路基非飽和土抗剪強(qiáng)度的吸力效應(yīng)

劉東燕，鄭志明，2，侯 龍，3，趙寶云，伍川生

（1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400045；2.重慶市公路局，重慶401147；3.美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)，戈?duì)柕?0401）

道路工程是一種長(zhǎng)線、跨區(qū)域式的土木工程建設(shè)活動(dòng)，路基質(zhì)量的好壞是道路運(yùn)行期間適用性與安全性的根本性保證。而路基的建設(shè)，往往受制于交通條件、料場(chǎng)分布以及工程地質(zhì)等條件的影響。在經(jīng)濟(jì)效益總調(diào)控的前提下，如何在最大程度上的發(fā)揮路基工程自身的持久性能，是道路建設(shè)工作中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

從一般意義上講，道路路基屬于邊坡工程的范疇，但與自然邊坡所不同的是，它是人工活動(dòng)的產(chǎn)物，有其特殊的工程地質(zhì)性質(zhì)：路基邊坡土體性質(zhì)較為均一，密實(shí)度高，坡面形狀也相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)明顯的潛在滑移面存在。但處于特殊地段的路基邊坡，往往會(huì)受到很多不利因素的持久性、周期性影響，如庫(kù)區(qū)水位的周期性升降會(huì)對(duì)庫(kù)區(qū)道路的路基土體產(chǎn)生滲流和沖刷作用，帶走土體內(nèi)的細(xì)小土顆粒，土體結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生變化，朝砂性土轉(zhuǎn)變；此外，土體含水量也會(huì)隨外界水位變化情況而產(chǎn)生變化。相應(yīng)的，對(duì)土體強(qiáng)度有著重要影響的基質(zhì)吸力也會(huì)發(fā)生變化，這些因素均會(huì)影響路基邊坡的安全性能［1－4］。因此，著眼于基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)形式，對(duì)于包括路基工程在內(nèi)的初期土工設(shè)計(jì)與施工而言，是十分有必要的。

1 相關(guān)基本理論

路基土體產(chǎn)生破壞，往往發(fā)生在淺層土體內(nèi)，這些土體通常是位于地下水位以上的，也即是非飽和土。即使受到外界水位變動(dòng)作用（如位于庫(kù)區(qū)內(nèi)的道路），因?yàn)橥馏w內(nèi)浸潤(rùn)面和外界水位不能同步變化，土體在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)也是處于非飽和狀態(tài)的。Fredl und等［5－6］針對(duì)非飽和土的抗剪強(qiáng)度提出了式（1）所示相互獨(dú)立的雙應(yīng)力變量公式：

很多學(xué)者的研究結(jié)果［7－9］表明，土體的基質(zhì)吸力會(huì)對(duì)土體的抗剪強(qiáng)度做出積極的貢獻(xiàn)，即土體強(qiáng)度會(huì)隨著基質(zhì)吸力的增加而增加，這種現(xiàn)象常被稱(chēng)之為吸力效應(yīng)，已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)同。但常識(shí)告訴我們，這種情況并不是絕對(duì)存在于各類(lèi)土體中的。如純凈的砂土，當(dāng)其處于完全飽和與完全干燥的2種極端狀態(tài)時(shí)，都呈現(xiàn)出抗剪強(qiáng)度完全喪失的現(xiàn)象，這說(shuō)明該類(lèi)土體的基質(zhì)吸力并不是一味的對(duì)土體抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生有利影響的。這種現(xiàn)象也得到了一些學(xué)者的試驗(yàn)驗(yàn)證，如文獻(xiàn)［10］、［11］中所述。但同時(shí)從宏觀常規(guī)試驗(yàn)和土體微觀結(jié)構(gòu)兩方面來(lái)闡述這種現(xiàn)象的研究，卻鮮見(jiàn)于相關(guān)文獻(xiàn)中。筆者從這2個(gè)方面入手，就此問(wèn)題進(jìn)行定量的研究，以期所得結(jié)果能夠豐富已有的研究成果。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

