基于非飽和土壓強度計算模型的土濕吸力物理模型試驗分析

王 鑫

(遼寧海闊水利水電工程有限公司，遼寧 遼陽 111000)

隨著土體含水率的變化，土體土濕吸力也在不斷變化，而土濕吸力是影響土體抗剪強度的重要指標，也是影響水利工程設計穩定性的重要因素[1- 2]，因此在工程設計前，需要對設計土體的土濕吸力與含水率的關系進行分析。當前，對于土濕吸力與含水率關系大都采用模型計算[3- 6]，但物理模型試驗方式更為直觀，通過物理模型的方式可以分析不同土體干實密度下土體含水率與土濕吸力之間的關系，探討不同含水率與土濕吸力的相關性。本文結合在土體力學計算較為實用的非飽和土壓強度模型，采用物理模型試驗的方式，探討土濕吸力與含水率的關系。研究成果可為水利工程設計中的土濕吸力指標確定提供參考價值。

1 非飽和土壓強度計算模型

非飽和土壓強度計算模型主要計算土體表層的濕吸力，其計算方程為：

PS=(2σ/R)sin(θ+φ)/sinφ

(1)

式中，PS—土體表層的濕吸力；θ—接觸角度值；φ—飽和角度值；σ—土體表層張力系數；R—土體顆粒的半徑值。

在計算土地表層濕吸力的同時，非飽和土壓強度計算模型對土體宏觀濕吸力進行計算，計算方程為：

S=(σ/R)sin(θ+φ)(1-cosφ)/sinφ

(2)

式中，S—土體宏觀濕吸力。當土地接觸角θ達到常量時，土體濕吸力與飽和角呈現線性關系，模型建立含水率與與飽和角之間的線性關系，不同土體顆粒之間的間隙容量計算方程為：

V1=πr2·2h

(3)

2V2=2·πh2·(R-h/3)

(4)

式中，V1—土體圓柱的體積；V2—土體圓球的體積；h—土體柱體側面高度；r—土地柱體的底部半徑。則土體顆粒之間的孔隙容積V計算方程為：

V=6πR3(1-cosφ)2(2cosφ+1)

(5)

公式(5)中各變量含義同公式(1)中變量含義。在土體孔隙率計算的基礎上，需要確定軟土地基的含水率，計算方程為：

w=1.0·V/2.7·(4πR3/3)

(6)

即為：

w=51(1-cosφ)2(2cosφ+1)/3

(7)

其中在公式(6)和(7)中變量含義同公式(1)中變量含義。

2 試驗方法

本次進行試驗的土壤質地為壤土，試驗土樣的物理參數見表1，按照設計的土體含水率進行試驗水量的設置，將土樣進行風干后按照不同含水率進行塑料封裝。在恒定溫度條件下將試驗土樣進行靜置，保證土樣中的水分進行均勻分布，在靜置完成后，按照土樣設計的干密度進行密實試驗。在進行數據測定時，在試驗儀器中間放置用于測定土濕吸力的濾紙。為了保證濾紙測定數據的準確性，需要在進行恒溫平衡處理，一般時間周期為10d。平衡結束后，取出試驗濾紙，對濾紙進行稱重分析，結合試驗前后濾紙的重量，分析土濕吸力。

表1 試驗土樣的物理性質

3 試驗成果

在進行不同干密度、不同含水率下土樣濕吸力試驗測定后，結合非飽和土壓強度模型對土濕吸力進行計算，分析試驗土樣不同干密度下土濕吸力與土樣含水率以及不同初始含水條件下土濕吸力與土樣含水率之間的關系。

3.1 不同干密度下土濕吸力和含水率之間關系的試驗結果

對不同干密度條件下的土濕吸力進行測定，并結合非飽和土壓強度確定土濕吸力與土樣含水率之間的關系，試驗分析結果如圖1所示。

圖1為不同干密度下土體含水率及飽和度和土濕吸力的試驗分析結果，從試驗結果可以明顯看出，隨著干密度增加，隨著土體含水率和飽和度的增加，土濕吸力呈現較為明顯下降趨勢，當土體含水率達到15%～20%之間，土濕吸力下降趨勢較為平穩。從飽和度和土濕吸力的試驗分析結果可以看出，和土壤含水率一致，當土體含水率飽和度逐漸增加時，土濕吸力逐步減小。當土體飽和度在40%～80%之間時，土濕吸力下降趨勢較為平穩。

圖1 不同土體干密度下土體含水率及飽和度與土濕吸力的試驗分析結果

3.2 不同初始土體含水率條件下土濕吸力和含水率之間關系的試驗結果

為分析不同初設土體含水率條件下的土濕吸力和含水率以及飽和度的關系，分別針對4種初設土壤含水率條件，進行9組不同飽和土和含水率下的土濕吸力試驗，試驗結果見表2及圖2。

表2 不同初設土含條件下土濕吸力與含水率的試驗結果

圖2 不同初始土含條件下土壤含水率與土濕吸力試驗結果

從表2中可以看出，隨著土體初始含水率的增加，在不同飽和度和含水率條件下，土體表層和宏觀上的土濕吸力均呈現下降趨勢，且遞減速率較大。這主要是因為在不同初始土體含水量下，區域土體含水率的增加勢必減小土體孔隙之間的黏聚力和內摩擦力，使得土體之間的土濕吸力逐步減小。從圖2中可以看出，不同初始土含條件下，土體含水率和土濕吸力的相關性逐步增加，當土體含水率達到25%時，相關性達到最佳。

3.3 原狀土含水率抗剪強度與土濕吸力試驗結果

為分析土體抗剪強度與土體濕吸力之間的關系，結合原狀土體，進行了不同含水率條件下的土體抗剪強度與土濕吸力的試驗，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同干密度下土體抗剪強度與土濕吸力試驗結果

從圖3中可以看出，相同土體抗剪強度，土體干密度越大，其土濕吸力越大。初始土體含水率越小，其土體抗剪強度和土濕吸力越大。在初始階段，土體土濕吸力和抗剪強度逐步增加，當達到一定的土濕吸力后，土體抗剪強度達到穩定。當干密度等于1.5時，土濕吸力增加到10～15MPa后土體抗剪強度趨于穩定值。而當干密度等于2.0時，土體抗剪強度達到穩定階段時間有所延遲，當土濕吸力增加到13～15MPa后，土體抗剪強度達到穩定。因此在水利工程設計時，結合土體干密度確定土體抗剪強度的穩定性。

4 結語

本文結合非飽和土壓強度模型，采用物理模型試驗方式，對非飽和土體的土濕吸力和含水率之間的關系進行試驗分析，試驗取得以下結論：

(1)含水率增加，土體土濕吸力呈現較為明顯的遞減變化特征，當土體含水率達到15%～20%之間，土濕吸力下降趨勢較為平穩。

(2)土體含水率的增加勢必減小土體孔隙之間的黏聚力和內摩擦力，土體含水率達到25%時，土體含水率和土濕吸力相關性達到最佳。

(3)在水利工程設計時，應結合土體干密度確定土體抗剪強度的穩定性，隨著土濕吸力的增加，土體抗剪強度在初始階段上漲明顯，而后區域穩定。

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