路基非飽和土抗剪強度的吸力效應

摘 要：從宏觀的吸力控制型直剪試驗和微觀的土體顆粒結構2方面入手，對路基非飽和土抗剪強度的吸力效應進行了研究。在不同吸力和不同法向應力條件下完成4組剪切試驗，并選取2種不同含水量的同類型土樣進行結構掃描。研究結果表明，與粘性土不同的是，當粉質砂土含水量逐漸降低時，土體基質吸力對土體抗剪強度的貢獻效果并不是一直增加的，而是存在一個峰值。這種現象主要是由于土體微觀結構以及所含水分的存在形式所造成的。另外，土體所處的應力環境也會對土體強度的吸力貢獻情況造成影響。

關鍵詞：路基非飽和土；宏微觀方法；吸力效應；氣液交界面；彎月形水膜

中圖分類號：U416.14

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2012）04-0001-05

Matric Suction Effect on Shear Strength of Roadbed Unsaturated Soil

LIU Dongyan1， ZHENG Zhiming1，2， HOU Long1，3， ZHAO Baoyun1， WU Chuansheng1

(1.College of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China;

2.Chongqing Highway Bureau， Chongqing 401147， P. R. China; 3.Colorado School of Mines， Golden 80401， USA)

Abstract:A study which focuses on the role of matric suction in the stress strength of roadbed unsaturated soil was presented. Two types of tests were described， namely， the suction-controlled shear test and microstructure scanned test. For the former， four sub-tests were conducted under different suction and net normal stress conditions. And two unsaturated soil samples that belong to the same type but with different water contents were scanned. In contrast with clay soil， the corresponding results show that the strength of silty sand soil does not always increase as matric suction increases or soil water content decreases; there exists a peak contributed by matric suction that acts on soil stress strength. The main reason for this kind of phenomenon is due to the typical microstructure of this type of soil and the various types of pore water retention. Additionally， the state of stress in which soil sample meets can also exerts important influence on soil strength.

Key words:roadbed unsaturated soil; macro-micro approach; matric suction effect; gas-liquid interface; meniscus water lens



道路工程是一種長線、跨區域式的土木工程建設活動，路基質量的好壞是道路運行期間適用性與安全性的根本性保證。而路基的建設，往往受制于交通條件、料場分布以及工程地質等條件的影響。在經濟效益總調控的前提下，如何在最大程度上的發揮路基工程自身的持久性能，是道路建設工作中重點關注的問題。

從一般意義上講，道路路基屬于邊坡工程的范疇，但與自然邊坡所不同的是，它是人工活動的產物，有其特殊的工程地質性質：路基邊坡土體性質較為均一，密實度高，坡面形狀也相對簡單，無明顯的潛在滑移面存在。但處于特殊地段的路基邊坡，往往會受到很多不利因素的持久性、周期性影響，如庫區水位的周期性升降會對庫區道路的路基土體產生滲流和沖刷作用，帶走土體內的細小土顆粒，土體結構逐漸產生變化，朝砂性土轉變；此外，土體含水量也會隨外界水位變化情況而產生變化。相應的，對土體強度有著重要影響的基質吸力也會發生變化，這些因素均會影響路基邊坡的安全性能［1-4］。因此，著眼于基質吸力對土體強度的貢獻形式，對于包括路基工程在內的初期土工設計與施工而言，是十分有必要的。

1 相關基本理論

路基土體產生破壞，往往發生在淺層土體內，這些土體通常是位于地下水位以上的，也即是非飽和土。即使受到外界水位變動作用（如位于庫區內的道路），因為土體內浸潤面和外界水位不能同步變化，土體在大多數時間內也是處于非飽和狀態的。Fredlund等［5-6］針對非飽和土的抗剪強度提出了式(1)所示相互獨立的雙應力變量公式：

τf=c′+(σ-ua)tan φ′+(ua-uw)tan φb(1)

