豎向應力對非飽和玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響

張 浪，雷學文，孟慶山，李 勇

(1.武漢科技大學 城市建設學院， 湖北 武漢 430065；2.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

豎向應力對非飽和玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響

張 浪1，雷學文1，孟慶山2，李 勇1

(1.武漢科技大學 城市建設學院， 湖北 武漢 430065；2.中國科學院 武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

為探究應力作用對土-水特征曲線的影響，采用非飽和土固結儀，測得了由低到高多級豎向應力作用下的重塑紅棕色玄武巖殘積土土-水特征曲線，并在此基礎上分析了豎向應力對玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響，利用參數模型對試驗結果進行擬合，獲得了土-水特征曲線的模型參數，并探討了其變化規律。結果表明：豎向應力對土-水特征曲線有不可忽視的影響，豎向應力越大，土體水分越不容易排出且減少的速率越慢，土體殘余含水率越大，增加相同的基質吸力時，豎向應力越大水分排出量越少，曲線越平緩；模型的擬合效果較好，隨著豎向應力的增大，參數B0、t增加，參數B1減小，得到各參數與豎向應力的定量關系式，建立了可以考慮較大范圍豎向應力的土-水特征曲線函數表達式。

土-水特征曲線；玄武巖殘積土；豎向應力；基質吸力；擬合

非飽和土力學是伴隨著水文學、土力學及土壤物理學等多學科的發展而形成的[1]，在巖土工程中，如公路路基、地下水位以上的地基、邊坡等往往都是處于非飽和狀態。含水率或飽和度與基質吸力的關系曲線稱為土-水特征曲線(Soil-Water Characteristic Curve，SWCC)。土-水特征曲線是非飽和土力學理論體系中重要的本構關系之一，是解釋非飽和土性狀的一個重要的概念性工具，其關系到土的強度[2]、滲透系數[3]、土壤水分的運動方程[4]，從一定程度上可以反映非飽和土的內部結構，決定非飽和土的工程力學性質。

在畢節至威寧高速公路沿線存在大量的玄武巖殘積土坡，且基本處于非飽和狀態。目前對于玄武巖殘積土非飽和特性的研究較少，且側重于天然狀態下表層非飽和土體的研究。褚進晶等[5]試驗表明，土體的干密度越大，土的進氣值越大，脫水速率越小。余沛等[6]探究了干密度對重塑與原狀玄武巖殘積土土-水特征曲線的影響。結果表明，不同干密度下重塑與原狀玄武巖殘積土的土-水特征曲線形狀基本相似，干密度越大，土體的進氣值越大，且干密度對土體進氣值后的曲線斜率有較大影響。而邊坡土體與其它實際工程中土體大多會受到上覆荷載或者其它附加應力的作用，因此有必要考慮應力狀態對土-水特征曲線的影響。在已有的考慮應力對土-水特征曲線影響的文獻中，大多考慮較小的應力作用。宋亞亞等[7]測得了0～200 kPa應力下重塑黏土的土-水特征曲線，分析認為豎向應力越大，曲線越平緩，水分越不容易排出。Ng C W W等[8]、王世梅等[9]考慮了固結壓力對土-水特征曲線的影響。馮君等[10]通過控制基質吸力，逐級增加凈豎向應力，確定土體的屈服應力，探究了屈服應力對土-水特征曲線的影響。羅啟迅等[11]、陳東霞等[12]、胡孝彭等[13]發現土體進氣值隨著應力的增加而增大。褚峰等[14]認為西安原狀黃土在凈豎向應力小于等于400 kPa時，可以不考慮凈豎向應力的影響。扈勝霞等[15]認為非飽和重塑黃土的壓縮指數除了受豎向壓力影響外，也受吸力作用影響。

土體由于上覆荷載或其它附加應力使其受到一定的應力作用，而殘積土邊坡土體的工程性質與其應力狀態和土中吸力密切相關[16]，且土體所處的埋深不同所受的應力大小也會不一樣，為探究應力狀態與玄武巖殘積土土-水特征曲線的關系，測得了從0～1 600 kPa范圍內的不同豎向應力作用下玄武巖殘積土的土-水特征曲線，分析了豎向應力對土-水特征曲線的影響，并建立了關于體積含水率、基質吸力和豎向應力的函數表達式。

