驗。
觀測坑為圓形及扇形的，試坑制作較簡便，但存在著注水坑的水滲入觀測坑的滲流面積由小變大的缺點。對于長方形上下觀測坑兩側(cè)挖槽回填粘土半封閉式的，注水量流失相對地少，開挖回填工作量不太大，且一次可同時測出兩組平均坡降，是目前較好的一種形式。但一般只適用于地下水位埋藏較淺部位。 上述幾種形式的注水量都不能全部流入觀測坑內(nèi)，只能定性地得出i～Q關(guān)系曲線，主要還靠觀察逸出處細粒流失現(xiàn)象來確定其坡降值。試驗方法有待于進一步改進。因此，上述試驗方法僅供參考使用。 2．鉆孔或試坑抽水法 此法由于出逸點附近的水位降低過大，滲流量增大，過水截面減小，流速增大，導(dǎo)致坡降值偏小。但此法可用于河床深層部位。因此，對于深厚覆蓋層測滲透變形指標(biāo)，除用合金鉆頭取干樣篩分在室內(nèi)做試驗外，如有條件，也可采用鉆孔抽水法粗略測定，以便對照比較。 3．礫質(zhì)原狀土滲透變形試驗 對于在現(xiàn)場能挖成50cm50cm50cm或（φ50～φ80cm）80cm的試樣，四周澆混凝土，并預(yù)留溢水口和裝進水管、測壓管等，可仍照室內(nèi)垂直滲透變形試驗方法進行試驗。此法既保持了覆蓋層礫質(zhì)土的天然級配組成和結(jié)構(gòu)，也能較準(zhǔn)確地測定滲流量和滲透系數(shù)。因此，是值得推廣的一種方法。 關(guān)于軟弱夾層，破碎帶夾泥層的滲透變形試驗，在室內(nèi)開展這方面試驗的單位和資料不多，有待于今后進一步積累資料。  粗粒土固結(jié)試驗說明書一、概 述 粗粒土在有側(cè)限的單軸加壓情況下的固結(jié)過程，就是顆粒產(chǎn)生相對位移，重新排列，土體積逐漸壓縮并隨時間變化直至變形達到穩(wěn)定為止的全過程。粗粒土的壓縮性主要取決于它的起始狀態(tài)、排水條件、大于5mm粗粒含量以及粗細顆粒的性質(zhì)。當(dāng)粗粒含量增大到起骨架作用后，細粒充填在骨架孔隙中，粗粒承擔(dān)了大部分外部荷載，土的壓縮性將降低。粗粒土的壓縮性除取決于它的起始密度狀態(tài)外，還決定于粗顆粒本身的強度、形狀及其接觸點處的平均應(yīng)力。如果壓力增大，粗粒土的壓縮還可能是顆粒被壓碎的結(jié)果。粗顆粒的壓碎效應(yīng)與其接觸點處的平均應(yīng)力、顆粒大小、形狀、強度等有關(guān)。一般情況下，顆粒土的壓縮量比細粒土??；但是，在高壓力下，也能達到相當(dāng)?shù)牧考墸鐗嚎s應(yīng)變可達3％，甚至到6％以上[33]。 隨著國內(nèi)外高土石壩的建造和發(fā)展，研究粗粒土在荷載作用下的變形特性愈來愈必要。測定粗粒土的壓縮及固結(jié)指標(biāo)的大型試驗有所發(fā)展：、6in的中型壓縮儀進行上述試驗；，其試樣尺寸為10in，高度為2～5in；－h(huán)ultze為研究碎石的彈性性質(zhì)，曾使用荷載板和三軸儀（φ50cm125cm）進行試驗；，最大垂直壓力達2500kPa，英國、意大利、墨西哥等都建造了高壓大型固結(jié)儀。試驗土料的范圍也從粘性粗粒土擴大到堆石料。國內(nèi)如水利水電科學(xué)研究院，南京水利科學(xué)研究所（1960年），水利電力部東北勘測設(shè)計院科學(xué)研究所（1960年），水利電力部昆明勘測設(shè)計院科學(xué)研究所（1964年）等也相繼開展了這方面的工作，且近幾年來又有所發(fā)展，如水利水電科學(xué)研究院研制成高壓多環(huán)式壓縮儀（φ500mm1000mm）。但到目前為止，對于粗粒土固結(jié)試驗無論在理論或?qū)嵺`方面，仍有不少問題有待進一步研究。這里就影響粗粒土固結(jié)試驗成果的幾個主要因素加以討論和說明，以供參考。二、試樣尺寸 試樣尺寸的大小，應(yīng)當(dāng)和粗粒土的粒徑相適應(yīng)，即試樣的最大粒徑dmax隨試樣高度與最大粒徑之比（H／dmax）、試樣直徑與高度之比（D／H）等而定。
