非飽和土土—水特性試驗研究

陳賢挺 蔣 峰 閆綱麗

0 引言

非飽和土孔隙中水、氣共存,毛細管吸力使得水氣分界面呈彎液面,造成面上下的孔隙氣壓力 ua與孔隙水壓力uw不相等,成負值的uw在土體中會產生基質吸力,即ua-uw?；|吸力對非飽和土的力學特性起著重要的影響作用,它隨著含水率的變化而變化。含水率和基質吸力的關系稱為土—水特征曲線(SWCC),表征的是土壤含水率與基質吸力之間的關系[1]。

國內外很多學者針對這一問題進行了大量的研究,如Van Genchten M[2]對之展開數學擬合并建立了簡化S形曲線模型,李永樂等[3]結合工程實際針對土水特征關系展開試驗及數學模型模擬研究。本文結合洛陽地區非飽和土三軸試驗對不同受力狀態條件下的土水特性展開試驗研究,以期研究得到其內在規律。

1 非飽和土土—水特征試驗研究

1.1 試驗過程

1)制作試件,土樣采自洛陽地區粉質黏土,采用分層壓實法制作重塑試件。

2)飽和陶瓷板,即在安裝試件前關閉壓力室各閥門,并給壓力室充滿無氣水,然后打開排水閥門,施加 300 kPa～400 kPa的圍壓,直到排水閥有連續的水流排出,此時陶瓷板飽和;再打開沖水閥門,讓無氣水流過陶瓷板下面的螺旋槽,沖洗30 s并保證有連續的水流流出以排出陶瓷板下可能聚集的氣泡,關閉沖水閥門。

3)裝入試件,開啟計算機及試驗記錄系統,打開排水閥門,施加5 kPa圍壓(σ3),待試驗變形和排水穩定后記錄其數值并作為變形和排水的零點;同步緩慢施加圍壓和氣壓到預定的吸力值,使二者差保持5 kPa,直到變形和排水量穩定;穩定的標準是:體變連續2 h不超過0.01 cm3,排水連續2 h不超過0.01 cm3,且歷時不少于48 h。

4)首先施加第一級圍壓使σ3-ua等于預定值,直到排水和變形穩定,記錄其孔隙氣壓力ua和孔隙水壓力uw,再加下一級圍壓,試驗中每隔8 h～10 h沖洗陶瓷板底部空氣一次。

1.2 土—水特性試驗研究

圖1給出了不同圍壓下SWCC實測曲線,從圖1中可以發現隨體積含水率的增大,基質吸力連續減小;體積含水率同基質吸力之間的關系是連續的,曲線呈反“S”形;在高含水率下基質吸力隨含水量變化的變化幅度很小,在低含水率下基質吸力隨含水率的增大而緩慢減小,在中間段(天然含水率)變化迅速,由此可見在天然含水率下非飽和土的工程性質受含水率的影響很大。

1.3 圍壓對基質吸力影響研究

各體積含水率試件的圍壓—基質吸力關系見圖2,從圖2中可看到相同體積含水率試件的基質吸力隨圍壓的增大而成非線性減小,且幅度隨體積含水率減緩;同一圍壓下基質吸力隨體積含水率的變化成反向變化,且幅度隨體積含水率的升高而減緩,因此應力狀態對非飽和土抗剪強度有重要影響,在對非飽和土的強度和邊坡穩定分析中應重視應力狀態的研究。

2 結語

通過對試驗結果的統計分析得到了以下結論:

1)非飽和土 SWCC呈“S”形,含水率同基質吸力之間的關系是連續的;在高、低含水率下基質吸力隨含水率變化的幅度很小,在中間段(天然含水率)變化迅速,由此可見在天然含水率下非飽和土的工程性質受含水率的影響很大。

2)非飽和土存在基質吸力,并隨體積含水率的變化成非線性反向變化,且變化幅度隨體積含水率的升高而減緩;相同體積含水率試件的基質吸力隨圍壓的增大而成非線性減小,且幅度隨體積含水率減緩;同一圍壓下基質吸力隨體積含水率的變化成反向變化,且幅度隨體積含水率的升高而減緩。

[1] D G弗雷德隆德,H拉哈爾佐.非飽和土土力學[M].陳仲頤,譯.北京:中國建筑工業出版社,1997:78-98.

[2] Van Genchten M.A closed form equation for predicating the hydraulic conductivity of unsaturated soils[J].Soil Science Society of America,1980,24(6):238-242.

[3] 李永樂,劉漢東,劉海寧,等.黃河大堤非飽和土土—水特性試驗研究[J].巖土力學,2005,26(3):347-350.