1 試驗基本情況

1.1 試 樣

試驗土樣取自畢威高速公路玄武巖殘積土坡，顏色為紅棕色，風化程度高，通過XRD分析得知土樣主要礦物成分為高嶺石、赤鐵礦、石英，室內測得土樣物性指標見表1，根據物性指標可以判斷其屬于黏性土。

表1 紅棕色玄武巖殘積土的物性指標

根據密度、含水率配置土樣，配置好的土樣密封放入保濕缸中靜置24 h，讓水分充分均勻，將水分均勻后的土樣取出分層搗筑密實做成直徑為61.8 mm高度20 mm的標準試樣。

1.2 試驗儀器

試驗儀器采用FGJ-20型非飽和土固結儀，該儀器由中國人民解放軍后勤工程學院、電力部電力自動化院大壩所和江蘇省溧陽市永昌工程實驗儀器有限公司聯合研制生產。此固結儀的主要結構有壓縮部件、容器罩子部件、加荷部件、臺架部件、數據采集。與常規固結儀相比，該儀器在試將取回后的土體風干、去雜質、碾磨，將磨細后的土樣過2 mm篩子，其中粒徑小于0.075 mm的占93.71%。然后根據試驗所需的干樣底座上裝有一塊進氣值為500 kPa的陶土板，飽和陶土板有透水不透氣的特性，可以控制試樣的基質吸力。加載部件可以對試樣施加0～2 000 kPa的豎向應力，能探究豎向應力對土體土-水特征曲線的影響，試驗過程中的排水量和豎向位移的數據可通過采集系統直接由電腦導出。

1.3 試驗方案和步驟

試樣采用重塑土，初始質量含水率為27.5%，初始干密度為1.25 g/cm3，試樣做好后經過飽和—固結—脫濕三個過程：首先將試樣放入飽和缸中抽氣超過3 h，浸泡超過24 h，經過計算飽和度，表明飽和效果較好；飽和后的試樣在豎向應力分別為0 kPa、200 kPa、400 kPa、800 kPa、1 200 kPa、1 600 kPa下進行固結；在豎向應力下固結穩定后，逐級施加基質吸力，所施加的基質吸力分別為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa。待試樣在最后一級基質吸力下穩定后，打開壓力罩，取出試樣測得其含水率，計算實際排水量并與測量排水量對比。

2 試驗結果與分析

利用非飽和固結儀測得多級豎向應力作用下的土-水特征曲線試驗結果，如圖1所示。

圖1豎向應力對土-水特征曲線的影響

從圖1中可以看出：

(1) 相同初始含水率與干密度的試樣所受到的豎向應力越大，曲線的起點越低，即固結后的含水率越小。

(2) 隨著豎向應力的增大，施加相同的基質吸力，土體的體積含水率隨基質吸力的增大其減小的速率變慢，土-水特征曲線變平緩。豎向應力越大時，土顆粒的膠結作用越強，土樣越密實，孔隙越小。而當基質吸力一定時，小于某一等效孔徑的土體孔隙中的水分不會被排出，只有大于此孔徑的土體孔隙水因基質吸力作用而喪失，所以豎向應力越大，孔隙越小，則土體中的孔隙水排出越困難，排出量也越少，使得土-水特征曲線變平緩，持水性能力增強。

(3) 土體的殘余含水率隨著豎向應力的增大而增加。因為隨著豎向應力的增大，孔隙結構發生改變，孔徑減小，毛細作用的影響增大，孔隙水在較小的孔隙與較大的豎向應力下，吸力的大幅度增加只能引起土體含水率的很小變化。

(4) 隨著豎向應力的增大，固結后的含水率減小，殘余含水率增加，說明豎向應力越大，含水率的變化范圍越小。豎向應力增大，孔隙體積減小，孔隙水量減小，而毛細作用增強，水分不易排出，導致含水率的變化范圍減小。