式中tanφb是一與土體含水量有關的材料變量，體現了基質吸力(ua-uw) 對土體抗剪強度產生貢獻的實際情況。該公式對非飽和土抗剪強度的主要構成進行了本質性的表述，其所蘊涵的觀點得到了業內的廣泛認同。但最大的不足之處在于，對于某些處于特殊情況中的土體而言，公式中所認同的“土體強度與基質吸力成正比例關系”往往難以得到現實情況的驗證。

很多學者的研究結果［7-9］表明，土體的基質吸力會對土體的抗剪強度做出積極的貢獻，即土體強度會隨著基質吸力的增加而增加，這種現象常被稱之為吸力效應，已經得到了廣泛的認同。但常識告訴我們，這種情況并不是絕對存在于各類土體中的。如純凈的砂土，當其處于完全飽和與完全干燥的2種極端狀態時，都呈現出抗剪強度完全喪失的現象，這說明該類土體的基質吸力并不是一味的對土體抗剪強度產生有利影響的。這種現象也得到了一些學者的試驗驗證，如文獻［10］、［11］中所述。但同時從宏觀常規試驗和土體微觀結構兩方面來闡述這種現象的研究，卻鮮見于相關文獻中。筆者從這2個方面入手，就此問題進行定量的研究，以期所得結果能夠豐富已有的研究成果。

2 試驗及結果分析

位于特殊地段，特別是位于庫區內的道路路基，由于受到庫區水位上升下降的周期性變動的影響，路基土體內的細粒成分 (主要是粘土顆粒) 會不斷被沖刷帶走，顆粒尺寸較大的砂粒含量將逐漸增加。久而久之，某些地段的路基土體會呈現出砂性土體的物理力學特征。針對此種情況，取某庫區消落帶高速路砂性路基土體進行研究，根據土顆粒篩分試驗結果，將此土體定義為粉質砂土。若將先期試驗所得的吸力值與相應的含水量作為基礎輸入數據，通過RETC軟件擬合出該土樣的土水特征曲線，則可進而得到土樣的基本水力學參數，如圖1所示。已知的土樣基本性質參數歸納于表1之中。

2.1 試驗設備及試驗方案

在自然條件作用下，土體含水量是不斷變化的，在一個時間段內的基質吸力值也不會停留在某一穩定值上，同一土體在處于不同水力路徑條件時，即使含水量相同，由于非飽和土體的持水滯后特性，其相應的基質吸力值也有所不同；相關試驗研究所得的結果也表明，砂性土體在常規含水量變化范圍內，所能達到的基質吸力會較粘性土體的小很多。由此，為了探究最一般的規律，筆者在較為理想的條件（不考慮滯后效應，選取代表性基質吸力值進行土體抗剪強度研究）下進行吸力控制型試驗，試驗所用土體的吸力值控制在數值較小且具有代表性的幾個點上，即：0(飽和土體)、5、10、15 kPa。

試驗所用設備為美國Trautwein土工設備制造公司生產的DigiShearTM型多功能直剪測試系統 (如圖2所示)，該系統具有測試精度高、操作簡便，試驗過程實時控制等優點。為進行不同基質吸力條件下的試驗，將該試驗設備置放土樣的部件進行簡單改裝，用一密閉的玻璃罩扣住安放土樣的試驗容器，玻璃罩上下兩端面連接導管，上面的導管可用于施加高壓氣體，下面的導管上安有閥門，并將該管與一置于電子天平上的儲水容器相接，對土體施加壓力氣體時，可通過電子天平上的讀數來判斷土體含水量是否趨于穩定。若設水壓為0 kPa的參考值，則所施加的氣壓大小就等于土樣處于穩定狀態時的基質吸力值。為方便理解，將試驗設備局部結構以草圖的形式繪于圖3中。

