含水量對(duì)原狀殘積土初始基質(zhì)吸力影響的試驗(yàn)研究

劉漢東，李 信，劉海寧，張亞峰

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

福建省為地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)，其中暴雨型滑坡地質(zhì)災(zāi)害尤為突出，點(diǎn)多、分布廣、規(guī)模小，多為土質(zhì)滑坡，約占滑坡總數(shù)的95%以上;在土質(zhì)滑坡中，95%以上是淺層土質(zhì)滑坡(滑體厚度小于6 m)［1］． 由于福建省氣候濕熱，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，斜坡上殘積土發(fā)育．殘積土為巖石風(fēng)化后殘留在原地的風(fēng)化物，土體結(jié)構(gòu)較松散，透水性較好，暴雨后大量雨水的入滲，引起殘積土體的非飽和狀態(tài)發(fā)生變化，含水量增大，飽和度增加，吸力銳減，進(jìn)而引起抗剪強(qiáng)度大幅度下降，容易誘發(fā)淺層滑坡［2］．

根據(jù)非飽和土力學(xué)理論，非飽和土中存在的基質(zhì)吸力對(duì)土的強(qiáng)度、滲流和變形等都有著十分重要的影響，也是非飽和土研究的核心問(wèn)題［3］． 目前有很多學(xué)者采用不同方法研究邊坡穩(wěn)定性與土體基質(zhì)吸力的關(guān)系．黃潤(rùn)秋等［4］根據(jù)普遍極限平衡分析法公式推導(dǎo)出邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨基質(zhì)吸力的變化關(guān)系，說(shuō)明基質(zhì)吸力的減小會(huì)導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定系數(shù)的減?。畢强〗艿龋?］通過(guò)試驗(yàn)和穩(wěn)定分析的計(jì)算程序，繪制了邊坡安全系數(shù)和基質(zhì)吸力的關(guān)系曲線，得出基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定有著顯著影響的結(jié)論，并且揭示了由于降雨和地下水位上升引起的基質(zhì)吸力下降及消失將誘發(fā)滑坡的機(jī)理． 羅曉輝等［6］在土坡極限平衡分析法中把基質(zhì)吸力考慮進(jìn)去，結(jié)果表明當(dāng)降雨入滲時(shí)，基質(zhì)吸力的減小會(huì)導(dǎo)致土體條間作用力的下降，是降雨期間土坡失穩(wěn)的一個(gè)重要原因．由此可見，研究土體的基質(zhì)吸力對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析及揭示滑坡機(jī)理至關(guān)重要．

從20 世紀(jì)60 年代至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)基質(zhì)吸力的量測(cè)和評(píng)估做了大量的研究工作． 非飽和土的基質(zhì)吸力測(cè)量主要有直接測(cè)量法和間接測(cè)量法兩種．常用的直接測(cè)量法包括濕度計(jì)、張力計(jì)、軸平移技術(shù)等;間接測(cè)量法有探針法、時(shí)域反射法、電導(dǎo)傳感器法、熱導(dǎo)傳感器法、濾紙法、電容式吸力儀法、粒基傳感器法［7－9］等． 劉國(guó)楠［10］、白福青［11］和黃志全［12］等分別采用改進(jìn)的三軸儀法、濾紙法和GDS量測(cè)膨脹土的基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系;黨進(jìn)謙等［13］采用壓力板儀、李永樂等［14］采用改進(jìn)的三軸儀以及齊明山等［15］采用GDS 分別量測(cè)出非飽和黃土的基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系;劉小文、陳東霞等［16－17］采用濾紙法分別量測(cè)了非飽和紅土、重塑殘積土的基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系;劉海寧等［18－19］采用應(yīng)力應(yīng)變式非飽和土三軸儀量測(cè)了重塑粉質(zhì)黏土的基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系．

GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是利用軸平移技術(shù)對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行測(cè)量．該儀器自動(dòng)化程度高，測(cè)量精度高，它能靈活地控制圍壓、反壓、軸壓和氣壓，對(duì)所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用全自動(dòng)電腦采集并能進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，而且它還具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，在不斷電情況下能長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行數(shù)星期．為了解福建省降雨滑坡帶的非飽和原狀殘積土基質(zhì)吸力隨含水量變化的規(guī)律，筆者采用GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)一系列具有不同含水量的非飽和原狀殘積土試樣的初始基質(zhì)吸力進(jìn)行測(cè)定，得到了初始基質(zhì)吸力隨時(shí)間和含水量變化的規(guī)律．

1 土樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

此次試驗(yàn)土樣取自福建省西北部原狀殘積土．取土深度1．85 ～2．10 m，土呈紅褐色，硬塑狀態(tài)，天然含水量為29． 2% 左右，天然密度為1． 72 ～1．74 g/cm3，天然孔隙比為1．03，有蟲孔、細(xì)樹根和草根、少量蝸牛殼和蟻穴，土質(zhì)較均勻．

