贛南凝灰巖殘積土水-力相互作用特性研究

譚宏大,簡文星,盧 游,宋 治

(中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

我國南方火成巖分布廣泛且風化作用強烈，形成大量殘積土土質斜坡，在降雨等因素作用下易產生斜坡的變形破壞。目前研究人員對花崗巖殘積土的研究較多[1-6]，對其他類型的殘積土的研究相對較少。凝灰巖殘積土在我國東南沿海地區分布較為廣泛，對其工程特性進行研究顯得十分必要。目前已有許多學者對凝灰巖殘積土的有關工程特性進行了研究，如丁少林等[7]通過試驗探討了凝灰巖殘積土基質吸力隨含水率的變化規律；Zuo等[8]通過研究發現含水率和干濕循環對凝灰巖殘積土的結構具有顯著的影響；Wang等[9]研究了凝灰巖殘積土與花崗巖殘積土在剪切條件下的差異。

土的水-力相互作用特性的研究包括土-水特征曲線、滲透系數函數、吸應力和非飽和抗剪強度等方面。胡孝彭等[10]討論了不同應力狀態對土-水特征曲線的影響規律；陳輝等[11]建立了一種確定非飽和土的土-水特征曲線的方法；祝艷波等[12]通過試驗研究了巴東組非飽和紅土的基質吸力特征，并提出了經驗抗剪強度公式；劉子振[13]基于非飽和土雙應力理論，提出了不同含水率條件下非飽和土的抗剪強度公式，并分析了其對邊坡穩定性的影響。

贛南山區凝灰巖殘積土風化層較厚，區域內降雨量較大，在高速公路建設過程中形成了大量凝灰巖殘積土邊坡，在降雨入滲作用下邊坡土體的基質吸力、滲透系數、吸應力和抗剪強度不斷發生變化，致使邊坡的安全穩定性不斷變動，容易導致邊坡的變形破壞。本文重點研究了凝灰巖殘積土水-力相互作用的特性，可為贛南山區凝灰巖殘積土邊坡的穩定性分析和防護設計提供參考。

1 凝灰巖殘積土的物理性質和抗剪強度特性

1. 1 凝灰巖殘積土的物理性質

本文通過采集江西安定高速公路A2標段YK170+460～YK170+860右側試驗邊坡處典型的凝灰巖殘積土原狀試樣，對其進行了物理性質試驗，得到該凝灰巖殘積土原狀樣的基本物理性質參數，詳見表1。

表1 凝灰巖殘積土原狀樣的基本物理性質指標

由表1可見，凝灰巖殘積土原狀樣的孔隙率較大，滲透系數較小，滲透能力差，且塑性指數較大。

1. 2 凝灰巖殘積土的抗剪強度特性

本文采用三軸固結不排水剪切試驗研究了凝灰巖殘積土原狀樣的抗剪強度特性。采用的試驗儀器為南京泰克奧科技有限公司生產的TRA三軸剪切滲流儀。凝灰巖殘積土原狀樣用切土器切削制成，試驗樣品規格為直徑39.1 mm×高度80 mm，并采用抽真空飽和的方法使試樣充分飽和。通過試驗得到試樣的應力-應變關系，并根據摩爾-庫侖破壞準則可得到凝灰巖殘積土原狀樣的抗剪強度參數[14]，詳見表2。

表2 凝灰巖殘積土原狀樣的抗剪強度參數

由表2可見，凝灰巖殘積土原狀樣的總黏聚力為14.0 kPa、總內摩擦角為15.6°，有效黏聚力為7.8 kPa、有效內摩擦角為28.0°。

2 凝灰巖殘積土的水-力相互作用特性

2. 1 試驗方法及原理

本次試驗采用美國科羅拉多礦業大學Ning Lu等聯合研發的瞬態脫濕與吸濕試驗系統[15]，可以得到脫濕與吸濕條件下全吸力范圍內(0～106kPa)土樣的土-水特征曲線、滲透系數函數曲線和吸應力曲線。試驗樣品為直徑61.8 mm×高度40 mm的標準環刀樣。試驗土樣先經抽真空飽和，脫濕狀態下在壓力室中先施加較小的空氣壓力使土樣進行排水，待水不再排出時再施加較大的空氣壓力使土樣繼續排水直至平衡；脫濕過程結束后將氣壓調零，使土樣進入吸濕狀態直至達到重新飽和。

土樣中水流出的瞬態改變量是土樣特有的時間函數關系。通過試驗測得土樣中水的瞬態流出量可作為目標函數曲線用于反演模擬計算[16]，利用Hydrus-1D程序反演計算可得到凝灰巖殘積土原狀樣在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的模型參數。本文選取的凝灰巖殘積土原狀樣，試樣編號為NY-1、NY-2，通過試驗獲取其流出水量與時間的關系曲線(見圖1)，通過反演計算可以得到試樣NY-1、NY-2在脫濕與吸濕過程中水-力特征曲線的各模型參數，見表3。

