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低等级公路路基边坡径流侵蚀特征分析(2)

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2.2 模型内土样数据测定

(1)土壤样本压实度

将土体样本的压实度定义为干密度和最大干密度的比值,样本的压实度具体测量方案为环刀法。本试验中所取用的粘土的最佳含水率为32.7%,最大干密度是1.69g/cm3。砂土的最佳含水率为25.8%,最大干密度是1.47g/cm3。采用环切法测定不同抗压强度下土样的干密度和压实度,具体数值见表1。

表1 土壤样品压实度?

(2)粘聚力和饱和粘聚力

本试验选用快剪试验来测定土壤样本, 具体测定出的粘聚力包括两个方面：一是指土体颗粒粘聚力；二是指土体颗粒处于饱和状态下的粘聚力。在同一压实度条件下,取6 份土壤样本,测量其中3 份的粘聚力,另外3 份用于测量饱和状态下粘聚力。表2 示出了试验得到的不同压实度下两份土样的粘聚力。

(3)初始入渗速率

本试验中模型的两侧的斜坡较高, 水流沿斜坡中部冲洗,模型两侧的土壤不会被水流渗透。在冲刷试验之后,为了表征斜坡上两侧土壤的初始入渗速率, 采用染色的方式对其进行标定。具体方式为：在边坡模型表面倾倒染料,并在倾倒之初就开始进行计时,10s 后停止计时器并断开染料,快速地切割斜面以获得渗透深度。每次测试需要以6 个深度进行平均取值, 每个斜坡需要5 个点用于染料测试。最后,将其渗透深度的平均值作为此压实深度下土壤的初始渗透深度,测试结果见表3。

表2 土壤样本的测试情况直剪快剪饱和直剪快剪土质类别压实度%内摩擦角(°)粘聚力(kPa)内摩擦角(°)粘聚力(kPa)粘土89.7 30.7 115.8 26.9 4.8 81.5 26.9 91.9 26.1 3.6 75.8 24.1 43.9 22.5 2.6 91.0 29.1 84.5 28.1 3.3砂土81.9 27.6 25.2 24.9 2.2 76.5 26.7 10.3 24.8 1.5

表3 土壤样本的初始入渗速率粘土砂土压实度（%） 89.7 81.5 75.8 91.0 81.9 76.5初始入渗速度（mm/s） 0.55 1.78 2.89 0.69 2.5 3.18

3 冲刷试验

3.1 试验方案

为了得到不同土体颗粒性质对地面径流冲刷强度的影响, 本试验模拟了汇水对路面边坡土体的冲刷侵蚀全过程。试验中所用土体包括粘土和砂土两种土体类型进行冲刷侵蚀实验。拟定出三个压实度作为控制变量来进行试验数据采集和分析, 得到不同压实度对地面径流冲刷强度的影响。

3.2 试验过程

为了分析地面径流对低等级公路路基边坡的冲刷侵蚀特征,建立起室内模型,规定了以下的试验步骤：

(1)使用土体样本将模型填充完成并用3D 激光扫描仪扫描模型的斜率。待扫描出模型斜率后,以钢尺测出墙平面至斜面间高度。

(2)在模拟冲刷过程以前,首先将模型中水箱注满,随即令模拟的汇水从上至下冲刷路基模拟坡面, 以开始释放水阀为时间开始的节点, 按下秒表。当计时每隔6min时,记录一次墙平面至斜面间高度,一直持续模拟侵蚀冲刷18min。在模拟的整个过程中,要持续关注冲刷水流速度以及径流深度。依照记录的高度进行计算差值,即为模拟冲刷深度。

(3)冲刷完成后,再次用3D 激光扫描仪扫描模型坡度,从而检测得到土壤的侵蚀量。

4 试验结果及分析

除了压实度不同外, 模拟试验中两种土壤样本的模型尺寸条件皆相同。随着斜坡填充土体压实程度的调整,土壤的参数也会发生变化。随着压实度的降低,坡面土壤侵蚀明显增加。

图2 为在模拟侵蚀试验前后粘性土试验模型的试验结果对比情况,可以明显发现：随着土壤压实度的降低,模拟冲刷深度上升非常明显, 当压实度为89.7 时(最左侧图),模拟路基边坡的冲刷侵蚀情况并不明显；当压实度为81.5 时(中间图),观察到模拟侵蚀后的斜面土体表层在水力作用下侵蚀掉一层；当压实度为75.8 时(最右侧图),在模拟边坡斜面的上部观察到有一较深的冲坑, 这可能是由于压实不均导致的局部压实度偏低。

图3 为在模拟侵蚀试验前后砂性土试验模型的试验结果对比情况,可以明显发现：随着土壤压实度的降低,模拟冲刷深度同样上升非常明显, 并且其总体的侵蚀冲刷情况相较于粘性土更为明显。当压实度为91.0 时(最左侧图),试验模型出现部分较浅的纹理；当压实度为81.9 时(中间图),水流冲刷影响明显增大,已经开始出现冲坑；当压实度为76.5 时(最右侧图),冲坑发展愈加明显,最终形成窄条状。总体上来说,产生这种情况是因为砂性土壤的内部颗粒粘聚性相较于粘性土要差很多。

图2 粘土冲刷模拟情况

图3 砂土冲刷模拟情况

观察粘土冲刷侵蚀深度曲线,可以发现当压实度为89.7 时,其冲刷深度最低,并且较为稳定,从上至下没有明显的差别；当压实度为81.5 时,其冲刷深度相较来说整体变大,并且从上至下开始也有着提升的趋势；当压实度为75.8 时,其冲刷深度最大,并且从上至下变化非常明显,总体呈下降趋势,这可能是因为压实不均匀引起,如图4 所示。

文章来源：《土壤》网址: http://www.trqks.cn/qikandaodu/2021/0717/1419.html