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得該土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)如下:塑限Lp=27%，液限Ll=52%，塑性指數(shù)Ip=25．顆粒分析結(jié)果表明:試驗(yàn)用土大于0．075 mm 的顆粒含量不超過(guò)總量的50%，不含大于2 mm 的顆粒，且不均勻系數(shù)Cu=49．3，曲率系數(shù)Cc=1．43． 福建地區(qū)花崗巖殘積土中的黏性土大致分3 類:殘積黏性土、砂質(zhì)黏性土和砂礫質(zhì)黏性土［20］． 結(jié)合此次試驗(yàn)土樣的外觀特征以及土的物理性質(zhì)指標(biāo)，可以初步判斷試驗(yàn)土樣為殘積黏性土．

2 試驗(yàn)過(guò)程

該試驗(yàn)在英國(guó)GDS 公司生產(chǎn)的全自動(dòng)靜三軸和應(yīng)力路徑測(cè)試系統(tǒng)(GDSTTS)上進(jìn)行． 設(shè)備主要由3 部分組成:壓力室、加壓系統(tǒng)和量測(cè)采集系統(tǒng)，如圖1 所示．加壓系統(tǒng)共有4 套，分別來(lái)提供軸壓、圍壓、反壓和孔隙氣壓．4 套加壓系統(tǒng)均與數(shù)據(jù)采集板和壓力室相連，數(shù)據(jù)采集板用于數(shù)據(jù)采集和控制試驗(yàn)所用的GDSLAB 模塊軟件等，所有測(cè)量數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)采集．

圖1 GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)

2．1 試驗(yàn)原理

利用壓力室底座上的高進(jìn)氣值陶土板來(lái)測(cè)量土樣的基質(zhì)吸力．該陶土板由高嶺土焙燒而成，具有許多均勻小孔，允許水透過(guò)而不允許空氣透過(guò)．充水飽和后，在陶土板上形成收縮膜，將陶土板表面的小孔聯(lián)結(jié)起來(lái)阻擋空氣通過(guò)，其上、下的空氣壓力與水壓力之差即為基質(zhì)吸力［21］．

2．2 試樣的制備

按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SD 128—84)用適合的削土器將從現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣削制成高度為100 mm，直徑為50 mm 的圓柱形． 此次試驗(yàn)共取5 組含水量，分別為17．8%，26．3%，29．0%(接近天然含水率)，31．7%和36．0%．試驗(yàn)時(shí)根據(jù)設(shè)定的含水量求出相應(yīng)的需水量或減水量，分別用水膜轉(zhuǎn)移法［22］和風(fēng)干法控制含水量．

2．3 試驗(yàn)步驟

2．3．1 試驗(yàn)前準(zhǔn)備

1)制備蒸餾水． 為了提高試驗(yàn)的精度，要求用無(wú)氣水(如蒸餾水)．因此，要制備蒸餾水．

2)飽和陶土板． 試驗(yàn)前要使陶土板飽和，具體操作是:把陶土板擦干凈，打開陶土板底座閥門，利用反壓排水直至該閥門均勻流水且無(wú)氣泡冒出，停止反壓排水并擰緊該閥門． 然后在陶土板上面包一層保鮮膜并用橡皮帶纏緊，防止水分蒸發(fā)，再用反壓控制器施加30 kPa 的壓力于陶土板底部(壓力不能超過(guò)50 kPa，否則影響陶土板使用性能)，并保持該級(jí)壓力直至陶土板上表面形成一層均勻連續(xù)的水膜．

2．3．2 裝 樣

裝樣前將傳感器和控制器上各項(xiàng)指標(biāo)清零，抹去陶土板上的水膜，將試樣置于陶土板上，通過(guò)陶土板將試樣與孔隙水壓力量測(cè)系統(tǒng)(即反壓控制器)相連，測(cè)出土樣孔隙水壓力．試樣的另一端與試樣帽相連，進(jìn)而與氣壓控制器相連，以施加孔隙氣壓力．

2．3．3 初始基質(zhì)吸力的測(cè)定

為了防止土樣的含水量較低時(shí)，負(fù)孔隙水壓力超過(guò)70 kPa 出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象而影響孔隙水壓力的量測(cè)精度，試驗(yàn)中采用了軸平移技術(shù)［3］． 軸平移技術(shù)就是人為地提高孔隙氣壓力，與此同時(shí)孔隙水壓力也隨之平移提高，而二者之間的差值(即為基質(zhì)吸力)卻保持不變．孔隙水壓力被增加到正值，就能夠更精確地對(duì)基質(zhì)吸力進(jìn)行量測(cè)．