試驗主要步驟為：1)在真空儲水容器里將土樣飽和，土樣下面要墊上一高進氣值陶瓷板 (HAE)，該階段大約需要2 h；2)對土樣施加預定的垂直荷載，土樣達到穩定壓縮狀態后，對密閉玻璃罩中的土樣施加預定壓力值的氮氣，直至土樣排水結束 (一定時間段內，電子天平讀數不再變化，就認為排水結束)，此時土樣處于非飽和狀態，其基質吸力在數值上就等于氣壓值，該階段大約需要5～8 h；3)關閉排水管閥門，對土樣施加水平剪切力，該階段大約需要4 h；4)采用新的飽和土樣，在不同垂直壓力和基質吸力的條件下，重復上述步驟。為最大程度上避免外界作用力作用對試驗結果造成的不利影響，土樣剪切試驗時所采用的剪切速率為0.03 mm/min，最大剪切位移為6.5 mm。這樣可保證土樣的含水量和基質吸力在整個試驗過程中，都保持恒定。根據基質吸力不同，可將試驗分為4大類，每大類試驗又根據對土樣所施加的法向應力的不同，分為3小類。具體試驗安排見表2。

2.2 結果分析

所得試驗結果以不同的關系形式，分別繪制于圖4與圖5中，其中圖4描述了不同基質吸力時土樣的抗剪強度與法向應力的關系情況。由該圖可知，基質吸力的存在，在總體上確實會使得粉質砂土土樣的抗剪強度得以增加，與飽和土相比，圖4中采用非飽和土所得的抗剪強度包線會產生較為明顯的上移，但上移的幅度不一，這是由于基質吸力產生的強度貢獻不同所造成的，其中相應于試驗Ⅱ (基質吸力為5 kPa) 的強度包線位于圖中最上方。若把4條強度包線均朝法向應力為0的方向延長，直至與縱軸相交，則可得到不同吸力條件下，未被壓縮土樣的粘結強度值，此時非飽和土樣的粘結強度也均大于土樣飽和時的粘結強度，基質吸力為5 kPa時所對應的粘結強度最大，約為57 kPa。

圖5描述了不同法向應力條件下，土樣抗剪強度與基質吸力之間的關系形式。由該圖可知，圖中3條關系曲線均呈現出了土樣抗剪強度會在吸力不斷增加時，出現峰值的現象。對于曲線1和曲線2而言 (法向應力分別為120、250 kPa的條件)，此強度峰值出現在吸力為5 kPa的時候，而曲線3 (法向應力為380 kPa) 的強度峰值則會出現在吸力為10 kPa的時候。此后抗剪強度會隨著吸力增加而逐漸減小，這說明對于本試驗所用土樣而言，基質吸力的增加并不會一味的對土體強度產生線性的正比例貢獻，這與文獻［11］中試驗所得結果是相吻合的。另外，曲線峰值點出現時所對應的吸力不同，也說明了土樣所處的應力環境 (對單軸直剪試驗而言，指的是對土樣所施加的法向應力)，會對吸力的強度貢獻形式造成一定的影響。

3 微觀結構分析

從微觀方面來看，基質吸力的產生，主要源于非飽和土體中固液氣三相物質之間的相互作用。其中自由水體氣液交界面上的表面張力與土顆粒微小間距之間彎月形水膜上的范德華力，是基質吸力的最主要來源，并且土體含水量的變化以及土體內水體的賦存狀態直接決定了基質吸力對土體強度的貢獻效果。如2個由同一類土體制作出的土樣，即使在靜法向應力、吸力和比容上都是相等的，但若含水量不一致，則會表現出不同的力學特性［12-13］，這主要是因為基質吸力對土體強度的不同貢獻效果所引起的。另外，同一土體在經受不同水力路徑（干燥或浸濕）作用時，即使最終的含水量值不變，由于基質吸力產生的強度貢獻會有所不同，土體在同一含水量但不同水力路徑時的強度也會產生很大的變化，也就是常見的土體強度滯后現象［14-15］。