ASTM 2435－：對具有大顆粒的試樣，其高度應(yīng)不小于最大粒徑的10倍。根據(jù)國內(nèi)外使用的一些大型固結(jié)儀試樣尺寸的統(tǒng)計，H／dmax大致為3～10（～5之間）；D／～3的范圍內(nèi)（較多的在2～）。 關(guān)于試樣高度與最大粒徑的合理比值，水利電力部東北勘測設(shè)計院科學(xué)研究所比較試驗認為，對礫石不起骨架作用的粘性粗粒土，H／dmax的比值以4較合適[35]，蘇聯(lián)在研究努列克等高土石壩的粗粒土壓縮試驗時，指出儀器的高度和直徑應(yīng)不小于所研究土料最大粒徑的5～6倍[14]；美國曾用三輪剪力儀作含礫土的壓縮試驗，其H／dmax為4，這些試驗還限于粘性粗粒土。隨著試驗主料范圍由粘性粗粒土擴大到堆石料（P5含量高達80％～95％），試樣高度有增加的趨勢。如意大利ISMES的多環(huán)式固結(jié)儀，試樣直徑D為600mm，高H為1200mm，D／，H／dmax為10；水利水電科學(xué)研究院多環(huán)式固結(jié)儀，D為500mm，H為1000mm，D／。試樣高度增加，勢必增大環(huán)內(nèi)壁摩擦力，采用多環(huán)式固結(jié)容器的目的在于消除這種影響，使之適應(yīng)于堆石料的固結(jié)試驗。此外，ISMES還分別用大（φ1300mm）、中（φ500mm），?。é?00mm）三種不同尺寸的固結(jié)儀，用相似級配的花崗巖在相同的P0（孔隙比）反Cf（顆粒形狀系數(shù)）條件下， D／dmax均為10，進行比較試驗。結(jié)果認為試樣直徑500mm與13O0mm的試驗成果比較接近，試樣直徑不能小于500mm[12]；蘇聯(lián)試驗卵礫塊碎石土用的壓縮儀的直徑可達1000mm或1000mm以上。 綜上所述，考慮到粗粒土的粒徑變化范圍極大，故本規(guī)程對固結(jié)儀的試樣尺寸末做具體規(guī)定，但對尺寸的比例關(guān)系予以規(guī)定，即D／H為12～，H／dmax＝4～6為宜，試驗時可根據(jù)試樣的粒徑、級配等性質(zhì)選定。 三、試樣容器的內(nèi)壁摩擦 試樣與壓縮容器的內(nèi)壁摩擦作用，減小了作用在試樣上有效應(yīng)力，使試樣變形量偏小，文獻[33]介紹，摩擦力最大值可達外壓力的10％以上（常規(guī)試驗），[30]。
為了減小側(cè)壁摩擦力，通常采用以下一些辦法。
（1）采用浮環(huán)式容器代替固定式容器，可使摩擦力減小一半，故本規(guī)程建議選用浮環(huán)式容器。此外，有的采用多環(huán)式，如意大利ISMES和水利水電科學(xué)研究院用多個鋼性環(huán)與柔性環(huán)（軟木或橡膠）相間的多環(huán)式固結(jié)儀。垂直壓力同時施加在環(huán)和試樣上使容器隨試樣產(chǎn)生垂直位移，然后以垂直位移中減去因側(cè)壁變形而減小的力而得到真正的試樣變形與垂直力的關(guān)系。但該儀器應(yīng)力分布復(fù)雜，還有待進一步研究。 （2）規(guī)定合理的徑高比 D／H，如本規(guī)程建議的采用浮環(huán)式容器時D／H以 2～。 （3）采用減小摩擦措施。要求容器內(nèi)壁加工光滑；涂襯潤滑材料如硅脂、聚四氟乙烯；內(nèi)壁和底部、頂帽加減摩擦襯墊等。馬薩爾比較試驗表明，有減小摩擦襯墊時的軸向應(yīng)變ε1要比沒有襯墊的變形約大20％[36]。 （4）直接測出摩擦力的大小，如馬薩爾和南京水利科學(xué)研究院在試樣底板加三個扁千斤頂，同時量測試樣上部及底部的垂直應(yīng)力，而以二者的平均應(yīng)力作為計算垂直壓力?；蛘咄ㄟ^不同尺寸儀器的對比試驗找出側(cè)壁摩擦的影響而予以扣除。φ值不變。拉姆（Lambe）（1951）認為開縫尺寸應(yīng)相當(dāng)于dmax，以避免剪切盒被大顆?？ㄗ?，產(chǎn)生剪破；賈安（S．P．Jam）與卡普特（R. C. Cupta）采用開縫尺寸稍大于試料最粗粒及平均尺寸，；國外多數(shù)采用開縫尺寸為（～）dmax。 根據(jù)以上資料綜合分析，粗粒土直剪試驗推薦開縫尺寸為（l／3～l／4）dmax作為使用標(biāo)準(zhǔn)。對粘性粗粒土，水利電力部東北勘測設(shè)計院科學(xué)研究所提出采用（1／2～l／）dmax ，廣東水利水電科學(xué)研究所則主張采用（1／～1／）dmax ，可暫行試用。 另外在粗粒土試驗中，發(fā)現(xiàn)剪切盒有起翹現(xiàn)象，建議在試驗前裝料均勻，垂直壓力位于中心，水平剪力盡可能勻速施加，并使剪力通過剪縫中心，避免發(fā)生偏心；同時剪切盒的高度也不宜過小，這些都是防止起翹措施。 五、垂直壓力的施加與固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn) 1．垂直壓力大小及施加方法
