粗粒土浸水飽和時間試驗研究

朱俊高，李 翔 ，徐佳成，鄧 剛

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京210098；3.中國國際工程咨詢公司，北京 100048；4.中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100038)

粗粒土浸水飽和時間試驗研究

朱俊高1, 2，李 翔1, 2，徐佳成3，鄧 剛4

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098；2.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇 南京210098；3.中國國際工程咨詢公司，北京 100048；4.中國水利水電科學研究院 巖土工程研究所，北京 100038)

對來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩的不同粒徑的粗粒土進行浸水飽和時間試驗研究，分析了吸水率與吸水時間、粒徑、顆粒巖性等的關系。試驗結果表明：粗粒土浸水達到飽和時間與其粒徑成正相關，顆粒的巖性也是影響浸水飽和時間重要因素，吸水率與浸水歷時的關系可以用雙曲線函數來描述，并對該函數進行了初步驗證。同時，進一步對實際試驗用多粒組級配料的飽和時間進行分析，建議了粗粒土三軸剪切試驗及蠕變試驗的試樣飽和時間估算方法及需要的合理飽和時間。對最大粒徑為60 mm的粗粒土，三軸剪切試驗建議飽和時間0.5～1 h，蠕變試驗建議飽和時間2 h。

巖土工程；粗粒土；吸水過程；飽和時間；三軸試驗

0 引 言

近年來，我國土石壩大規模的建設對粗粒土的力學性質研究提出了越來越高的要求，針對粗粒土的試驗研究越來越多[1]。在研究其性質的眾多試驗中，粗粒土試樣的飽和是試驗開展的重要條件，如果試樣飽和度不高，甚至在試驗加載過程中顆粒還在吸水飽和，必然影響試驗結果。比如，三軸試驗中，試樣的體積變形量一般是通過測定試樣排水量確定，如果試樣的顆粒沒有完全飽和，在試驗剪切過程中，粗粒土顆粒會吸水從而影響體變量測精度。粗粒土顆粒較大，吸水飽和需要時間較長，但是到底需要多久能基本飽和并滿足試驗精度要求，相關研究很少，現有規范對飽和時間也沒有明確的規定。因此，有必要進行粗粒土顆粒飽和時間試驗研究，通過研究土料飽和時間，可以合理確定試樣浸水飽和時間，有效地提高試驗的精確度和效率，為各種關于粗粒土的土工試驗提供重要參考。

到目前為止，國內外學者對巖石試樣的浸水飽和時間的研究較多。例如，何滿潮等[2]、周莉等[3]進行了泥巖、砂巖的吸水飽和試驗，發現孔隙率、礦物含量與巖石種類是影響吸水特性的主要因素，將巖石吸水過程歸納為上凸型、下凹型和直線型，并建立了吸水函數。楊寶全等[4]進行了水巖耦合三軸試驗，揭示了錦屏拱壩壩肩軟弱巖體的強度特性有水壓弱化特性。景海河等[5]通過對榮華礦深部巖石的研究，提出吸水過程特征曲線呈三次和四次多項式型。汪亦顯等[6]對經過不同浸泡時間后的軟巖樣品進行試驗，其結果表明軟巖含水率力學參數與水巖作用時間具有高度線性相關性。此外，周翠英等[7]針對軟巖軟化的問題進行了試驗研究，并且從微觀角度做出了分析；S.W.J.D.BROK等[8]重點研究了巖石的水理化性質；王軍等[9]針對含水巖石的力學性質，提出了膨脹巖抗剪強度與含水量的關系；孫鈞等[10]結合三峽工程，研究了花崗巖的抗拉強度與時間的關系；楊春和等[11]針對板巖遇水后的力學特性給出了試驗研究與理論分析。上述相關研究主要針對標準巖石試樣，對粗粒土浸水飽和時間的研究有一定的參考作用，但是，要合理準確確定粗粒土飽和時間，還需深入的有針對性的研究。

對來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩的粗粒土進行了浸水飽和時間研究試驗。通過對試驗結果的分析，研究了粗粒土浸水飽和時間的規律，提出了一個吸水過程函數。建議了粗粒土三軸試樣的合理飽和時間估計方法。

1 試驗土料及試驗方法

粗粒土浸水飽和時間主要與巖性和粒徑有關。因此，筆者對4種不同來源地的粗粒土進行了浸水飽和試驗，這4種粗粒土分別來自雙江口、兩河口、小浪底、馬吉4座土石壩，其巖性如表1。每種土料取5 kg，4個粒徑組，分別為：60～40 mm，40～20 mm，20～10 mm，10～5 mm。試驗用土經過日光下的晾曬，處于自然風干狀態，含水率接近于0。這4種料均為新鮮巖石人工破碎料，顆粒不均勻，具有尖銳的棱角。文中來源地的差異主要體現在巖性上，所以后文用 “巖性”討論此差異。

