非飽和重塑黏性土鼓形變形后飽和度的分布規律

■趙廣輝 劉宇軒

（廣東有色工程勘察設計院廣東廣州510080）

非飽和重塑黏性土鼓形變形后飽和度的分布規律

■趙廣輝 劉宇軒

（廣東有色工程勘察設計院廣東廣州510080）

論文首先開展理論分析，設定邊界條件，通過數學推導，分析了非飽和重塑黏性土鼓形變形后飽和度的分布規律。同時推算出用測定的參數表示壓縮后試樣各層飽和度的計算公式。然后對非飽和黏性重塑土進行無側限單軸壓縮實驗，使試樣出現鼓型變形，并測定壓縮后土樣內各部分飽和度，得出土樣內部飽和度的分布特性。最后，將實驗測定的參數計算出的各土層飽和度值與實驗測定結果對比，得出飽和度分布滿足兩點規律：一是縱向上飽和度呈現中間向兩端遞增，并且兩端飽和度關于中間對稱的規律：二是橫向上飽和度呈現中間向外部遞減的規律。

非飽和土黏性土壓縮飽和度

1　引言

在非飽和土的壓縮過程中，水分會相互運移，氣體也會排出。傳統的觀點認為非飽和土的壓縮是排水排氣的混合過程，即在土樣整體達到飽和之前，水分和氣體都會排出。湯連生［1］認為非飽和土壓縮應該分為兩個階段：第一個階段是在壓力作用下，水分在土體孔隙中運移，同時孔隙體積會不斷減小，由此導致孔隙中氣體體積不斷減少直至所有的孔隙被水充滿，在這個過程中沒有水分的排出；第二個階段則是在土體已經達到飽和后發生的，此時的土體已經變為飽和土，再進行壓縮的話才會有水分排出。包承綱［2］在進行非飽和土孔壓消散試驗時，將壓縮過程分為四個階段：第一階段孔隙水壓力為負值，只有氣體會排出；第二階段水處于張力狀態，仍然只有氣體排出；第三階段由于孔隙氣壓增大，水分將試驗底部出水口封閉，加荷時水分和氣體均可能排出；第四階段水分和氣體都能排出，且排出的液體中會攜帶氣體。

基于非飽和土壓縮新觀點，非飽和土壓縮過程中土體各部分飽和度變化不均勻。土樣中先達到飽和的部分，在施加外荷后滲水，而此時土樣中仍存在不飽和的部分，因此土樣整體為非飽和狀態。由此考慮無側限單軸壓縮土樣出現鼓型變形的情況。壓縮后土樣中間部分體積膨脹速率大于兩端，導致兩端的飽和度增大速率大于中間部分。于是在兩端達到飽和甚至過飽和的時候，兩端會有水滲出，而中間部分沒有達到飽和，因此土總體并沒有達到飽和。

因此，本文旨在通過初步的理論證明和簡單的實驗測定，針對非飽和土無側限壓縮鼓型變形后飽和度不均勻分布規律進行了研究，從而對上述觀點進行了驗證。

2　理論研究

2.1建立模型

非飽和黏土土樣初始形態為標準圓柱體，高為H0，直徑為D，如圖1。經過單軸壓縮后變為鼓型土柱，高為H。以鼓型土柱中心為坐標原點建立三維坐標系，如圖2。

孫德安［3］對圓柱土壓縮的鼓型變形進行了側向變形假定，如圖3所示，并提出鼓型試樣的體積可按下式計算：

上述公式的系數如下：

式中D1、D2、D3、H可以測得。

將鼓型土柱縱向等分為六土層，由上至下一次命名為A、B、C、D、E、F，如圖4。

2.2基本假設

為推導出飽和度的變化規律，做出以下三點基本假設：

（1）忽略不同層之間水分的遷移

非飽和黏性土，滲透系數較小［4］。故黏土在受到瞬時壓力后，水分在土體內遷移緩慢，甚至會小于土塊的壓縮速率。雖然水分也會發生遷移，但是遷移距離比較短，因此對于不同層之間比較飽和度，層與層之間水分的遷移可以忽略。

（2）擬定每層的壓縮量相等

土塊無側限壓縮的時候，整體受到垂直方向的壓力，由于土塊自重的影響，會使不同高度受到的力有所差別，從而導致不同層壓縮量有差異。但考慮到壓力儀施加的壓力遠大于土自身的重力和計算的方便，因此擬定每層的壓縮量相等。

（3）壓縮后，忽略水和土顆粒的體積壓縮量

土樣瞬時壓縮，導致土中的氣體、水和土顆粒體積都會減小，因此會對整體體積計算產生影響。但是由于水和土顆粒密度相對氣體密度大很多，壓縮時水和土顆粒體積減小量與氣體壓縮量比起來很小［5］，因此可以忽略。

2.3計算公式

由基本假設可知，忽略不同土層之間的水分遷移，因此各土層水分含量壓縮前后保持不變。同時忽略水分和土顆粒體積的壓縮，故由飽和度的定義可知，各土層壓縮后體積的減小值即為各土層氣體體積的減小值。壓縮后A、B、C層的飽和度值分別為。

式中：VA、VB、VC、w、ρs、V0、Sr、ρw分別表示A土層壓縮后體積，B土層壓縮后體積，C土層壓縮后體積，土樣初始含水率，顆粒密度，土樣初始總體積，土樣初始飽和度，水的密度。

3　實驗測定

采用的土樣采集于珠海某工地距離地表2-5m處。采集時初步判斷為一種黏性較強，顆粒較細的軟土。經過現場簡單的試壓可以發現，此土在單軸壓縮的情況下，比較容易出現鼓型的變形，而張裂和剪切破壞在壓縮較后期才會出現。因此此土比較符合實驗的要求。

