應(yīng)力狀態(tài)對土-水特征曲線的影響規(guī)律

胡孝彭，趙仲輝，倪曉雯

(河海大學(xué)巖土工程研究所，江蘇南京 210098)

土-水特征曲線(SWCC)用于描述非飽和土體中基質(zhì)吸力與含水率之間的關(guān)系，這種關(guān)系在干燥和增濕過程所呈現(xiàn)的曲線不同。SWCC反映了非飽和土的持水能力，借助它可以間接估計(jì)非飽和土的強(qiáng)度［1-2］和滲透特性［3-4］。

前人已經(jīng)針對土的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、應(yīng)力情況等因素對SWCC的影響進(jìn)行了深入的研究［5-7］。在巖土工程中，土體總是承受某一水平的應(yīng)力，會(huì)表現(xiàn)出相應(yīng)的壓縮變形，導(dǎo)致土體組構(gòu)改變，這無疑會(huì)影響土體的持水性能，同時(shí)非飽和土的力學(xué)性狀也會(huì)隨著基質(zhì)吸力的變化而變化，可見，土體所處的應(yīng)力狀態(tài)與其持水特性之間存在很強(qiáng)的耦合作用，因此不能忽視應(yīng)力狀態(tài)對SWCC的影響。

傳統(tǒng)的SWCC測試裝置(如壓力板儀)無法施加外部應(yīng)力和量測體變，Ng等［8］利用改進(jìn)的體積壓力板裝置量測了香港地區(qū)殘積土在K0狀態(tài)下的SWCC，指出軸向應(yīng)力越大，土體的進(jìn)氣值越高，體積含水率的變化范圍越小。龔壁衛(wèi)等［9］利用研制的應(yīng)力式體積壓力板儀探討了應(yīng)力對膨脹土SWCC的影響，初步研究表明一維固結(jié)和各向等壓應(yīng)力狀態(tài)下膨脹土的SWCC呈線性變化趨勢，干燥與增濕過程幾乎沒有滯后現(xiàn)象。陳正漢［10］通過重塑非飽和黃土的三軸收縮試驗(yàn)，指出不同的凈平均應(yīng)力對應(yīng)著不同的SWCC，對于相同飽和度的土，作用的凈平均應(yīng)力越大，則對應(yīng)的吸力越小。實(shí)際上土體所受的應(yīng)力狀態(tài)相當(dāng)復(fù)雜，不同應(yīng)力狀態(tài)下土體的持水特性究竟有何種異同?造成這些差別的根本原因是什么?針對這些問題，筆者采用非飽和土固結(jié)儀和雙室三軸儀量測不同豎向應(yīng)力和等向應(yīng)力作用下的SWCC，以期深入研究應(yīng)力狀態(tài)對SWCC的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣取自河南新鄉(xiāng)地區(qū)，土粒密度為2.68 g/cm3，液限為34%，塑限為16%，砂粒含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為20.7%，粉粒含量為76.3%，黏粒含量為3.0%，最大干密度為1.81 g/cm3，最優(yōu)質(zhì)量含水率為16%。根據(jù)土的分類方法［11］，該土樣屬于低液限黏土。

1.2 試驗(yàn)儀器與試樣制備

試驗(yàn)儀器主要有2種:非飽和土固結(jié)儀(圖1)和雙室三軸儀(圖2)，它們均基于軸平移技術(shù)控制試樣的基質(zhì)吸力。非飽和固結(jié)儀的主要裝備為臺(tái)架、底座、壓力室、加載系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、百分表等部件，其中加載系統(tǒng)與常規(guī)固結(jié)儀相同，杠桿比為1∶12。試驗(yàn)過程中為了減少氣壓力變化對豎向變形量測的影響，將通往壓力室的氣壓管分為2支，一支經(jīng)進(jìn)氣孔通向壓力室，另一支連接到圖1所示的活塞上，由支架將該活塞固定于壓力室活塞的正上方，使壓力室活塞兩端的氣壓相同。

圖1 非飽和土固結(jié)儀Fig.1 Unsaturated soil oedometer

圖2 雙室三軸儀Fig.2 Double-cell triaxial apparatus

雙室三軸儀由常規(guī)三軸儀改進(jìn)而來，在分別控制試樣基質(zhì)吸力和凈平均應(yīng)力條件下，通過安裝在體變管和排水管上的傳感器來測量體變，試樣的體變反映為內(nèi)室水的體積改變，試驗(yàn)加壓時(shí)內(nèi)外壓力室的壓力相等，可以大幅度減小內(nèi)室體積量測誤差。由于壓力變化、蠕變、溫度變化等會(huì)引起體變量測誤差，因此采用文獻(xiàn)［12］的方法對試驗(yàn)量測結(jié)果進(jìn)行誤差修正。

