廣西右江沿岸粘土三軸滲流剪切強(qiáng)度試驗研究

王元戰(zhàn)，郝林南，馬殿光，肖 忠

（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院天津市港口與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗室，天津300072；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，天津300456）

河道建設(shè)攔河壩形成水庫以后，沿岸地區(qū)自然條件將發(fā)生顯著變化，庫區(qū)兩岸水位的漲落，常使兩岸很多岸坡坍塌破壞［1］。如廣西右江上建設(shè)了那吉水利樞紐、魚梁水利樞紐等水利設(shè)施，樞紐建壩后航道岸坡破壞域天然航道情況類似，但庫區(qū)航道岸坡由于受樞紐調(diào)度影響，水位陡漲陡降更為明顯，因而更易于使兩岸很多岸坡坍塌破壞。

有關(guān)研究表明，河流和水庫的邊坡失穩(wěn)多由滲流作用引起，水位驟降就是影響邊坡失穩(wěn)的重要因素［2-3］。目前邊坡分析的最終著眼點(diǎn)一般都是邊坡的穩(wěn)定性，邊坡的安全系數(shù)、潛在最危險滑動面一直以來都是問題的焦點(diǎn)［4-5］。研究這些問題，所依賴的重要的基本力學(xué)參數(shù)——土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是通過室內(nèi)常規(guī)三軸剪切試驗獲得的。

為了獲得理想的試驗結(jié)果，試驗條件原則上應(yīng)與現(xiàn)場環(huán)境相一致。常規(guī)的室內(nèi)滲透試驗一般僅考慮孔隙比這一滲透性影響因素是不合理的，而且常規(guī)滲透試驗過程中試樣的應(yīng)力狀態(tài)與實(shí)際差異很大，采用三軸滲透試驗則能夠更好的模擬原狀土的實(shí)際受力狀態(tài)，從而可以在很大程度上克服室內(nèi)常規(guī)滲透試驗的先天不足，得到比較合理的滲透試驗結(jié)果［6］。隨著三軸滲透試驗儀器的逐漸被采用，有一些學(xué)者進(jìn)行了三軸滲透性試驗研究。朱建華［7］對土壩心墻原狀土進(jìn)行了研究，得出了三軸滲流試驗要比常規(guī)滲流試驗更準(zhǔn)確的結(jié)論，李永樂［8］等采用了特制的非飽和三軸滲流儀對黃河大堤非飽和粘土進(jìn)行了滲流特性的研究，得出了非飽和粘土滲透系數(shù)與圍壓、滲透系數(shù)與含水率之間的關(guān)系及變化規(guī)律，雷紅軍［9］等利用改進(jìn)的三軸滲透試驗裝置對高堆石壩心墻黏土進(jìn)行了一系列剪切過程中的滲透試驗，揭示了黏性土發(fā)生大剪切變形過程中其滲透系數(shù)隨軸向應(yīng)變的變化規(guī)律，并分別對圍壓、滲透壓力、滲透方向等因素對土體滲透性的影響進(jìn)行了探討。不同地區(qū)，由于地質(zhì)條件不同，粘性土的滲流特性及其抗剪強(qiáng)度特性也是不同的。因此，開展適用于廣西右江沿岸地區(qū)滲流作用下飽和粘土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律的研究有著很大的工程價值和科研需要。

廣西右江沿岸地區(qū)的表層覆蓋有紅土、赤紅土為主的粘性土，土層厚度約4 m，有機(jī)質(zhì)含量豐富，具有低孔隙比、低壓縮性、低滲透性的特點(diǎn)，為深入了解和掌握廣西右江沿岸地區(qū)粘土的滲流及抗剪強(qiáng)度特性，為邊坡治理提供更多的試驗數(shù)據(jù)和技術(shù)參考，文章在前人的理論和試驗研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)三軸試驗原理［10］，選取工程實(shí)地的粘土，研究土體在不同圍壓條件下受力壓縮后滲流系數(shù)的變化特征及滲透壓力作用下土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化特征，并給出了不同圍壓狀態(tài)下，比降—滲流速度、滲透壓力—粘聚力、滲透壓力—內(nèi)摩擦角間的變化規(guī)律及相應(yīng)關(guān)系曲線。

1 試驗裝置和試驗方法

1.1 試樣制備

飽和粘土試樣取自廣西壯族自治區(qū)右江上游那吉庫區(qū)段，其土性為粘土。土樣的參數(shù)經(jīng)過測定如表1所示。參照土工試驗規(guī)程SL 237-1999［11］的要求，制備出直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣。