表1 4種粗粒土的巖性

試驗所用儀器如圖1，該試驗裝置主要由試驗桶、水箱、體變管、閥門等組成，其中試驗桶高30 cm，直徑25 cm。

圖1 試驗儀器示意Fig.1 The schematic of test instrument

粗粒土浸水飽和試驗方法為：①將試驗土料置于試驗桶中，并迅速向試驗桶中充水(可以認為，試樣的全部顆粒同時開始浸水)；②迅速蓋上試驗桶頂蓋使試驗桶處于密閉狀態；③打開兩個閥門，使水從水箱進入試驗桶，待試驗桶充滿水，體變管內水位上升到一定高度；④關閉水箱閥門，開始測讀時間及體變管的讀數，當讀數在較長時間內保持不變或單位時間吸水量較小時，即認為試驗桶的粗粒土已經飽和。

依據上述試驗方法，從開始向試驗桶內充水，到試驗桶充滿水，體變管內水位上升到預定高度，至多需15 min，所以，所有試驗統一規定以試驗桶內充水后15 min為計時起點，開始測讀體變管讀數(作為試樣吸水量)。因為本試驗主要研究的是粗粒土的飽和時間(即試樣達到飽和或基本飽和需要的時間)，而決定試樣是否飽和的標準是飽和后期的吸水量，也就是當單位時間吸水量很小的時候即認為試樣飽和，因此，前期吸水量并不是本研究所關心的，開啟閥門后的15 min雖然沒有讀數，但對最終的結果并沒有影響。當然，最終的吸水飽和時間應是試驗測得的飽和所需時間加15 min。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

對前述的4種粗粒土不同粒徑組的試樣進行了浸水飽和試驗。這里借用巖石吸水率ω的概念，定義粗粒土吸水率ω為單位質量干土的吸水量(體積)：mL/kg。粗粒土從浸水開始，其吸水率ω隨時間增大，點繪每種巖性粗粒土的4種不同粒徑組的試樣吸水率ω與時間t的關系曲線，如圖2。圖中，試樣編號用粗粒土的來源地的首字加粒徑組表示，如以“馬40-60”代表馬吉土石壩所用的粒徑為40～60 mm的粗粒土。

從圖2可以看出，同種巖性下粒徑不同，但其吸水曲線的趨勢相似。吸水過程中，吸水率隨著時間的增加而增大。在初始計時的一段時間內，吸水率增大明顯，一定時間后，吸水率隨著時間的增加逐漸減小，又經歷一定時間后，增長趨勢變得十分緩慢甚至不再增長，粗粒土顆粒飽和。

圖2 相同巖性不同粒徑組的粗粒土ω-t關系曲線Fig.2 ω-t curves of different grain sizes of coarse-grained soil with the same lithology

在試驗開始前和結束后，分別測粗粒土的日曬風干含水率和飽和面干含水率，用后者減去前者即得到粗粒土從風干到飽和整個過程的飽和吸水率ωsat。整理飽和吸水率與平均粒徑d的關系，如圖3。圖3可以清楚地看出，隨粒徑增大，吸水率顯著減小。

圖3 飽和吸水率與平均粒徑關系Fig.3 Relationship between saturation water absorption rate and average particle size

以體變管水位基本不下降或每30 min吸水量﹤0.1 cm3作為試樣飽和的標準。從而，整理出16組粗粒土浸水達到基本飽和所需的時間，結果如表2。

表2 粗粒土浸水飽和時間

Table 2 Inundation saturation time of coarse-grained soil /h

粒徑/mm雙江口兩河口小浪底馬吉40～6013．09．08．512．520～4012．08．57．511．510～207．55．54．59．05～103．03．04．03．0

從表2可以看出，相同巖性下，粗粒土的飽和時間隨著粒徑的增加而增加， 且粒徑對飽和時間的影響較大，甚至有最大粒徑組與最小的相差10 h。在相同粒徑下，砂巖(小浪底)和板巖(兩河口)的粗粒土吸水率相比于另兩個較多。

對最小的粒徑組5～10 mm的粗粒土試樣，不同來源地的土的浸水飽和時間基本相同。除此粒組之外，對其他的粒徑組試樣，雙江口和馬吉的粗粒土的飽和時間明顯高于來自小浪底和兩河口的粗粒土；相反，雙江口和馬吉粗粒土的飽和吸水率小，這可能是由于其內部孔隙大顆粒的孔隙連通性較好，水進入的多而且充滿整個粗粒土顆粒內部孔隙的速度較快，而相對于孔隙較小的粗粒土，其連通性本身也差，水滲入顆粒內部所用的總時間也就相對較長。