試樣的初始干密度為1.65g/cm3，初始質(zhì)量含水率為14%。對于固結(jié)儀試樣，采用壓樣器以靜壓力制備壓實(shí)環(huán)刀樣(直徑61.8 mm，高度20 mm);對于三軸儀試樣(直徑39.l mm，高度32 mm)的制備，采用與試樣直徑相同的擊樣筒，分2層擊實(shí)，制備方法見文獻(xiàn)［13］。制備好的試樣視為初始狀態(tài)相同的土樣，將其裝入飽和器進(jìn)行抽氣飽和，以備使用。

1.3 試驗(yàn)方法

為獲得不同應(yīng)力狀態(tài)下的SWCC，試驗(yàn)分為固結(jié)、干燥和增濕3個(gè)過程。將飽和試樣分別在25 kPa，50 kPa與100 kPa下固結(jié)(分為K0固結(jié)、等向固結(jié))，待固結(jié)完成后，在控制凈應(yīng)力不變的條件下逐級增加吸力至最大吸力值(300 kPa)，之后將吸力逐級減小至零。應(yīng)力路徑如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)應(yīng)力路徑Fig.3 Stress paths of testing program

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 豎向應(yīng)力對SWCC的影響

圖4為不同豎向應(yīng)力對SWCC的影響關(guān)系。從圖4(a)可以看出曲線的性狀基本一致，豎向應(yīng)力越大，初始飽和體積含水率θs越低。Fredlund等［14］提供了一種通過作圖來確定進(jìn)氣值的方法:過干燥曲線的下降段作斜線與θ=θs的交點(diǎn)即為土的進(jìn)氣值(uauw)b，如圖4(a)所示，該線斜率的絕對值定義為干燥率。半對數(shù)坐標(biāo)系中，對SWCC下降段進(jìn)行擬合，求得空氣進(jìn)入值和干燥率，見表1。

圖4 豎向應(yīng)力對SWCC的影響Fig.4 Effects of vertical stress on SWCC

從表1可以清楚地看到隨著豎向應(yīng)力的增加，空氣進(jìn)入值增大，這與 V anapalli等［15］的結(jié)論有相同之處;另外，干燥率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，亦即干燥曲線越趨于平緩。這是因?yàn)樵嚇釉谪Q向應(yīng)力作用下發(fā)生固結(jié)，孔隙體積會(huì)減小，豎向應(yīng)力越大，則土顆粒間的膠結(jié)越緊密、孔隙比越小且存在一定數(shù)量的微孔隙，導(dǎo)致相應(yīng)的空氣進(jìn)入值越大，SWCC越平緩。

表1 SWCC的進(jìn)氣值與干燥率Table 1 Air-entry value and gradient of drying curve of SWCC

從圖4(b)可以看出，隨著豎向應(yīng)力的增加，曲線斜率的絕對值也逐漸變小，即豎向應(yīng)力越大，增濕曲線越平緩，土體向內(nèi)吸水越困難。試樣在干濕循環(huán)后土體的體積含水率均無法回到初始的飽和體積含水率，主要原因在于增濕過程中水無法將土樣中存在的氣泡完全趕出。

綜合干燥與增濕過程考慮，針對某一豎向應(yīng)力下的SWCC，干燥率明顯大于增濕率，同一吸力值對應(yīng)2個(gè)不同的體積含水率θ，主要原因如下:一方面是土中孔隙尺寸大小不均勻，根據(jù)Fredlund等［14］的“瓶頸效應(yīng)”模型，增濕過程中較粗的孔徑起控制作用，大孔隙較易進(jìn)出水分，而干燥過程中吸力大于細(xì)孔隙對應(yīng)的毛管力時(shí)粗孔隙保持的水分才能被排出，顯然細(xì)孔徑需要的吸力值大，水分進(jìn)出較難，這樣干燥過程中小孔隙中殘余的水分使含水率高于增濕過程吸水時(shí)的含水率;另一方面是干燥和增濕過程中水-氣分界面接觸角大小不同，干燥時(shí)小、增濕時(shí)大。

2.2 等向應(yīng)力對SWCC的影響

圖5為不同等向應(yīng)力條件下量測的SWCC，在半對數(shù)坐標(biāo)系中求得空氣進(jìn)入值、干燥率，結(jié)果見表1。

2.3 不同應(yīng)力狀態(tài)下SWCC的對比

對比不同應(yīng)力狀態(tài)下得到的SWCC，可以發(fā)現(xiàn)，雖然SWCC形狀基本相似，但存在一些明顯的差異。等向固結(jié)作用下土體的初始飽和體積含水率較相應(yīng)K0固結(jié)小些，SWCC的空氣進(jìn)入值較大，干燥率和增濕率略小。