位于特殊地段，特別是位于庫(kù)區(qū)內(nèi)的道路路基，由于受到庫(kù)區(qū)水位上升－下降的周期性變動(dòng)的影響，路基土體內(nèi)的細(xì)粒成分 （主要是粘土顆粒）會(huì)不斷被沖刷帶走，顆粒尺寸較大的砂粒含量將逐漸增加。久而久之，某些地段的路基土體會(huì)呈現(xiàn)出砂性土體的物理力學(xué)特征。針對(duì)此種情況，取某庫(kù)區(qū)消落帶高速路砂性路基土體進(jìn)行研究，根據(jù)土顆粒篩分試驗(yàn)結(jié)果，將此土體定義為粉質(zhì)砂土。若將先期試驗(yàn)所得的吸力值與相應(yīng)的含水量作為基礎(chǔ)輸入數(shù)據(jù)，通過(guò)RETC軟件擬合出該土樣的土－水特征曲線，則可進(jìn)而得到土樣的基本水力學(xué)參數(shù)，如圖1所示。已知的土樣基本性質(zhì)參數(shù)歸納于表1之中。

圖1 土樣土－水特征曲線

表1 土樣基本性質(zhì)參數(shù)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方案

在自然條件作用下，土體含水量是不斷變化的，在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)的基質(zhì)吸力值也不會(huì)停留在某一穩(wěn)定值上，同一土體在處于不同水力路徑條件時(shí)，即使含水量相同，由于非飽和土體的持水滯后特性，其相應(yīng)的基質(zhì)吸力值也有所不同；相關(guān)試驗(yàn)研究所得的結(jié)果也表明，砂性土體在常規(guī)含水量變化范圍內(nèi)，所能達(dá)到的基質(zhì)吸力會(huì)較粘性土體的小很多。由此，為了探究最一般的規(guī)律，筆者在較為理想的條件（不考慮滯后效應(yīng)，選取代表性基質(zhì)吸力值進(jìn)行土體抗剪強(qiáng)度研究）下進(jìn)行吸力控制型試驗(yàn)，試驗(yàn)所用土體的吸力值控制在數(shù)值較小且具有代表性的幾個(gè)點(diǎn)上，即：0（飽和土體）、5、10、15 k Pa。

試驗(yàn)所用設(shè)備為美國(guó)Traut wein土工設(shè)備制造公司生產(chǎn)的Digi ShearTM型多功能直剪測(cè)試系統(tǒng)（如圖2所示），該系統(tǒng)具有測(cè)試精度高、操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)過(guò)程實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。為進(jìn)行不同基質(zhì)吸力條件下的試驗(yàn)，將該試驗(yàn)設(shè)備置放土樣的部件進(jìn)行簡(jiǎn)單改裝，用一密閉的玻璃罩扣住安放土樣的試驗(yàn)容器，玻璃罩上下兩端面連接導(dǎo)管，上面的導(dǎo)管可用于施加高壓氣體，下面的導(dǎo)管上安有閥門(mén)，并將該管與一置于電子天平上的儲(chǔ)水容器相接，對(duì)土體施加壓力氣體時(shí)，可通過(guò)電子天平上的讀數(shù)來(lái)判斷土體含水量是否趨于穩(wěn)定。若設(shè)水壓為0 k Pa的參考值，則所施加的氣壓大小就等于土樣處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的基質(zhì)吸力值。為方便理解，將試驗(yàn)設(shè)備局部結(jié)構(gòu)以草圖的形式繪于圖3中。