表1 土樣參數(shù)Tab.1 Soils parameters

1.2 試驗裝置

飽和粘土的滲透特性及三軸抗剪試驗的試驗裝置采用SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲流試驗儀（圖1）。該儀器可以對三軸試驗進(jìn)行等應(yīng)力、等應(yīng)變控制，可以進(jìn)行UU、CU、CD試驗，不等向固結(jié)、等向固結(jié)、反壓力飽和、應(yīng)力路徑試驗和滲透試驗。儀器各部分采用單片機(jī)控制，各部分能夠獨(dú)立工作，而且能夠與計算機(jī)數(shù)據(jù)交換，集中數(shù)據(jù)采集處理。該儀器屬于多功能柔性控制三軸試驗儀器。在進(jìn)行三軸滲透試驗時，可采用恒壓差控制和恒流量控制兩種滲透方式，且施加的軸向力可達(dá)20 kN；周圍壓力的施加范圍為0～1.99 MPa；反壓力最大可達(dá)0.99 MPa；體積變化量控制在480 ml以內(nèi)。該套裝置由2個部分組成：（1）加壓系統(tǒng)，由壓力室、壓力環(huán)、液壓無級升降機(jī)構(gòu)和管路組成，壓力室用來施加圍壓，壓力環(huán)和液壓無級升降機(jī)構(gòu)用來施加軸向荷載，反壓則通過管路施加到土樣上；（2）控制反饋系統(tǒng)，由應(yīng)力應(yīng)變測量控制器、圍壓及孔壓測量控制器和2個反壓及體變量測控制器組成，通過傳感器和管路，將控制器與加壓系統(tǒng)各部分相連，即組成了控制反饋系統(tǒng)。

1.3 試驗方法

將原狀土切削成直徑為39.1 mm，高度為80 mm的試樣，同時測定土樣的含水率，然后將試樣放入飽和器中進(jìn)行抽真空飽和。飽和完成后，將試樣安放在三軸壓力室底座上，為了使水流均勻，在試樣的上下端均墊放了透水石和濾紙。同時準(zhǔn)備好橡皮膜，并在試樣帽和儀器底座處扎緊。然后通過圍壓及孔壓測量控制器向試樣施加圍壓σ3，經(jīng)過約24 h試樣在壓力室內(nèi)固結(jié)穩(wěn)定后，同時通過反壓及體變測量控制器1施加滲水壓力1，通過反壓及體變測量控制器2施加滲水壓力2，滲水壓力2一般設(shè)置為0。為了保證沿試樣邊壁不漏水，施加的滲水壓力總是小于室壓力。當(dāng)試樣的出水量穩(wěn)定時，此時即為穩(wěn)態(tài)滲流，通過試樣流出的水量即為滲流量。保持這種穩(wěn)定滲流狀態(tài)，同時通過應(yīng)力應(yīng)變測量控制器施加軸向荷載，以0.1 mm/min的速率勻速剪切土樣，直至土樣變形達(dá)到20%，此時認(rèn)為土樣達(dá)到破壞狀態(tài)。本系統(tǒng)的圍壓、反壓控制器由內(nèi)置的壓強(qiáng)傳感器和體變傳感器組成，測量精度分別為1 kPa和0.1 mm3；孔壓傳感器為獨(dú)立的傳感器，用于測量試樣孔隙水壓力，精度為1 kPa。

表2 三軸滲流剪切試驗方案Tab.2 Plan of shear and seepage triaxial test kPa

1.4 試驗方案

本次試驗采用的土樣是來自廣西右江沿岸的粘土，先進(jìn)行了20 kPa、27 kPa和35 kPa 3種圍壓下5種不同水力坡降下的滲流試驗，水力坡降分別為5、7.5、12.5、18.75和25。然后進(jìn)行三軸滲流剪切試驗。試驗方案如表2所示。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 三軸滲流試驗

飽和粘土的滲流試驗結(jié)果如圖2所示。

試驗結(jié)果表明，不同于砂性土滲透速度與水力坡降的線性關(guān)系，粘性土滲透速度與水力坡降之間的關(guān)系，偏離達(dá)西定律，表現(xiàn)為非線性規(guī)律，滲流速度隨著比降的增加，其增加的幅度越來越大。如圖2所示，并對曲線進(jìn)行擬合，如式（1）所示