圖5 等向應(yīng)力對SWCC的影響Fig.5 Effects of isotropic stress on SWCC

固結(jié)后的孔隙比與SWCC的空氣進(jìn)入值、干燥率與增濕率之間的關(guān)系如圖6、圖7所示。由圖6、圖7可以看出，不同應(yīng)力狀態(tài)下試樣固結(jié)完成后的孔隙比與SWCC的空氣進(jìn)入值、干燥率存在良好的線性關(guān)系，孔隙比與空氣進(jìn)入值成反比，與干燥(增濕)率成正比。等向固結(jié)對土體的擠密變形作用比相應(yīng)的K0固結(jié)強(qiáng)，固結(jié)完成后土樣的孔隙比更小，空氣進(jìn)入值、干燥率反映土體中毛細(xì)力的大小，而毛細(xì)力與孔隙體積成反比［15］，因而孔隙比越小，空氣進(jìn)入值越大，干燥速率越小。孔隙比變化的不同導(dǎo)致含水量隨吸力的變化也不盡相同，隨著基質(zhì)吸力的增加，試樣發(fā)生收縮，孔隙比不斷減小，干燥率明顯大于增濕率。

圖6 孔隙比與空氣進(jìn)入值的關(guān)系Fig.6 Relationship between void ratio and air-entry value

圖7 孔隙比與干燥(增濕)率的關(guān)系Fig.7 Relationship between void ratio and gradient of drying(or wetting)curve

圖8為不同應(yīng)力狀態(tài)下Fredlund等［16］的三參數(shù)模型擬合曲線，采用他們的三參數(shù)SWCC模型［16］對固結(jié)應(yīng)力為50 kPa，100 kPa下量測的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用最小二乘法進(jìn)行擬合:

圖8 不同應(yīng)力狀態(tài)下的滯回特性Fig.8 Hydraulic hysteresis under different stress states

式中:ψ——基質(zhì)吸力;a，n，m—— 擬合參數(shù)。

由圖8可以發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)后試樣的θ沒有回到初始值，且比初始體積含水率低;從吸力在1～300 kPa范圍內(nèi)形成的滯回圈看，應(yīng)力值越大，土體的滯回特性越不明顯，與K0固結(jié)相比，相應(yīng)等向固結(jié)應(yīng)力下土體的滯回特性更弱。固結(jié)完成后的孔隙比與滯回圈面積之間的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知，孔隙比與滯回圈面積線性相關(guān)程度較高，不同固結(jié)應(yīng)力作用下土體的孔隙比不同，孔隙比越大則滯回圈面積越大、持水能力越弱，固結(jié)后的孔隙比反映了不同應(yīng)力狀態(tài)對SWCC的影響差異。值得注意的是，本試驗(yàn)的孔隙比變化范圍不大，其他應(yīng)力比條件下，孔隙比變化范圍較大時(shí)該結(jié)論的適用性還有待于驗(yàn)證。另外，土體經(jīng)過干濕循環(huán)后會(huì)生成新的封閉氣泡，它是導(dǎo)致滯回現(xiàn)象的一個(gè)重要原因，而孔隙比是土體中孔隙(連通孔隙與封閉孔隙)分布的平均指標(biāo)，因此，下一步的研究工作應(yīng)對干濕循環(huán)過程中生成的封閉氣泡所占的比重加以考慮。

圖9 孔隙比與滯回圈面積關(guān)系Fig.9 Relationship between void ratio and area of hysteresis loop

3 結(jié) 語

采用非飽和土固結(jié)儀和雙室三軸儀量測在豎向應(yīng)力和等向應(yīng)力作用下壓實(shí)黏土的SWCC，較深入地研究不同應(yīng)力狀態(tài)對SWCC的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明:

a.隨著固結(jié)應(yīng)力增大，SWCC的空氣進(jìn)入值逐漸增大，土體進(jìn)氣后干燥與增濕曲線的斜率隨著應(yīng)力增加而減小。

b.SWCC的滯回特性隨著應(yīng)力水平的提高而逐漸減弱。

c.與K0固結(jié)相比，同一凈應(yīng)力值下等向固結(jié)作用下的土體孔隙比更小，對應(yīng)SWCC空氣進(jìn)入值較大，干燥和增濕曲線的斜率較小，滯回特性也較弱?？梢?，低應(yīng)力(＜100 kPa)主要是通過改變土體的孔隙結(jié)構(gòu)來影響SWCC，固結(jié)后的孔隙比可以反映不同應(yīng)力狀態(tài)對SWCC的影響差異。

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