圖2 試驗(yàn)裝置圖

圖3 試驗(yàn)裝置草圖

試驗(yàn)主要步驟為：1）在真空儲(chǔ)水容器里將土樣飽和，土樣下面要墊上一高進(jìn)氣值陶瓷板 （HAE），該階段大約需要2 h；2）對(duì)土樣施加預(yù)定的垂直荷載，土樣達(dá)到穩(wěn)定壓縮狀態(tài)后，對(duì)密閉玻璃罩中的土樣施加預(yù)定壓力值的氮?dú)?，直至土樣排水結(jié)束 （一定時(shí)間段內(nèi)，電子天平讀數(shù)不再變化，就認(rèn)為排水結(jié)束），此時(shí)土樣處于非飽和狀態(tài)，其基質(zhì)吸力在數(shù)值上就等于氣壓值，該階段大約需要5～8 h；3）關(guān)閉排水管閥門(mén)，對(duì)土樣施加水平剪切力，該階段大約需要4 h；4）采用新的飽和土樣，在不同垂直壓力和基質(zhì)吸力的條件下，重復(fù)上述步驟。為最大程度上避免外界作用力作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的不利影響，土樣剪切試驗(yàn)時(shí)所采用的剪切速率為0.03 mm／min，最大剪切位移為6.5 mm。這樣可保證土樣的含水量和基質(zhì)吸力在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，都保持恒定。根據(jù)基質(zhì)吸力不同，可將試驗(yàn)分為4大類(lèi)，每大類(lèi)試驗(yàn)又根據(jù)對(duì)土樣所施加的法向應(yīng)力的不同，分為3小類(lèi)。具體試驗(yàn)安排見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)方案

2.2 結(jié)果分析

所得試驗(yàn)結(jié)果以不同的關(guān)系形式，分別繪制于圖4與圖5中，其中圖4描述了不同基質(zhì)吸力時(shí)土樣的抗剪強(qiáng)度與法向應(yīng)力的關(guān)系情況。由該圖可知，基質(zhì)吸力的存在，在總體上確實(shí)會(huì)使得粉質(zhì)砂土土樣的抗剪強(qiáng)度得以增加，與飽和土相比，圖4中采用非飽和土所得的抗剪強(qiáng)度包線會(huì)產(chǎn)生較為明顯的上移，但上移的幅度不一，這是由于基質(zhì)吸力產(chǎn)生的強(qiáng)度貢獻(xiàn)不同所造成的，其中相應(yīng)于試驗(yàn)Ⅱ （基質(zhì)吸力為5 k Pa）的強(qiáng)度包線位于圖中最上方。若把4條強(qiáng)度包線均朝法向應(yīng)力為0的方向延長(zhǎng)，直至與縱軸相交，則可得到不同吸力條件下，未被壓縮土樣的粘結(jié)強(qiáng)度值，此時(shí)非飽和土樣的粘結(jié)強(qiáng)度也均大于土樣飽和時(shí)的粘結(jié)強(qiáng)度，基質(zhì)吸力為5 k Pa時(shí)所對(duì)應(yīng)的粘結(jié)強(qiáng)度最大，約為57 k Pa。

圖4 吸力不同時(shí)的土樣抗剪強(qiáng)度特性

圖5描述了不同法向應(yīng)力條件下，土樣抗剪強(qiáng)度與基質(zhì)吸力之間的關(guān)系形式。由該圖可知，圖中3條關(guān)系曲線均呈現(xiàn)出了土樣抗剪強(qiáng)度會(huì)在吸力不斷增加時(shí)，出現(xiàn)峰值的現(xiàn)象。對(duì)于曲線1和曲線2而言 （法向應(yīng)力分別為120、250 k Pa的條件），此強(qiáng)度峰值出現(xiàn)在吸力為5 k Pa的時(shí)候，而曲線3（法向應(yīng)力為380 k Pa）的強(qiáng)度峰值則會(huì)出現(xiàn)在吸力為10 k Pa的時(shí)候。此后抗剪強(qiáng)度會(huì)隨著吸力增加而逐漸減小，這說(shuō)明對(duì)于本試驗(yàn)所用土樣而言，基質(zhì)吸力的增加并不會(huì)一味的對(duì)土體強(qiáng)度產(chǎn)生線性的正比例貢獻(xiàn)，這與文獻(xiàn)［11］中試驗(yàn)所得結(jié)果是相吻合的。另外，曲線峰值點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的吸力不同，也說(shuō)明了土樣所處的應(yīng)力環(huán)境 （對(duì)單軸直剪試驗(yàn)而言，指的是對(duì)土樣所施加的法向應(yīng)力），會(huì)對(duì)吸力的強(qiáng)度貢獻(xiàn)形式造成一定的影響。