結合圖3，浸水后15 min的總吸水率，隨著粒徑的增加先增大后減小。說明小粒徑組吸水最多，但其吸水速率也最快，在15 min之內就已經接近飽和。

2.2 吸水過程函數

觀察圖1粗粒土吸水過程的ω-t曲線，發現其形態和雙曲線比較接近，因此，整理4種土石料的t-t/ω的關系，發現線性關系很好。限于篇幅，這里僅給出了小浪底粗粒土4個粒徑組料的t-t/ω關系散點圖及擬合直線，如圖4。

圖4 t-t/ω關系曲線Fig.4 Curves between t and t/ω

所以，粗粒土的吸水率與時間可以用式(1)表示：

(1)

式中：t為粗粒土與水接觸時開始計時的時間，即浸水歷時，h；ω為15 min以后開始計算的吸水率，ml/kg；a，b為參數。

式(1)中的參數a，b與平均粒徑d的關系如圖5。隨粒徑增加，參數a取值總體呈先減小后增大趨勢。參數b取值基本隨粒徑增加而增大。由于試驗總量相對較少，目前還難以總結出參數a，b隨粒徑d的變化關系，待進一步研究。

圖5 吸水過程函數的參數取值Fig.5 Parameter values of the hyperbola function

為驗證式(1)的適用性，作者利用其計算出吸水率與時間關系，并與試驗結果進行比較，如圖6。圖中，點為試驗值，實線為式(1)計算結果。由圖6可見，式(1)能較好的反應粗粒土吸水過程中吸水率和時間的關系。

圖6 式(1)計算ω-t關系與試驗結果比較Fig.6 ω-t relationship calculated by function (1) and the comparison of test results

2.3 粗粒土三軸試樣合理飽和時間的討論

上述試驗表明，隨時間增大粗粒土顆粒吸水率逐漸增大，但是其增大的速率在逐漸減小。粗粒土浸水后，需經歷一定的時間才能基本飽和或完全飽和。如果浸水歷時較短，則在剪切階段試樣顆粒仍然在吸水，勢必影響體積應變測量精度。下面將對粗粒土需要的合理飽和時間進行研究。

一般情況下，試驗用土料為含有多粒組級配的料，因此，需要根據上述試驗總結的規律確定實際試驗級配料的飽和時間。下面利用式(1)估算多粒徑組級配粗粒土的飽和時間。如前所述，式(1)的參數a、b與粒徑的關系還難以給出合理規律，這里參數a暫近似取用各個粒徑參數的的平均值。參數b隨粒徑的關系盡管不是很好，但趨勢是明顯的，因此，近似用式(2)的線性關系表示：

b=αd+β

(2)

式中：d為粒徑組平均粒徑，mm；α，β為b的線性擬合關系參數 。

上述試驗中5 kg粗粒土浸水飽和時間大多分布在3～12 h，最多需要13 h，又因為巖性等其他因素會對其飽和時間造成影響。所以假定24 h為完全飽和時間(即假定粗粒土完全飽和需要的吸水時間)，則飽和吸水率可由式(3)近似計算：

(3)

定義剩余吸水率為飽和吸水率與當前時刻的吸水率之差，用Δω表示，則可用式(4)計算：

Δω=ωsat-ω

(4)

為了研究粗粒土三軸試樣的合理飽和時間，需要分析試樣浸水后經歷一段時間t后，在t時刻以后的時間內吸水量占試樣體積大小，定義為剩余吸水體積應變，用Δε表示。為此，需利用式(1)計算土料的每一個粒徑組某時刻的剩余吸水率，從而用式(5)計算整個三軸試樣的剩余吸水量(ΔQ，即當前時刻以后直至試樣飽和時的吸水量)：

ΔQ=m(p50Δω50+p30Δω30+p15Δω15+p7.5Δω7.5)

(5)

式中：m為三軸試樣的(干)質量；p為某粒徑組的百分含量，下標的數字代表該粒徑組的平均粒徑。

由于﹤5 mm的顆粒粒徑較小，飽和時間較短，因此，對筆者所研究的問題，其引起的剩余吸水量較小，這里忽略不計。因此，剩余吸水體積應變為：

(6)

式中：Vc為三軸試樣的體積，cm3。

下面以擬定的某級配為例，討論大型三軸試樣飽和所需要的合理時間，其級配如表3。大三軸試樣直徑30 cm、高度60 cm。

對現有常見土石壩工程，粗粒土三軸剪切試驗所測得常用圍壓下試樣體積應變范圍通常為εv，max=1%～5%，則用剩余吸水體積應變Δε除以體積應變εv，max，即可得到試樣因飽和時間不足引起的體積應變相對誤差(以下簡稱飽和體變相對誤差，用RE表示)。飽和時間的不同，所造成的相對誤差也不盡相同。對筆者試驗的4種來源地的粗粒土，其相對誤差值列于表4。4種土及均值的上限值與浸水歷時的關系繪制于圖7。