由表3可見，脫濕過程中α(進氣值的倒數)、n(與孔隙特征相關參數)均大于吸濕過程中的α、n；脫濕過程中θs(飽和體積含水率)、Kw(飽和滲透系數)均小于吸濕過程中的θs、Kw，而模型參數的不同決定了脫濕與吸濕過程中凝灰巖殘積土水-力相互作用特性的差異。

圖1 凝灰巖殘積土原狀樣中流出水量與時間的關系曲線Fig.1 Curves of outlet water of undisturbed samples of the tuff residual soil with time

試樣編號θrαd/(kPa-1)ndθdsKds/(m·s-1)αw/(kPa-1)nwθwsKws/(m·s-1)NY?10．180．0681．270．512．25×10-70．2331．470．451．47×10-7NY?20．200．0691．250．522．25×10-70．2811．440．441．63×10-7NY0．190．0691．260．522．25×10-70．2571．460．451．55×10-7

本研究選取試樣NY-1、NY-2兩者各模型參數的平均值作為凝灰巖殘積土原狀樣的模型參數，試樣編號為NY(見表3)，來研究其水-力相互作用的特性。

參數α為土樣進氣壓力值的倒數，由表3可見，凝灰巖殘積土典型代表試樣NY在脫濕與吸濕條件下α值分別為0.069 kPa-1與0.257 kPa-1，因此可估算出凝灰巖殘積土原狀樣在脫濕條件下的進氣壓力值為14.6 kPa，在吸濕條件下的進氣壓力值為3.89 kPa。

2.2 凝灰巖殘積土的土-水特征曲線和滲透系數函數曲線

為了獲得土體基質吸力隨含水率變化的關系式，眾多研究人員在試驗的基礎上，提出了多種本構關系式，如Brooks-Corey(BC)模型、Fredlund-Xing(FX)模型和Van Genuchten(VG)模型。其中，VG模型的數學表達式包含了曲線中轉折點的信息，吸力范圍較廣，能更好地擬合實際的土-水特征曲線的形狀。簡化VG模型的表達式如下：

θ-θrθs-θr=11+[α|h|]n〗1-1n

(1)

式中:θ為土體任意時刻的體積含水率；θr為土體殘余體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；h為土體基質吸力水頭(m)；α為擬合參數，為土體進氣值的倒數(kPa-1)；n為擬合參數，與土體孔隙尺寸分布有關。

隨著土體含水率的變化，土體的滲透系數也會發生變化，因此測定非飽和土體不同含水率對應的滲透系數非常困難。通過瞬態脫濕與吸濕試驗，可得到用于確定非飽和土體滲透系數函數關系曲線的模型參數。本文采用Mualem模型，其表達式如下：

K=Ks{1-(α|h|)n-1[1+(α|h|)n]1n-1}2[1+(α|h|)n]12-12n

(2)

式中:K為非飽和土體的滲透系數函數(m/s)；Ks為土體的飽和滲透系數(m/s)，可通過試驗測得；其余參數意義同上。

以凝灰巖殘積土原狀樣NY為代表，根據表3中的參數，并結合式(1)和式(2)，可分別得到凝灰巖殘積土的土-水特征(SWCC)曲線和滲透系數函數(HCF)曲線，見圖2。

圖2 凝灰巖殘積土的SWCC和HCF曲線Fig.2 SWCC and HCF curves of the tuff residual soil

由圖2凝灰巖殘積土的土-水特征曲線(SWCC)可以看出：凝灰巖殘積土在脫濕和吸濕條件下的土-水特征曲線存在明顯的滯后效應。隨著含水率的減小，土樣的基質吸力不斷增大，且其增長速率逐漸加快；從飽和含水率到殘余含水率的變化范圍，土樣的基質吸力從0 kPa增長到106kPa；在相同含水率時，脫濕條件下土樣的基質吸力大于吸濕條件下的基質吸力；基質吸力相同時，土樣在脫濕過程中的含水率比吸濕過程中的含水率大；吸濕條件下土樣的飽和含水率比脫濕條件下的飽和含水率低，其原因是土樣經過脫濕過程后，在進行吸濕過程時試樣中產生了一定量的閉合氣泡，因而在吸濕過程結束后，試樣無法達到完全飽和的狀態。

由圖2中凝灰巖殘積土的滲透系數函數(HCF)曲線可以看出：凝灰巖殘積土在脫濕條件下的飽和滲透系數為2.25×10-7m/s，在吸濕條件下的飽和滲透系數為1.47×10-7m/s，滲透系數隨土樣含水率的減小而不斷減小，且在含水率較大時，土樣的滲透系數減小得更快；在基質吸力相同時，脫濕條件下土樣的滲透系數大于吸濕條件下的滲透系數。

由此可知：凝灰巖殘積土邊坡在脫濕條件下邊坡土體的滲透性能不斷減弱，在降雨入滲等吸濕條件下邊坡土體的滲透性不斷增強。

2. 3 凝灰巖殘積土的吸應力

Lu等[17-18]提出用吸應力σs取代Bishop有效應力參數χ和基質吸力來定義土-水粒間力，并提出了土體吸應力與基質吸力或飽和度的函數關系式,即

σs=-Se(ua-uw)=-S-Sr1-Sr(ua-uw)

