非飽和土土—水特性試驗(yàn)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(xì)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(fù)值的uw在土體中會(huì)產(chǎn)生基質(zhì)吸力,即ua-uw?；|(zhì)吸力對(duì)非飽和土的力學(xué)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(zhì)吸力的關(guān)系稱為土—水特征曲線(SWCC),表征的是土壤含水率與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系[1]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)這一問題進(jìn)行了大量的研究,如Van Genchten M[2]對(duì)之展開數(shù)學(xué)擬合并建立了簡(jiǎn)化S形曲線模型,李永樂等[3]結(jié)合工程實(shí)際針對(duì)土水特征關(guān)系展開試驗(yàn)及數(shù)學(xué)模型模擬研究。本文結(jié)合洛陽(yáng)地區(qū)非飽和土三軸試驗(yàn)對(duì)不同受力狀態(tài)條件下的土水特性展開試驗(yàn)研究,以期研究得到其內(nèi)在規(guī)律。

1 非飽和土土—水特征試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)過程

1)制作試件,土樣采自洛陽(yáng)地區(qū)粉質(zhì)黏土,采用分層壓實(shí)法制作重塑試件。

2)飽和陶瓷板,即在安裝試件前關(guān)閉壓力室各閥門,并給壓力室充滿無(wú)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(xù)的水流排出,此時(shí)陶瓷板飽和;再打開沖水閥門,讓無(wú)氣水流過陶瓷板下面的螺旋槽,沖洗30 s并保證有連續(xù)的水流流出以排出陶瓷板下可能聚集的氣泡,關(guān)閉沖水閥門。

3)裝入試件,開啟計(jì)算機(jī)及試驗(yàn)記錄系統(tǒng),打開排水閥門,施加5 kPa圍壓(σ3),待試驗(yàn)變形和排水穩(wěn)定后記錄其數(shù)值并作為變形和排水的零點(diǎn);同步緩慢施加圍壓和氣壓到預(yù)定的吸力值,使二者差保持5 kPa,直到變形和排水量穩(wěn)定;穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是:體變連續(xù)2 h不超過0.01 cm3,排水連續(xù)2 h不超過0.01 cm3,且歷時(shí)不少于48 h。

4)首先施加第一級(jí)圍壓使σ3-ua等于預(yù)定值,直到排水和變形穩(wěn)定,記錄其孔隙氣壓力ua和孔隙水壓力uw,再加下一級(jí)圍壓,試驗(yàn)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(yàn)研究

圖1給出了不同圍壓下SWCC實(shí)測(cè)曲線,從圖1中可以發(fā)現(xiàn)隨體積含水率的增大,基質(zhì)吸力連續(xù)減小;體積含水率同基質(zhì)吸力之間的關(guān)系是連續(xù)的,曲線呈反“S”形;在高含水率下基質(zhì)吸力隨含水量變化的變化幅度很小,在低含水率下基質(zhì)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(zhì)受含水率的影響很大。

1.3 圍壓對(duì)基質(zhì)吸力影響研究

各體積含水率試件的圍壓—基質(zhì)吸力關(guān)系見圖2,從圖2中可看到相同體積含水率試件的基質(zhì)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(zhì)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(yīng)力狀態(tài)對(duì)非飽和土抗剪強(qiáng)度有重要影響,在對(duì)非飽和土的強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定分析中應(yīng)重視應(yīng)力狀態(tài)的研究。

2 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析得到了以下結(jié)論:

1)非飽和土 SWCC呈“S”形,含水率同基質(zhì)吸力之間的關(guān)系是連續(xù)的;在高、低含水率下基質(zhì)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(zhì)受含水率的影響很大。

2)非飽和土存在基質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(xué)[M].陳仲頤,譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)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(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2005,26(3):347-350.