具體操作是:在裝樣完成和開始設(shè)置試驗(yàn)階段前，先關(guān)閉反壓排水閥門;然后分階段緩慢施加圍壓和孔隙氣壓(確保圍壓約大于孔隙氣壓5 kPa)，保持孔隙氣壓力恒定，用孔隙水壓力傳感器量測(cè)孔隙水壓力，觀察孔隙水壓力的變化，直至其趨于穩(wěn)定．氣壓力與穩(wěn)定的水壓力的差值即為該試樣的基質(zhì)吸力．在這個(gè)過(guò)程中，孔隙水排泄閥門(即反壓控制器閥門)始終處于關(guān)閉狀態(tài)．

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2 為含水量ω 分別為17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%的5 組土樣所對(duì)應(yīng)的初始基質(zhì)吸力隨時(shí)間變化的曲線．

圖2 5 種含水量下初始基質(zhì)吸力隨時(shí)間的變化曲線

由圖2 可知，在試驗(yàn)后較短時(shí)間內(nèi)所有曲線上升至最大值，而后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，曲線逐漸下降，趨于一個(gè)穩(wěn)定值．出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象，是因?yàn)樵嚇觿偙环胖糜谔胀涟宓鬃?，孔隙水壓力傳感器即開始量測(cè)試樣中的孔隙水壓力，而此時(shí)孔隙氣壓力還未被及時(shí)提高，即孔隙氣壓力相對(duì)于大氣壓保持為零，這樣量測(cè)出來(lái)的孔隙水壓力為負(fù)值并且負(fù)值會(huì)越來(lái)越大，基質(zhì)吸力(孔隙氣壓力與孔隙水壓力之差)就越來(lái)越大，直到采用軸平移技術(shù)增加孔隙氣壓力．但剛開始施加孔隙氣壓力時(shí)，增加的孔隙氣壓力并不能阻止孔隙水壓力的減小(即負(fù)值越來(lái)越大)，因此基質(zhì)吸力持續(xù)增大最后達(dá)到峰值．一定時(shí)間后，孔隙氣壓力的增加速度超過(guò)孔隙水壓力的減小速度，使得孔隙水壓力開始逐漸增加，此時(shí)基質(zhì)吸力由峰值開始減小，并逐漸趨于穩(wěn)定值．

此次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)原狀土樣初始基質(zhì)吸力的測(cè)定，得到了土樣5 種含水量(17． 8%，26． 3%，29．0%，31．7%和36．0%)分別對(duì)應(yīng)的初始基質(zhì)吸力值，即:450，320，220，90，10 kPa．

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出土樣初始基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系曲線，如圖3 所示． 從圖3 可以看出，土樣含水量越大，初始基質(zhì)吸力越小;土樣含水量越小，初始基質(zhì)吸力越大;且初始基質(zhì)吸力隨含水量的變化比較敏感，隨著含水量的增大基質(zhì)吸力呈現(xiàn)出急劇減小的趨勢(shì)，當(dāng)含水量ω =17．8%時(shí)基質(zhì)吸力約450 kPa，當(dāng)含水量增加到ω=36．0%時(shí)基質(zhì)吸力銳減到10 kPa．

圖3 初始基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系曲線

單個(gè)試樣所需試驗(yàn)時(shí)間很長(zhǎng)，由于時(shí)間所限，該試驗(yàn)中設(shè)置的含水量組數(shù)較少，不能完整、精確地說(shuō)明非飽和土基質(zhì)吸力和含水量的關(guān)系． 但是此次試驗(yàn)具有驗(yàn)證性作用，測(cè)得的初始基質(zhì)吸力將會(huì)給實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的幫助．

4 結(jié) 語(yǔ)

1)利用GDS 三軸試驗(yàn)系統(tǒng)初步量測(cè)了不同含水量原狀殘積土的初始基質(zhì)吸力，這為殘積土邊坡的穩(wěn)定性分析及揭示其滑坡機(jī)理奠定了基礎(chǔ)．

2)試驗(yàn)結(jié)果表明土樣的初始基質(zhì)吸力在試驗(yàn)的初始階段迅速增大并達(dá)到峰值，而后隨著時(shí)間延長(zhǎng)，逐漸減小，并趨于一個(gè)穩(wěn)定值．

3)試驗(yàn)得到5 組含水量17．8%，26．3%，29．0%，31．7%和36．0%分別對(duì)應(yīng)的初始基質(zhì)吸力為450，320，220，90，10 kPa，由初始基質(zhì)吸力與含水量的關(guān)系曲線可知土樣的基質(zhì)吸力隨著含水率的增大而減小．

4)該試驗(yàn)中的含水量組數(shù)較少，還有待增加，以進(jìn)一步量測(cè)初始基質(zhì)吸力并為工程實(shí)際應(yīng)用提供更加全面和有力的幫助．

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