3.1無側限土壓縮實驗

3.1.1試驗原理

式中：Sr為土塊飽和度；ρs為土的顆粒密度，實驗測出為2.70g/cm3；m為土塊烘干前的質量，（g）；ms為土塊烘干后的干質量，（g）；ρw為水的密度，取1.00g/cm3；V為土塊烘干前的體積，（cm3）。

3.1.2試驗過程

根據S.K.Vanapalli和D.G.Fredlund的研究［6］，蒸發水分使飽和土變為非飽和土，土首先經歷的是氣壓突破土體顆粒表面水膜張力的約束，空氣開始進入并占據土體內部較大孔隙，使飽和度急劇降低的過程。故本文采用蒸發飽和黏土的方式，模擬上述飽和度急劇降低的過程，從而制得二組非飽和黏土試樣。

試驗過程包括測定初始飽和度，制備圓柱形土樣，壓縮土樣三部分。

3.1.3實驗結果

根據實驗數據及上述試驗原理計算公式得到鼓型變形后各個部分的飽和度值見表1，表2。

3.2數據整理分析

對不同層的飽和度進行平均值計算，得到各層平均飽和度的值見表3。

將表3的數據用直方圖的形式表示，如圖4，5。

從各土層飽和度分布圖可以看出，飽和度大小呈現由中間向兩端逐漸增大的趨勢，并且飽和度在縱向上呈現以中線為軸的對稱分布。

針對不同圈層的飽和度進行飽和度平均值計算，結果見表4。

將表1，2的數據描點，并將相同圈層的點連起來形成圖6，7所示的折線圖。

從圖6、7以及表4可以得出土樣外環、中環和內圈的飽和度關系為Sr內＞Sr中＞Sr外，即橫向上土體飽和度呈現中間向外側增大的規律。

而且還可以發現，雖然從縱向得出了飽和度的分布規律為中間到兩端遞增，但中間層各部分的飽和度卻并不一定都小于兩端層各部分飽和度。例如A層的外環和B層的內圈來說，A層外環的飽和度反而小于B層內圈，甚至小于C層內圈。也就是說，中間土層的飽和度小于兩端土層的飽和度只是飽和度分布規律的一個方面，同一層的不同位置展現出來的差異也很大。

4　理論與實驗結果對比

由實驗測得的長度參數H0=20cm，D=10cm，代入公式（2-7）得土樣初始體積V0=1570.2cm3。實驗測得初始飽和度Sr=84.0%，又可算得土樣含水量w=31.2%，顆粒密度ρs=2.70g/cm3，水的密度取ρw=1.00g/cm3。

根據2.3節計算公式得出土樣一、土樣二飽和度值見表5。

通過表5和表3對比可得：

（1）將測量壓縮后的長度參數代入理論計算公式得到的土樣總體飽和度下降，并且在縱向分為六層的情況下，飽和度大小呈現中間層往兩邊層遞增的規律。這與通過實驗測定得到的飽和度分布規律一致。初步說明了由體積變化差異引起的鼓型變形飽和度分布不均勻的觀點符合實際。

（2）通過表中的數據可以發現，計算得到的飽和度比實驗測到的飽和度偏小，且不同層之間的差值規律也不完全相同。這種情況產生主要是由于實驗時體積和質量測量誤差造成的，并且實驗測定飽和度偏大的原因也在上文進行了分析。雖然誤差造成實驗結果和理論結果有所差異，但總體呈現出來的規律是一致的，并且是有說服力的。

5　結論

本文基于非飽和土壓縮過程中土樣飽和前只有氣體排出，水分只在內部遷移的新觀點，對前人做出土樣未飽和時也有水分滲出的實驗結果進行重新解釋，認為未飽和時有水分滲出是壓縮后飽和度分布不均勻，飽和部分先滲水造成的，從而提出非飽和土壓縮后各部分飽和度分布不均勻的觀點。得出如下兩點結論：

（1）黏性土重塑土無側限壓縮鼓型變形后，縱向呈現飽和度由中間向兩端遞增，兩端的飽和度值關于中線對稱的分布規律。產生這種現象的主要原因就是壓縮過程中，土樣各部分孔隙中氣體體積變化有差異。

（2）橫向上土樣飽和度呈現中間向側邊遞減的規律，而且這種差異有時甚至比縱向上飽和度的差異更大。

［1］湯連生，王洋，張鵬程，廖化榮.非飽和黏性土粒間吸力測試研究 ［J］.巖土工程學報，2003，25（3）：304-307.

［2］包承綱.非飽和土的性狀及膨脹土邊坡穩定問題 ［J］.巖土工程學報，2004，26（1）：1-15.

［3］孫德安.飽和度對非飽和土力學性質的影響 ［J］.巖土力學，2009，30（2）：14.

［4］陳正漢，孫樹國，方祥位，周海清，謝云.非飽和土與特殊土測試技術新進展 ［J］.巖土工程學報，2006，28（2）：147-169.

［5］Fredlund D G.Unsaturated soil Mechanics［M］.Beijing：China Architecture And Building Press，1997.

［6］Vanapalli S K，Fredlund D G，Pufahl D E and Clifton A W.Model for the prediction of shear strength with respect to soil suction［J］，Can.Geotech J，1996，33：379-392.

［7］劉宇軒.非飽和黏性土壓縮過程中飽和度重分布特性 ［D］.中山大學，2015.5.

P62［文獻碼］ B

1000-405X（2016）-8-365-3