某滑坡非飽和土的土水特征曲線試驗(yàn)研究

王良川

(中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院, 云南昆明 650001)

某滑坡非飽和土的土水特征曲線試驗(yàn)研究

王良川

(中國(guó)有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院, 云南昆明 650001)

巖土工程中絕大部分土體位于地下水位以上，處于非飽和狀態(tài)。對(duì)于土質(zhì)邊坡而言，降雨引起土體內(nèi)含水量的增加，吸力減小，使得非飽和土的抗剪強(qiáng)度降低，從而影響邊坡工程安全穩(wěn)定性。針對(duì)非飽和土的吸力與飽和度之間的關(guān)系，采用飽和鹽溶液控制吸力，測(cè)定了2種不同干密度滑坡非飽和土體的土水特征曲線。結(jié)果表明，低吸力段，干密度越大持水性能越低，而高吸力段干密度對(duì)土水特征曲線的影響不明顯。

土水特征曲線；含水量；非飽和土

0 引 言

當(dāng)前,在絕大多數(shù)巖土工程實(shí)踐中所采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和施工規(guī)范均是建立在傳統(tǒng)的飽和土理論基礎(chǔ)之上。然而,實(shí)際的巖土工程中,絕大部分土體均位于地下水位之上,土體中的孔隙不僅存在孔隙水,還有部分氣體存在,處于一種固、液、氣三相共存的非飽和狀態(tài)。通常,發(fā)生滑坡的深厚殘積土或膨脹土邊坡,其地下水位埋深較深,靠近地面的土也是一種非飽和土[1-3]。非飽和土與飽和土的主要區(qū)別在于,因水—?dú)饨Y(jié)合膜所產(chǎn)生的吸力的存在,致使土體的抗剪強(qiáng)度、滲透特性等主要工程性質(zhì)得到改善,從而對(duì)土坡的穩(wěn)定性起著重要作用[4]。

在非飽和土的研究中,土水特征曲線被定義為土體的飽和度或體積含水量與吸力之間的關(guān)系[4]。土水特征曲線是非飽和土的重要本構(gòu)特性之一,對(duì)于研究非飽和土的物理力學(xué)特性至關(guān)重要,也是非飽和土動(dòng)態(tài)水力分析的必要條件[4-5]。根據(jù)非飽和土體的土水特征曲線,可以確定非飽和土的強(qiáng)度特性、體變特性和滲透性能[6-9]。由此可見,測(cè)定土水特征曲線是開展非飽和土研究的前提條件。在巖土工程領(lǐng)域中,邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和降雨型滑坡預(yù)測(cè)等通常需要應(yīng)用土水特征曲線的相關(guān)理論,促進(jìn)了土水特征曲線的深入研究[4-10]。

建立土水特征曲線的方法分為直接法和間接法[5]。直接法主要是測(cè)量土樣在脫水干燥或吸水濕化過程中的吸力以及與之相對(duì)應(yīng)的含水量,包括控制吸力測(cè)定濕度和控制濕度測(cè)定吸力2種方法[4-5]。間接法是通過土水特征曲線的理論模型計(jì)算得到[4]。本文針對(duì)昆明地區(qū)某滑坡滑帶非飽和土體,采用滲析法和氣相法控制吸力,進(jìn)行了重塑土體的濕化過程的土水特征曲線研究,并討論了不同干密度對(duì)土水特征曲線的影響。

1 非飽和土土水特征試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

該試驗(yàn)用土取自昆明地區(qū)某公路滑坡處,根據(jù)該場(chǎng)地巖土工程勘察報(bào)告,為粉質(zhì)粘土。通過常規(guī)土工試驗(yàn)獲得原狀土的基本物性指標(biāo)參數(shù),結(jié)果為:土粒比重2.53 t/m3,液限31.4%,塑限17.2%。為分析干密度對(duì)該試驗(yàn)用土土水特征曲線的影響,采用JDS-2型電動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)儀制取不同干密度的粉質(zhì)粘土試樣,擊實(shí)曲線如圖1所示,由圖1可知試驗(yàn)用土的最優(yōu)含水率為16.8%,最大干密度為1.79 g/cm3。

圖1 試樣土擊實(shí)曲線

1.2 試驗(yàn)方法及儀器

試驗(yàn)采用飽和鹽溶液法控制吸力,吸力控制范圍為:0～300 MPa。其主要原理是通過控制放置試樣玻璃干燥皿中的相對(duì)濕度,并由Kelvin定律換求對(duì)應(yīng)的吸力值。飽和鹽溶液與試樣之間,通過水蒸氣方式發(fā)生水氣交換,當(dāng)交換達(dá)到平衡后,取出試樣并立即稱重,求取平衡后的土樣含水量,上述平衡時(shí)間約為7～10 d。本試驗(yàn)采用的飽和鹽溶液、相對(duì)濕度與對(duì)應(yīng)吸力見表1[11]。

表1 飽和鹽溶液、相對(duì)濕度與對(duì)應(yīng)吸力

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了針對(duì)不同干密度土樣的土水特征曲線進(jìn)行對(duì)比研究,采用相同擊實(shí)功在不同含水率下?lián)魧?shí)制取了3種不同干密度的試樣,不同干密度土樣的基本參數(shù)見表2,其中,試樣1為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)的最大干密度試樣。