(5) 不同豎向應力對應的土樣其殘余含水率之間存在一個差值，當豎向應力小于400 kPa時差值較大，而超過400 kPa后差值較小，說明當豎向應力超過400 kPa時，對土-水特征曲線的影響減小。因為豎向應力大于400 kPa時，土體已經比較密實，土體的壓塑模量較大，豎向應力的增加，引起土體的應變較小，對土體的孔隙影響不大，因此繼續增加豎向應力對土-水特征曲線的影響較小。

3 土-水特征曲線的函數擬合

3.1 體積含水率-基質吸力關系函數擬合

目前對于土-水特征曲線還無法建立起統一的理論方程，本文根據前人的經驗[7]和曲線形狀而選擇的指數衰減參數方程(1)對不同豎向應力下土-水特征曲線進行函數擬合。

θw=B0+B1e-Pc/t

(1)

式中：θw為體積含水率；Pc為基質吸力；B0、B1、t為函數中的參數。

圖2為運用Origin軟件對不同豎向應力下試驗數據的擬合曲線，表2為擬合參數。擬合函數的相關系數R2均大于0.97，擬合效果較好。

圖2 擬合后的土-水特征曲線

3.2 豎向應力對各參數的影響

3.2.1 豎向應力對B0的影響

對于公式(1)當Pc趨于無窮大時θw=B0，即當基質吸力足夠大時，含水率不再變化而等于一個固定值B0。豎向應力P與B0的關系曲線如圖3所示。

整體上參數B0隨著豎向應力的增大而增大，對于豎向應力小于等于400 kPa時，線性擬合發現其R2=0.9998，可認為豎向應力較小時B0基本呈線性變化，擬合函數表達式見式(2)；對豎向應力大于或等于400 kPa用直線擬合，R2也高達0.9961，表達式見式(3)。整體趨于拋物線可用二次函數表達，其函數表達式見式(4)，R2=0.9801。

0 kPa≦P≦400 kPaB0=0.0084P+35.858

(2)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB0=0.0024P+38.333

(3)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB0=-2×10-6P2+0.0073P+36.126

(4)

由圖3可以看出，B0與豎向應力前后兩段均呈線性變化，且前一段斜率大于后一段，即當豎向應力超過400 kPa時，對B0的影響減小，整體曲線中B0的增長呈減小趨勢，說明隨著豎向應力增大對殘余含水率的影響減小。

圖3豎向應力P與B0關系圖

3.2.2 豎向應力對B1的影響

B1=θw0-B0為可變含水率，θw0為基質吸力等于0時的飽和含水率，即圖1中不同豎向應力下土-水特征曲線的起點。基質吸力為0時的飽和含水率隨著豎向應力的增大而減小，而B0隨著豎向應力的增大而增大，因此θw0與B0的差值即B1，隨豎向應力的增大而減小。豎向應力P與B1的關系曲線如圖4所示。

由圖4可知，整體上B1隨豎向應力的增加而減小。當豎向應力小于等于400 kPa和大于等于400 kPa呈線性變化，前者下降的速度大于后者，對兩部分用一次函數擬合表達式見式(5)、式(6)，R2分別為0.9958、0.9929，而對整體用二次函數進行擬合表達式見式(7)，R2為0.982。

0 kPa≦P≦400 kPaB1=-0.0172P+16.551

(5)

400 kPa≦P≦1 600 kPaB1=-0.0052P+11.682

(6)

0 kPa≦P≦1 600 kPaB1=5×-6P2-0.0151P+16.028

(7)

圖4豎向應力P與B1關系圖

試樣經過抽真空飽和放入固結儀中，在施加豎向應力前，各試樣的初始含水率、干密度相同且處于飽和狀態，隨著豎向應力的施加，土體產生變形，水分被排出，假定土顆粒與水分都不能被壓縮，則水分的排出量等于孔隙的減少量。在前期由于土體比較疏松施加一定的豎向應力后，土體的壓縮變形較大，對θw0與B0都有較大影響，因此B1的減小速率較大。當豎向應力增加到一定值時其對孔隙的影響減小，則對水分的排出量影響也減小，所以θw0的減小速率變慢，而隨著豎向應力的增大對B0的影響也減小，從而豎向應力對B1的影響減小，導致B1的減小速率較小。