圖5 法向應(yīng)力不同時(shí)的土樣抗剪強(qiáng)度特性

3 微觀結(jié)構(gòu)分析

從微觀方面來(lái)看，基質(zhì)吸力的產(chǎn)生，主要源于非飽和土體中固－液－氣三相物質(zhì)之間的相互作用。其中自由水體氣－液交界面上的表面張力與土顆粒微小間距之間彎月形水膜上的范德華力，是基質(zhì)吸力的最主要來(lái)源，并且土體含水量的變化以及土體內(nèi)水體的賦存狀態(tài)直接決定了基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果。如2個(gè)由同一類(lèi)土體制作出的土樣，即使在靜法向應(yīng)力、吸力和比容上都是相等的，但若含水量不一致，則會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性［12－13］，這主要是因?yàn)榛|(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的不同貢獻(xiàn)效果所引起的。另外，同一土體在經(jīng)受不同水力路徑（干燥或浸濕）作用時(shí)，即使最終的含水量值不變，由于基質(zhì)吸力產(chǎn)生的強(qiáng)度貢獻(xiàn)會(huì)有所不同，土體在同一含水量但不同水力路徑時(shí)的強(qiáng)度也會(huì)產(chǎn)生很大的變化，也就是常見(jiàn)的土體強(qiáng)度滯后現(xiàn)象［14－15］。

具體而言，基質(zhì)吸力會(huì)通過(guò)自由水體在土顆粒接觸點(diǎn)處產(chǎn)生法向應(yīng)力 （有利影響）和切向應(yīng)力（不利影響）；而通過(guò)彎月形水膜在土顆粒接觸點(diǎn)處卻只產(chǎn)生法向應(yīng)力 （有利影響），于是基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度所造成的總體影響，是與含水量以及土內(nèi)水體賦存狀態(tài)息息相關(guān)的。對(duì)于細(xì)粒土體而言 （如粘性土），其土顆粒微小，單位體積土體的顆粒表面積極其巨大，顆粒間范德華力也較大，含水量的降低會(huì)使得土體內(nèi)氣－液交界面和彎月形水膜均同時(shí)增加，于是基質(zhì)吸力會(huì)大幅度增加，其對(duì)土體強(qiáng)度會(huì)做出很大的貢獻(xiàn)，于是在相同含水量條件下，粘土的基質(zhì)吸力會(huì)遠(yuǎn)大于其它類(lèi)型的土體。而對(duì)于粗粒土體而言，其土體結(jié)構(gòu)決定了該類(lèi)土體在非飽和狀態(tài)時(shí)的賦水能力較小，也即基質(zhì)吸力變化不大時(shí)，含水量也會(huì)相應(yīng)發(fā)生很大的變化 （如圖1所示），土體內(nèi)氣－液交界面和彎月形水膜不會(huì)同時(shí)增加，進(jìn)而影響到吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果。