表2 不同干密度擊實(shí)土樣基本參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 土水特征曲線的基本形態(tài)

土水特征曲線是指處于非飽和狀態(tài)的土體,在吸濕或脫濕過程中,孔隙中的含水量不斷減小或者增大,吸力也隨之發(fā)生相應(yīng)變化,典型土水特征曲線的基本形態(tài)如圖2所示,可劃分為邊界效應(yīng)段、過渡段和非飽和殘余段[5]。在邊界效應(yīng)段,隨著吸力增大其飽和度并沒有明顯變化,基本處于飽和狀態(tài),土水結(jié)合膜完全連續(xù)；在過渡段,土水結(jié)合膜不再連續(xù),隨著吸力的增大,飽和度迅速減小；在非飽和殘余段,土水結(jié)合膜很少,要進(jìn)一步增加土體中的吸力將非常困難,同時(shí)飽和度的減小也非常緩慢和困難。此外,在吸濕和脫濕過程中,分別測(cè)得的土水特征曲線是明顯不同的,脫濕曲線總是高于吸濕曲線,即在相同吸力點(diǎn)脫濕階段的飽和度要高于吸濕階段的飽和度,這種現(xiàn)象稱為土水特征曲線的滯回特性。滯回區(qū)間與土體的顆粒大小、孔徑分布等因素有關(guān)。一般而言,粗粒土的滯回區(qū)間較小,細(xì)粒土的滯回區(qū)間較大。對(duì)粘性土而言,其滯回現(xiàn)象比較明顯。

圖2 土水特征曲線的典型形態(tài)[5]

2.2 土水特征曲線測(cè)試結(jié)果

通過各吸力點(diǎn)測(cè)到的土樣含水量計(jì)算當(dāng)前土樣的飽和度,根據(jù)各飽和度與吸力的關(guān)系,繪制干燥條件下不同干密度的滑坡非飽和土樣土水特征曲線,如圖3所示。

圖3 不同干密度壓實(shí)土樣土水特征曲線

圖3表明,隨著吸力的增大土樣飽和度迅速降低,當(dāng)吸力增大至4.2 MPa時(shí),土樣的飽和度減少了近60%,當(dāng)吸力達(dá)到110 MPa時(shí)土樣的飽和度約為8%。總體表明該壓實(shí)土樣在試驗(yàn)控制吸力階段的持水性能一般。同時(shí),不同干密度的壓實(shí)土樣持水性能也不一樣。同一吸力控制時(shí),1.79 g/cm3的壓實(shí)紅粘土土樣飽和度在各吸力點(diǎn)較1.70 g/cm3的土樣都要高。這是由于干密度1.70 g/cm3的土樣初始孔隙比大,同一吸力控制時(shí),1.70 g/cm3的土樣含水量較1.79 g/cm3的土樣要高,從而飽和度也較大。

從圖3還可以發(fā)現(xiàn),用飽和度與吸力關(guān)系表示土水特征曲線時(shí),隨著吸力的增大,不同干密度壓實(shí)土樣的飽和度差距越來越小。當(dāng)吸力小于50MPa時(shí),2種干密度壓實(shí)粘土的土水特征曲線相差較大,干密度越小,孔隙越多,飽和度越大,土水特征曲線越低。當(dāng)吸力超過50 MPa時(shí),2種干密度壓實(shí)粘土平衡后的飽和度逐漸靠近,最后幾乎相同,表明干密度對(duì)高吸力階段的土水特征曲線影響不明顯。

2.3 土水特征曲線形態(tài)分析

對(duì)比分析圖2與圖3,可以發(fā)現(xiàn),利用飽和鹽溶液測(cè)得的土水特征曲線,主要位于高吸力段(吸力＞4 MPa)。對(duì)大多數(shù)土體而言,吸力超過4 MPa即處于非飽和殘余段。例如,孫德安[11]等利用壓力板、濾紙法和飽和鹽溶液3種方法綜合測(cè)定了初始干密度為1.4 g/cm3的壓實(shí)紅粘土土水特征曲線(見圖4)。由圖4可以看出,壓實(shí)紅粘土的進(jìn)氣值約為20 kPa,當(dāng)吸力超過20 kPa時(shí),紅粘土呈現(xiàn)非飽和狀態(tài),當(dāng)吸力超過10 MPa時(shí),紅粘土飽和度低于30%,飽和度隨著吸力增加而減小緩慢,土體處于殘余飽和段。

圖4 壓實(shí)紅粘土土水特征曲線

3 結(jié) 論

采用飽和鹽溶液控制吸力,測(cè)定了2種不同干密度滑坡非飽和土體的土水特征曲線。結(jié)果表明,低吸力段,干密度越大持水性能越低,而高吸力段干密度對(duì)土水特征曲線的影響不明顯。在實(shí)際工程中,絕大多數(shù)巖土體處于非飽和土狀態(tài),因此,對(duì)于一些重要的土質(zhì)邊坡,一方面,平時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)土體內(nèi)吸力的量測(cè)和監(jiān)控,隨時(shí)掌握土體中水分的儲(chǔ)存和遷移狀態(tài)；另一方面,降雨期要采取有效措施,控制土體內(nèi)吸力的迅速降低,從而確保工程安全。

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2015-04-14)

王良川(1971-)，男，四川鄰水人，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程的設(shè)計(jì)與施工工作，Email: 47176135＠qq.com。