=-θ-θrθs-θr(ua-uw)

(3)

式中：σs為土體吸應力(kPa)；S為土體飽和度；Sr為土體殘余飽和度；Se為土體有效飽和度；ua為土體孔隙氣壓力(kPa)；uw為土體孔隙水壓力(kPa)；其余參數意義同上。

Lu等[15]進一步闡釋了吸應力的熱力學意義：吸應力是土-水粒間力儲存的能量。經過公式推導，可得到以基質吸力S[S=(ua-uw)]形式表示的土體吸應力閉型方程:

σs=-S[1+(αS)n](n-1)n

(4)

式中：各參數意義同上。

根據表1中參數和式(4),可繪制凝灰巖殘積土的吸應力(SSCC)曲線,見圖3。

圖3 凝灰巖殘積土的SWCC和SSCC曲線Fig.3 SWCC and SSCC curves of the tuff residual soil

由圖3可見，凝灰巖殘積土的SSCC曲線與SWCC曲線呈一一對應的關系，土樣的吸應力小于基質吸力，且隨著含水率的減小，吸應力與基質吸力的差距不斷增大，土樣的吸應力隨含水率的增大而減小；在含水率相同時，土樣在脫濕條件下的吸應力大于在吸濕條件下的吸應力。

由此可知：凝灰巖殘積土邊坡在降雨入滲、毛細水上升等吸濕過程中邊坡土體的吸應力不斷減小，在蒸發、重力排水等脫濕過程中邊坡土體的吸應力不斷增大。

2. 4 凝灰巖殘積土的非飽和抗剪強度

Lu等[19]提出的吸應力理論，可計算凝灰巖殘積土的非飽和抗剪強度，其計算公式如下：

τf=c′+[(σ-ua)-σs]tanφ′

(5)

式中：τf為土體的抗剪強度(kPa)；c′為土體的有效黏聚力(kPa)；φ′為土體的有效內摩擦角(°)；σ為土體的軸向壓力(kPa)；其余參數意義同上。

利用式(5)和表2中凝灰巖殘積土的抗剪強度參數c′、φ′值，可得出凝灰巖殘積土的非飽和抗剪強度計算表達式為

τf=7.8+[(σ-ua)-σs]tan28°

(6)

式中：各參數意義同上。

結合式(4)，(σ-ua)表示凈法向應力，可得到凝灰巖殘積土原狀樣(NY)在不同凈法向應力條件下(100 kPa、200 kPa、300 kPa)脫濕與吸濕過程的非飽和抗剪強度曲線，見圖4和圖5。

圖4 凝灰巖殘積土在不同凈法向應力條件下脫濕過程的非飽和抗剪強度曲線Fig.4 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under drying condition and different net normal stresses

圖5 凝灰巖殘積土在不同凈法向應力條件下吸濕過程的非飽和抗剪強度曲線Fig.5 Curves of unsaturated shear strength of the tuff residual soil under wetting condition and different net normal stresses

由圖4和圖5可見，凝灰巖殘積土的抗剪強度隨含水率的增大而減小，且土體承受凈法向應力越大，其抗剪強度越大；當含水率較小時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率較快，當含水率較大時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率明顯變小。

由此可知：凝灰巖殘積土邊坡在降雨入滲等吸濕條件下，隨著含水率的增大，邊坡土體抗剪強度不斷減小，邊坡的安全穩定性系數相應減小，導致原本處于穩定狀態的邊坡可能發生變形破壞。因此，在邊坡的穩定性分析時必須充分考慮地下水及降雨等水的因素對邊坡的影響，且在邊坡的治理和防護設計中應將邊坡的截排水工程作為重要的治理和防護措施。

3 結 論

本文采用三軸固結不排水剪切試驗和瞬態脫濕與吸濕試驗，對贛南山區凝灰巖殘積土的抗剪強度和水-土相互作用特性進行了研究，得出如下結論：

(1) 凝灰巖殘積土的抗剪強度參數為c=14.0 kPa、φ=15.6°，c′=7.8 kPa、φ′=28.0°。

(2) 凝灰巖殘積土在脫濕和吸濕條件下土-水特征曲線存在明顯的滯后效應；凝灰巖殘積土在脫濕和吸濕條件下的基質吸力隨含水率的增大而減小，滲透系數隨含水率的增大而增大。

(3) 凝灰巖殘積土在脫濕條件下的吸應力大于吸濕條件下的吸應力，且在脫濕和吸濕條件下凝灰巖殘積土的吸應力隨含水率的增大而減小。

(4) 凝灰巖殘積土的抗剪強度隨含水率的增大而減小，當含水率較大時，土體抗剪強度隨含水率的增大變化速率明顯變小，且在接近殘余含水率時，土體的抗剪強度變化幅度較大。

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