粗粒土在剪切試驗前，垂直壓力應(yīng)一次施加，其大小應(yīng)符合該土料在建筑物中的工作條件，與設(shè)計正應(yīng)力相適應(yīng)。但在實際應(yīng)用中各單位看法不一致，有的單位按最大壩高來確定垂直壓力大小，有的單位按滑動面上土柱高度，也有少數(shù)單位采用按設(shè)備出力來決定垂直壓力大小。
粗粒土在高壓情況下，抗剪強度與垂直壓力呈非線性關(guān)系，不符合庫倫方程的直線關(guān)系。因此，在設(shè)備出力允許條件下，采用的最大垂直壓力應(yīng)符合建筑物或地基中的受力情況；如限于儀器設(shè)備出力達不到時，應(yīng)在提交試驗資料時予以說明。 2．固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn) 粗粒土在垂直荷重作用下的穩(wěn)定時間，不僅與試料級配、密度、飽和情況有關(guān)，而且與垂直壓力大小有關(guān)。對不同類型的試料，不同排水條件，不同尺寸的試樣，應(yīng)采用不同的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。 目前對試樣在垂直壓力作用下達到固結(jié)穩(wěn)定的控制標(biāo)準(zhǔn)，～，個別單位如水利電力部東北勘測設(shè)計院科學(xué)研究所曾規(guī)定在垂直壓力作用下要持續(xù)24h。就無粘性粗粒土而言，在高壓力作用下，一般在2～6h固結(jié)即可穩(wěn)定。粘性粗粒土的固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，與無粘性粗粒土固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)一致，均采用變形標(biāo)準(zhǔn)。為此本試驗規(guī)定在垂直壓力作用下，這與原大型固結(jié)試驗的變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)一致。六、水平剪切施加方法及剪切速率 1．水平剪切力施加方法
根據(jù)國內(nèi)外二十幾個單位統(tǒng)計，可歸納為以下3種：
（1）應(yīng)變控制法，按水平變形計讀數(shù)的等速遞增長作為標(biāo)準(zhǔn)。
（2）時間控制法，采用液壓穩(wěn)壓器均勻推動水平千斤頂施加水平剪切力，控制試樣在3～5min（有的單位控制在5～10min）內(nèi)剪損。 （3）應(yīng)力控制法，按水平壓力法讀數(shù)遞增水平剪切力。 時間控制法雖采用液壓穩(wěn)壓器勻速施加水平剪切力，但其出力隨時間變化，不能準(zhǔn)確控制，不便于確定剪切特征點。應(yīng)力控制法能較準(zhǔn)確地得出τ～ΔL關(guān)系曲線。 2．剪切速率對抗剪強度的影響 剪切速率大小直接關(guān)系到試樣排水，是影響抗剪強度的主要因素之一。對應(yīng)力控制法，剪切速率即水平荷重分級大小和加荷快慢問題。 （1）水平荷重分級大小：分級施加水平荷重主要在于求得較規(guī)律的τ～ΔL關(guān)系曲線。目前國內(nèi)外采用分級方法有以下兩種，其一是按估計的最大水平剪切力的百分數(shù)分級， Phmax 兩級；美國ASTMD308072[44]在固結(jié)排水條件下土的直剪試驗標(biāo)準(zhǔn)方法中， Phmax，當(dāng)估算破壞力為50％～70％時， Phmax。其二是按施加的垂直壓力的百分數(shù)分級。不論采用哪種分級方法，水平剪切力施加不得少于10級，加至50％～70％，從計算方便起見，～～。 （2）水平荷重施加速率：快剪試驗（包括固結(jié)快剪試驗）主要是求得剪切過程中含水量保持不變時的抗剪強度，要求在較短時間內(nèi)剪損。但速率過快時，可能產(chǎn)生較大的塑性阻力及其他影響。因此，一般快剪試驗應(yīng)在3～5min剪損。大型直剪