為從微觀方面對(duì)此種現(xiàn)象進(jìn)行描述，把試驗(yàn)所用粉質(zhì)砂土制作成質(zhì)量含水量分別為30%（飽和度約為0.84）和20% （飽和度約為0.56）的薄層土樣，然后用可拍照式電子顯微鏡進(jìn)行掃描并拍照，所得圖像如圖6（a）、（b）所示，為便于闡述最基本的規(guī)律、現(xiàn)象，將兩圖所體現(xiàn)的具體信息以較為理想化草圖的形式繪于圖7（a）、（b）中。由圖6（a）可知，相比于最初的飽和狀態(tài)，非飽和狀態(tài)時(shí)的土體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很多自由水體氣－液交界面和彎月形水膜，基質(zhì)吸力就是通過(guò)這些狀態(tài)的水體來(lái)增強(qiáng)土體強(qiáng)度的。但將圖6（a）與圖6（b）進(jìn)行對(duì)比（同樣參見(jiàn)圖7），發(fā)現(xiàn)含水量再次減小時(shí) （基質(zhì)吸力更大），土體內(nèi)的自由水體氣－液交界面會(huì)有所增加，但彎月形水膜卻大幅度減少，總體來(lái)看，較大基質(zhì)吸力賴(lài)以增強(qiáng)土體強(qiáng)度的介質(zhì)是變少了，于是對(duì)土體宏觀力學(xué)強(qiáng)度所做的貢獻(xiàn)，甚至還沒(méi)有基質(zhì)吸力較小時(shí)所做的多。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因在于，與其它類(lèi)別土體相比，砂性土體顆粒較大，顆粒之間的孔隙也較大，土體一旦進(jìn)入非飽和狀態(tài)，其所含水分會(huì)較為順暢的排出。

圖6 土樣微觀結(jié)構(gòu)掃描圖

圖7 土樣微觀結(jié)構(gòu)草圖

因此，在含水量逐漸降低的整個(gè)過(guò)程當(dāng)中，原本被水所填充的孔隙逐漸被空氣所進(jìn)入，于是自由水體氣－液交界面也逐漸增多，其所產(chǎn)生的表面張力演變?yōu)榛|(zhì)吸力的最主要來(lái)源，基質(zhì)吸力進(jìn)而又通過(guò)自由水體對(duì)砂土顆粒產(chǎn)生法向應(yīng)力 （有利影響）和切向應(yīng)力 （不利影響）；另一方面，砂性土體顆粒分子間范德華力較為微弱，使得在水體逐漸排出過(guò)程中，非連續(xù)水體難以以彎月形水膜的形式大量存在于土顆粒間隙之中，這就使得基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的有利影響大大削弱。于是就出現(xiàn)總的基質(zhì)吸力增加了，但土體強(qiáng)度較之以前變小了的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

處于自然環(huán)境中的巖土體是一種易受外界條件影響，且物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間流逝而發(fā)生改變的地質(zhì)體。筆者選取特殊地段的路基邊坡土體，從室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)和土體微觀結(jié)構(gòu)2方面來(lái)進(jìn)行土體強(qiáng)度的吸力效應(yīng)分析，得到以下結(jié)論：

1）土體類(lèi)型不同時(shí)，相同的吸力值會(huì)對(duì)該土體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生不同的貢獻(xiàn)。對(duì)于砂性土體而言，在一定含水量范圍內(nèi)，其含水量的逐步降低會(huì)使得基質(zhì)吸力持續(xù)增加，但基質(zhì)吸力對(duì)該類(lèi)土體的強(qiáng)度貢獻(xiàn)，卻并不一定是持續(xù)增加的，這種貢獻(xiàn)效果，是存在一個(gè)“峰值”的。

2）土體微觀結(jié)構(gòu)決定了土體的賦水性能，而非飽和土內(nèi)的水分又是吸力產(chǎn)生的主要源泉，這就決定了吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果是與土體的微觀結(jié)構(gòu)以及所含水分的存在形式息息相關(guān)的。砂性土的微觀結(jié)構(gòu)使得其所含水分能夠很容易的排出土體，土顆粒間的彎月形水膜也會(huì)較初期非飽和階段大為減少，這就造成了基質(zhì)吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果會(huì)隨著含水量的進(jìn)一步減少而逐漸趨于弱化。另外，土體所處的應(yīng)力環(huán)境也會(huì)影響著吸力對(duì)土體強(qiáng)度的貢獻(xiàn)效果。

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