表3 擬定的粗粒土級配

表4 常見圍壓下三軸試樣飽和體變相對誤差

圖7 飽和體變相對誤差RE與浸水歷時t的關系曲線Fig.7 Relationship curves between the relative error of the saturation RE and the inundation time t

由表4可以看出，對應相同的浸水歷時，不同巖性的粗粒土的飽和體變相對誤差RE有一定差異，雙江口的堆石料的RE最小，而其它4種料的RE比較接近。由于筆者試驗的土料種類相對較少，巖性不同導致飽和體變相對誤差的差異還很難評價，有待更多試驗資料的驗證。

另一方面，表4和圖7顯示，隨著浸水歷時的增加，試樣RE顯著減小。如果浸水歷時僅僅0.25 h，較低圍壓下不同巖性試樣的RE平均達6.48%；而當浸水歷時為2 h，該相對誤差減少到2.54%，浸水8 h后，其相對誤差可控制在1%以下。

圖7表明，0～2 h內，曲線比較陡；浸水歷時超過2 h后，曲線趨于平緩，飽和體變相對誤差隨時間增大減小緩慢。在0～2 h內，盡管RE隨時間增加而顯著減小，但是，對應浸水歷時1 h的RE平均最大3.09%，0.5 h的RE平均最大也只有5.29%。因此，對于粗粒土大型三軸剪切試驗，試樣浸水飽和時間建議取0.5～1 h。對于蠕變試驗，對試樣變形測量精度要求較高，建議取2 h左右。

進行試驗的粗粒土最大粒徑為60 mm，由于粗粒土巖性的不同，試驗級配的不同，達到飽和時間有差異。因此，如級配最大粒徑﹥60 mm或大粒徑顆粒較多，應適當增加飽和時間。

3 結 論

對粗粒土的浸水飽和時間進行了試驗研究，分析了粗粒土的吸水規律，得出的結論如下：

1)4種不同巖性的粗粒土不同粒徑粒組的顆粒浸水飽和試驗表明，飽和時間與粗粒土的粒徑明顯成正相關，而且，顆粒巖性不同對其浸水飽和時間也有一定影響。

2)針對粗粒土的吸水過程，建立了雙曲線形式的吸水過程函數，并進行了驗證。

3)基于提出的吸水過程函數，建立了多粒組級配粗粒土的合理浸水飽和時間確定方法。建議大型三軸剪切試驗的試樣需要的飽和時間為0.5～1 h，蠕變試驗試樣的飽和時間為2 h，填補了相關研究的空白。

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Experimental Study of Saturation Time of Coarse-Grained Soil

ZHU Jungao1, 2, LI Xiang1, 2, XU Jiacheng3, DENG Gang4

(1. Key Laboratory of Geomechanics & Embankment Engineering of Ministry of Education, Hohai University,Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 2. Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, P.R.China; 3. China International Engineering Consulting Corporation, Beijing 100048, P.R.China; 4. Department of Geotechnical Engineering, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, P.R.China)

The inundation saturation test on different particle size of coarse grained soil from four earth-rock dams, including Shuangjiangkou, Lianghekou, Xiaolangdi and Maji was carried out. The relationships among water absorption rate, water absorption time, particle size and lithology of grain size were analyzed. The results show that there is a positive correlation between the saturation time and particle size of coarse-grained soil, and the lithology of grain size is also an important factor that influences the inundation saturation time. Furthermore, the correlation between the rate and time of water absorption turns out to be a hyperbolic function after a preliminary verification. Meanwhile, the saturation time of multi-particle groups in the actual test was further analyzed, and the reasonable saturation time and approach to estimate the time for the tri-axial shear and the creep test samples of coarse-grained soil were recommended. In the case of the coarse-grained soil with maximum particle size of 60 mm, the recommended saturation time of tri-axial shear test is among 0.5 ～1 h, and the recommended saturation time of the creep test is 2 h.

geotechnical engineering; coarse-grained soil; absorption process; saturation time; tri-axial shear test

2015-10-08；

2015-11-05

國家自然科學基金項目(51479052)；國家"973"計劃資助項目(2013CB036404)；江蘇省六大人才高峰項目(JZ-011)

朱俊高(1964—)，男，江蘇興化人，教授，博士，主要從事土體基本性質與本構模型、土石壩工程方面的研究。E-mail: zhujungao@hhu.edu.cn。

李 翔(1991—)，男，天津人，碩士研究生，主要從事堤壩與道路工程、本構模型方面的研究。E-mail:lixianghhu@163.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.17

TU443

A

1674-0696(2016)01-085-05