式中：σ3為周圍壓力，kPa；i為比降；v為滲流速度，m/s。

對以上滲流試驗結(jié)果分析可推測，試樣所承受的圍壓越大，土顆粒之間會更加緊密，土顆粒越易于擠密產(chǎn)生顆粒重組，扁平狀的粘土顆粒越易于重新定向排列，從而會有更多的細(xì)小顆粒填塞孔隙通道使?jié)B透系數(shù)減小。

2.2 三軸滲流剪切試驗結(jié)果分析

滲流作用下飽和粘土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3～圖5。

對于該組土樣，進(jìn)行了三軸滲流剪切試驗，得到了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（表3），并得到了滲透壓力—內(nèi)摩擦角、滲透壓力—粘聚力關(guān)系圖，如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7知，土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角在19.5°～22.5°變化，變化幅度為13%，且內(nèi)摩擦角與滲透壓力間沒有較為明顯的遞增或者遞減的變化趨勢；粘聚力則由12.91 kPa降至5.87 kPa，變化幅度為55%，且有明顯的變化趨勢，粘聚力隨著滲透壓力的增加而減小，但減小的趨勢逐漸減緩，擬合公式為

式中：c 為粘聚力，kPa；c0為滲水壓力為 0 kPa 時的粘聚力，kPa；p為滲透壓力，kPa；pa為大氣壓力，kPa。

從試驗結(jié)果中可以看出，對飽和粘土而言，不同滲透壓力對內(nèi)摩擦角的影響不大，而對粘聚力的影響相對較大，其主要原因是由于粘土的內(nèi)摩擦角和粘聚力的形成機(jī)理不同而造成的。

粘土的粘聚力主要來源于：（1）土顆粒之間的相互引力，粘土的顆粒粒徑很小，總的比表面積比較大，所以顆粒間的相互引力很大；（2）含水量的影響。含水量增加時，抗剪強(qiáng)度降低，這是因為水分在較大土粒表面形成潤滑劑，使摩擦阻力降低。對細(xì)小的粘土粒，含水量增加時，結(jié)合水膜變厚，甚至增加自由水，則土粒之間的電分子力減弱，使粘聚力降低；（3）有些粘土中還有一些膠結(jié)物；（4）原始密度的影響。土的原始密度越大，土料間的咬合作用越強(qiáng)，受剪時首先需克服咬合作用，才能產(chǎn)生相對滑動。此外，土的密度大也意味著土粒間孔隙小、接觸緊密、原始內(nèi)聚力較大。因此原始密度對抗剪強(qiáng)度有很大影響，密度高的土，抗剪強(qiáng)度大。

表3 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Tab.3 Shear strength index

其中粘土顆粒間的膠結(jié)力對粘聚力的產(chǎn)生具有重要的作用。當(dāng)2個土粒間存在膠結(jié)物時，土顆粒間由膠結(jié)物相互連接，因而在土粒間表現(xiàn)出一定的連結(jié)強(qiáng)度。因此可推測，隨著滲透壓力的增大，土顆粒之間的膠結(jié)作用逐漸發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致了粘聚力降低。

3 結(jié)語

文章通過室內(nèi)三軸滲流試驗及滲流作用下的三軸剪切試驗研究，得到了廣西右江沿岸地區(qū)飽和粘土在不同圍壓狀態(tài)下，比降—滲流速度、滲透壓力—粘聚力、滲透壓力—內(nèi)摩擦角間的關(guān)系及變化規(guī)律，并對曲線進(jìn)行了擬合，形式簡單直觀，擬合結(jié)果與試驗值吻合較好。同時，通過對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：（1）飽和粘土的滲流系數(shù)不是一個常數(shù)，而是隨著比降的變化而變化，比降越大，滲流系數(shù)就越大；（2）對飽和粘土而言，不同滲透壓力對內(nèi)摩擦角的影響不明顯；（3）不同滲透壓力對粘聚力的影響相對較大，這是由于粘聚力的形成機(jī)理造成的，隨著滲透壓力的增大，粘聚力逐漸減小，但減小的趨勢減緩。

文章得到的廣西地區(qū)粘土滲流特性及滲流作用下的抗剪強(qiáng)度對該地區(qū)邊坡失穩(wěn)研究具有十分重要的意義，也可為其他地區(qū)粘性土滲流及抗剪強(qiáng)度研究提供一定參考。

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