3.2.3 豎向應力對t的影響

豎向應力對擬合函數參數t也有較大的影響。豎向應力P與t的關系曲線如圖5所示。

圖5豎向應力P與t關系圖

t隨著豎向應力的增加而增大，t越大表示單位基質吸力的增加引起的含水率減小的幅度越小，因為豎向應力越大孔隙越小，增加相同的基質吸力，所能排出的水分越少。試驗數據用二次函數進行擬合，函數表達式見式(8)，R2=0.9935。

t=-1×10-5P2+0.0469P+28.758

(8)

3.3 只含有參數P的土-水特征曲線函數表達式

由于已經得到參數B0、B1及t各自與豎向應力P的定量函數關系式，可以將式(1)中的參數B0、B1及t用P代替，得到只含有參數P的土-水特征曲線函數表達式(9)：

θw=-2×10-6P2+0.0073P+36.126+

(5×10-6P2-0.0151P+16.028)e-Pc/(-1×10-5P2+0.0469P+28.758)

(9)

表達式適用于低、中、高各等級的豎向應力，范圍為0～1 600 kPa。

4 結 論

采用非飽和土固結儀，對0～1 600 kPa范圍內多級豎向應力下的玄武巖殘積土土-水特征曲線進行研究，得到如下結論：

(1) 豎向應力對玄武巖殘積土的土-水特征曲線會產生一定的影響，豎向應力越大，增加相同的基質吸力排出的水分越少，殘余含水率越大。當豎向應力大于400 kPa時，對土-水特征曲線的影響會減小。

(2) 在不同的豎向應力下土-水特征曲線可以用同一經驗函數進行擬合，擬合函數的相關系數都超過0.97，擬合效果較好。

(3) 土-水特征曲線的擬合參數B0、B1、t意義明確，可以與豎向應力進行較好的擬合，得到與豎向應力之間的定量函數關系式，能夠結合豎向應力對土-水特征曲線給出解釋。

(4) 建立了把豎向應力作為唯一參數的非飽和玄武巖殘積土的土-水特征曲線的函數表達式。

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InfluenceofVerticalStressonSoil-WaterCharacteristicCurveofUnsaturatedBasaltResidualSoil

ZHANG Lang1, LEI Xuewen1, MENG Qingshan2, LI Yong1

(1.CollegeofUrbanConstruction,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei430065,China; 2.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofScience,Wuhan,Hubei430071,China)

The multi-stage vertical stress under the action of red brown-basalt residual soil water characteristic curve by the utilization of unsaturated consolidation apparatus was adopted to analyze the vertical stress of basalt residual soil-water characteristic curve model parameter of soil-water characteristic curve is obtained by making use of parameter model to match the test result and exploration of changing rule is also made. The results show that vertical stress plays an unignorable influence on soil-water characteristic curve. The larger the vertical stress is, the more difficult soil moisture is discharged and the slower the reducing rate is; the larger the vertical stress is, the less discharge capacity of moisture and the greater residual moisture content. If model fitting effect is good, parametersB0andtincrease while parameterB1decreases along with magnification of vertical stress. Quantitative relational expressions between various parameters and vertical stress are acquired to establish the function expression of soil-water characteristic curve of vertical stress in consideration of wide range.

soil-watercharacteristicscurves;basaltresidualsoil;verticalstress;matrixsuction;fitting

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.020

2017-05-21

2017-06-20

西部交通建設科技項目(2009318802074)

張 浪(1990—)，男，湖北咸寧人，碩士研究生，研究方向為特殊土工程特性及災害治理。E-mail:1258509571@qq.com

雷學文(1962—)，男,湖北黃岡人,教授,博士,博士生導師,主要從事巖土工程與地下工程方面的工作。

E-mail:leixuewen@wust.edu.cn

TU43

A

1672—1144(2017)05—0118—05