具體而言，基質吸力會通過自由水體在土顆粒接觸點處產生法向應力 (有利影響) 和切向應力 (不利影響)；而通過彎月形水膜在土顆粒接觸點處卻只產生法向應力 (有利影響)，于是基質吸力對土體強度所造成的總體影響，是與含水量以及土內水體賦存狀態息息相關的。對于細粒土體而言 (如粘性土)，其土顆粒微小，單位體積土體的顆粒表面積極其巨大，顆粒間范德華力也較大，含水量的降低會使得土體內氣液交界面和彎月形水膜均同時增加，于是基質吸力會大幅度增加，其對土體強度會做出很大的貢獻，于是在相同含水量條件下，粘土的基質吸力會遠大于其它類型的土體。而對于粗粒土體而言，其土體結構決定了該類土體在非飽和狀態時的賦水能力較小，也即基質吸力變化不大時，含水量也會相應發生很大的變化 (如圖1所示)，土體內氣液交界面和彎月形水膜不會同時增加，進而影響到吸力對土體強度的貢獻效果。

為從微觀方面對此種現象進行描述，把試驗所用粉質砂土制作成質量含水量分別為30% (飽和度約為0.84) 和20% (飽和度約為0.56) 的薄層土樣，然后用可拍照式電子顯微鏡進行掃描并拍照，所得圖像如圖6(a)、(b) 所示，為便于闡述最基本的規律、現象，將兩圖所體現的具體信息以較為理想化草圖的形式繪于圖7(a)、(b) 中。由圖 6(a) 可知，相比于最初的飽和狀態，非飽和狀態時的土體內部會產生很多自由水體氣液交界面和彎月形水膜，基質吸力就是通過這些狀態的水體來增強土體強度的。但將圖6(a)與圖6(b) 進行對比（同樣參見圖7），發現含水量再次減小時 (基質吸力更大)，土體內的自由水體氣液交界面會有所增加，但彎月形水膜卻大幅度減少，總體來看，較大基質吸力賴以增強土體強度的介質是變少了，于是對土體宏觀力學強度所做的貢獻，甚至還沒有基質吸力較小時所做的多。產生這種現象的主要原因在于，與其它類別土體相比，砂性土體顆粒較大，顆粒之間的孔隙也較大，土體一旦進入非飽和狀態，其所含水分會較為順暢的排出。

因此，在含水量逐漸降低的整個過程當中，原本被水所填充的孔隙逐漸被空氣所進入，于是自由水體氣液交界面也逐漸增多，其所產生的表面張力演變為基質吸力的最主要來源，基質吸力進而又通過自由水體對砂土顆粒產生法向應力 (有利影響)和切向應力 (不利影響)；另一方面，砂性土體顆粒分子間范德華力較為微弱，使得在水體逐漸排出過程中，非連續水體難以以彎月形水膜的形式大量存在于土顆粒間隙之中，這就使得基質吸力對土體強度的有利影響大大削弱。于是就出現總的基質吸力增加了，但土體強度較之以前變小了的現象。

4 結 語

處于自然環境中的巖土體是一種易受外界條件影響，且物理力學性質會隨著時間流逝而發生改變的地質體。筆者選取特殊地段的路基邊坡土體，從室內常規試驗和土體微觀結構2方面來進行土體強度的吸力效應分析，得到以下結論：

1）土體類型不同時，相同的吸力值會對該土體的抗剪強度產生不同的貢獻。對于砂性土體而言，在一定含水量范圍內，其含水量的逐步降低會使得基質吸力持續增加，但基質吸力對該類土體的強度貢獻，卻并不一定是持續增加的，這種貢獻效果，是存在一個“峰值”的。

2）土體微觀結構決定了土體的賦水性能，而非飽和土內的水分又是吸力產生的主要源泉，這就決定了吸力對土體強度的貢獻效果是與土體的微觀結構以及所含水分的存在形式息息相關的。砂性土的微觀結構使得其所含水分能夠很容易的排出土體，土顆粒間的彎月形水膜也會較初期非飽和階段大為減少，這就造成了基質吸力對土體強度的貢獻效果會隨著含水量的進一步減少而逐漸趨于弱化。另外，土體所處的應力環境也會影響著吸力對土體強度的貢獻效果。

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（編輯 王秀玲）